郝建明，楚 彬，敖敏思，谷守周

(1. 湖南省測(cè)繪科技研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410004； 2. 中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院湖南分院，湖南 長(zhǎng)沙 410004； 3. 中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100830)

隨著無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、空間信息與移動(dòng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用進(jìn)入了由測(cè)繪專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域向大眾應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展時(shí)期。同時(shí)，由于移動(dòng)終端性能的日趨完善，移動(dòng)終端也慢慢開(kāi)放原始觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，人們對(duì)位置服務(wù)的需求呈現(xiàn)出高精度、多終端、多領(lǐng)域的特點(diǎn)[1]。近年來(lái)我國(guó)在高精度GNSS差分定位服務(wù)領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究探索，主要表現(xiàn)在：①在定位方法上，傳統(tǒng)分米級(jí)差分定位服務(wù)主要是通過(guò)建立區(qū)域衛(wèi)星連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)，實(shí)時(shí)不間斷獲取各基準(zhǔn)站的偽距觀(guān)測(cè)值，利用基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)解算該站上GNSS衛(wèi)星相應(yīng)的偽距改正數(shù)，以此修正流動(dòng)站的偽距觀(guān)測(cè)值。這種方法充分利用了流動(dòng)站與基準(zhǔn)站間的位置關(guān)系，較好地消除了大氣誤差影響，定位算法簡(jiǎn)單、效率高，但須將基準(zhǔn)站坐標(biāo)播發(fā)給用戶(hù)進(jìn)行內(nèi)插改正數(shù)，存在國(guó)家基準(zhǔn)站坐標(biāo)的安全隱患[2]。②在CORS服務(wù)模式上，目前各個(gè)省級(jí)CORS網(wǎng)服務(wù)系統(tǒng)大多采用由數(shù)據(jù)中心直接面向終端客戶(hù)提供服務(wù)的方式，即數(shù)據(jù)處理中心對(duì)基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算生成用于高精度定位的改正數(shù)產(chǎn)品，并響應(yīng)用戶(hù)數(shù)據(jù)及其他相關(guān)業(yè)務(wù)請(qǐng)求的功能，服務(wù)產(chǎn)品形式以觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)為主，如播發(fā)改正數(shù)、提供原始觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)等，服務(wù)主要面向測(cè)繪專(zhuān)業(yè)用戶(hù)[3]。這種服務(wù)模式在終端用戶(hù)向服務(wù)器請(qǐng)求服務(wù)時(shí)，服務(wù)器同時(shí)面臨改正數(shù)計(jì)算和業(yè)務(wù)請(qǐng)求處理的雙重壓力，不適應(yīng)高并發(fā)請(qǐng)求的應(yīng)用場(chǎng)景。同時(shí)，用戶(hù)往往需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理加工，需要一定的測(cè)繪數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)，不利于向非測(cè)繪行業(yè)推廣。因此，本文針對(duì)傳統(tǒng)分米級(jí)定位服務(wù)中安全性低、高并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)差和專(zhuān)業(yè)門(mén)檻高的問(wèn)題，提出并設(shè)計(jì)一種基于CORS的分米級(jí)差分定位云服務(wù)模式。在傳統(tǒng)差分定位方法的基礎(chǔ)上，采用虛擬格網(wǎng)用戶(hù)生成改正數(shù)的形式，并通過(guò)解算服務(wù)器與業(yè)務(wù)服務(wù)器分離的云服務(wù)模式，解決用戶(hù)高并發(fā)服務(wù)請(qǐng)求及數(shù)據(jù)安全性的問(wèn)題；同時(shí)，以應(yīng)用程序接口(API)和軟件開(kāi)發(fā)工具包(SDK)的方式提供面向開(kāi)發(fā)者的分米級(jí)位置服務(wù)接口，滿(mǎn)足大量級(jí)、多領(lǐng)域、低門(mén)檻的高精度位置服務(wù)需求。

1 服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 服務(wù)整體架構(gòu)

本文結(jié)合省級(jí)衛(wèi)星導(dǎo)航位置服務(wù)公共平臺(tái)建設(shè)需求，構(gòu)建了基于CORS的分米級(jí)GNSS差分定位云服務(wù)架構(gòu)，如圖1所示。通過(guò)將CORS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)推送至解算服務(wù)器，解算服務(wù)器結(jié)合偽距觀(guān)測(cè)值和基站的真實(shí)坐標(biāo)，根據(jù)反距離權(quán)重插值法內(nèi)插出每個(gè)虛擬格網(wǎng)偽距差分改正數(shù)，并將格網(wǎng)差分改正數(shù)推送至業(yè)務(wù)服務(wù)器。用戶(hù)端無(wú)需與解算服務(wù)器進(jìn)行交互，解算服務(wù)器不受用戶(hù)并發(fā)數(shù)限制，能夠?qū)崿F(xiàn)高并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)情況下的快速擴(kuò)容，滿(mǎn)足超大量級(jí)終端位置服務(wù)需求。將涉密環(huán)境的解算服務(wù)器與不涉密環(huán)境的業(yè)務(wù)服務(wù)器進(jìn)行隔離，符合安全保密規(guī)定，能夠有效確保數(shù)據(jù)安全。同時(shí)，業(yè)務(wù)服務(wù)器將解算服務(wù)器生成的分米級(jí)改正數(shù)產(chǎn)品以API和SDK的形式提供位置改正服務(wù)與數(shù)據(jù)處理服務(wù)，降低了專(zhuān)業(yè)技術(shù)門(mén)檻。

1.2 服務(wù)請(qǐng)求響應(yīng)

平臺(tái)數(shù)據(jù)請(qǐng)求服務(wù)主要包括用戶(hù)、應(yīng)用系統(tǒng)、定位終端、業(yè)務(wù)服務(wù)器、解算服務(wù)器5個(gè)部分。定位終端發(fā)起數(shù)據(jù)請(qǐng)求，服務(wù)端作身份驗(yàn)證并響應(yīng)終端請(qǐng)求，匹配相應(yīng)改正數(shù)產(chǎn)品結(jié)合實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，并將解算后的高精度位置返回給應(yīng)用系統(tǒng)，應(yīng)用系統(tǒng)面向用戶(hù)提供分米級(jí)位置服務(wù)。通過(guò)建立定位終端與云端業(yè)務(wù)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)連接，由業(yè)務(wù)服務(wù)器將改正數(shù)產(chǎn)品推送至定位終端，定位終端結(jié)合原始觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)完成差分解算，并調(diào)用SDK返回至用戶(hù)系統(tǒng)。具體數(shù)據(jù)服務(wù)請(qǐng)求流程如圖2所示。

2 定位理論與方法

2.1 反距離權(quán)重插值法

反距離權(quán)重插值法方法的原理為：將流動(dòng)站附近的CORS站改正數(shù)通過(guò)加權(quán)平均值的方法內(nèi)插出流動(dòng)站的偽距改正數(shù)，計(jì)算流動(dòng)站與基準(zhǔn)站之間距離的倒數(shù)，利用各站所求的倒數(shù)對(duì)各基準(zhǔn)站進(jìn)行定權(quán)[2]。

反距離權(quán)重插值法是從流動(dòng)站與CORS站距離的倒數(shù)確定權(quán)值，在一定意義上考慮了CORS站位置對(duì)差分改正數(shù)的影響。且該方法模型簡(jiǎn)單，不受CORS站數(shù)量限制，當(dāng)局域范圍內(nèi)CORS站數(shù)量有限時(shí)，使用該方法較為適合。

2.2 GNSS網(wǎng)格偽距差分定位

GNSS網(wǎng)格偽距差分定位是在GNSS網(wǎng)絡(luò)偽距差分定位方法的基礎(chǔ)上，考慮基準(zhǔn)站坐標(biāo)的安全性、基準(zhǔn)站信息合理利用性，以及用戶(hù)差分?jǐn)?shù)據(jù)量的負(fù)擔(dān)而進(jìn)行的改進(jìn)，與原始偽距差分定位方法相比具有用戶(hù)差分?jǐn)?shù)據(jù)量小、安全性高和信息合理等優(yōu)點(diǎn)[4]。該方法主要是在省域范圍內(nèi)，將湖南省區(qū)域按照一定的原則劃分為若干規(guī)則格網(wǎng)，并應(yīng)用反距離權(quán)重內(nèi)插數(shù)學(xué)模型計(jì)算各網(wǎng)格中心所在點(diǎn)的偽距差分改正信息；若干網(wǎng)格差分信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)鏈路對(duì)外播發(fā)，用戶(hù)則只需要在使用該差分信息前確定自己所處的網(wǎng)格，按照指定端口接收本網(wǎng)格差分信息，對(duì)自身觀(guān)測(cè)的定位結(jié)果進(jìn)行必要的修正處理，即可實(shí)時(shí)獲取所在位置的精確坐標(biāo)。網(wǎng)格中心點(diǎn)偽距改正數(shù)生成模型如圖3所示。

2.3 終端差分定位方法

使用兩臺(tái)接收機(jī)進(jìn)行同步觀(guān)測(cè)時(shí)，站間差分能夠有效消除衛(wèi)星軌道誤差及衛(wèi)星鐘差，同時(shí)還能大幅度削弱電離層延遲和對(duì)流層延遲誤差，從而提高定位精度。通常情況下，基準(zhǔn)站坐標(biāo)已知，流動(dòng)站可以接收基準(zhǔn)站播發(fā)的改正信息完成差分定位。差分定位數(shù)學(xué)模型為

Ax=L+ΔL+ε

式中，A為系數(shù)陣；x為坐標(biāo)參數(shù)和接收機(jī)鐘差構(gòu)成的未知參數(shù)陣;L為原始偽距觀(guān)測(cè)值構(gòu)成的常數(shù)陣；ΔL為參考站播發(fā)的偽距改正信息構(gòu)成的改正數(shù)常數(shù)陣;ε為觀(guān)測(cè)噪聲。由最小二乘可得

3 測(cè)試分析

本次試驗(yàn)區(qū)域?yàn)楹鲜【硟?nèi)，利用湖南省122個(gè)GNSS基準(zhǔn)站生成網(wǎng)格中心點(diǎn)改正數(shù)，劃分為49個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格起始緯度為24°00′N(xiāo)，起始經(jīng)度為108°00′E。針對(duì)本文研究的基于CORS的分米級(jí)GNSS差分定位云服務(wù)模式，依托湖南省位置服務(wù)云平臺(tái)(HNCORS)，從丟包率、外符合精度、高并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)3個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試。丟包率和外符合精度測(cè)試主要采取靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試兩種方式，驗(yàn)證終端手持機(jī)GNSS偽距差分模塊的定位精度和穩(wěn)定性。靜態(tài)測(cè)試地點(diǎn)為湖南省測(cè)繪科技研究所樓頂固定觀(guān)測(cè)墩，采用華辰北斗CC20手持機(jī)一部，手機(jī)用來(lái)發(fā)射4G熱點(diǎn)。動(dòng)態(tài)測(cè)試路段為長(zhǎng)沙市周邊公路，采用零基線(xiàn)方式，將1臺(tái)接收機(jī)天線(xiàn)通過(guò)吸頂安放到汽車(chē)的頂部，天線(xiàn)通過(guò)功分器分流，連接1臺(tái)Trimble R9接收機(jī)和1臺(tái)華辰CC20手持機(jī)。高并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)測(cè)試主要是通過(guò)設(shè)置不同并發(fā)用戶(hù)數(shù)，測(cè)試事務(wù)執(zhí)行情況、平均響應(yīng)時(shí)間、資源占用情況。

3.1 丟包率測(cè)試

丟包率測(cè)試是指測(cè)試所丟失數(shù)據(jù)包數(shù)量占所發(fā)送數(shù)據(jù)組的比例。靜態(tài)測(cè)試中丟包率測(cè)試是將CC20手持機(jī)保存的原始觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)解算歷元數(shù)與差分結(jié)果歷元數(shù)進(jìn)行對(duì)比得出；動(dòng)態(tài)測(cè)試丟包率利用天寶R9采集動(dòng)態(tài)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用手持機(jī)實(shí)時(shí)差分定位結(jié)果，將實(shí)時(shí)成功定位歷元數(shù)與從車(chē)輛開(kāi)始到結(jié)束所經(jīng)歷的歷元數(shù)進(jìn)行比較，計(jì)算網(wǎng)格坐標(biāo)差分方法的丟包率，反映了一段時(shí)間段內(nèi)流動(dòng)站差分定位的成功率。測(cè)試選取4個(gè)靜態(tài)觀(guān)測(cè)點(diǎn)和一次動(dòng)態(tài)觀(guān)測(cè)結(jié)果，對(duì)其丟包率結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 丟包率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

根據(jù)表1中丟包率統(tǒng)計(jì)結(jié)果，靜態(tài)測(cè)試網(wǎng)格偽距差分定位解算率最高為98%，靜態(tài)測(cè)試丟包率在7.89%左右，解算率達(dá)到90%以上，解算結(jié)果較好。測(cè)試結(jié)果中產(chǎn)生丟包率的主要因素是測(cè)試區(qū)域內(nèi)高架橋數(shù)量多、房屋遮擋、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)連接不穩(wěn)定、流動(dòng)站接收衛(wèi)星信號(hào)失鎖和街道路段的行道樹(shù)遮擋等。

3.2 外符合精度測(cè)試

單位權(quán)中誤差表達(dá)式為

式中，Δi為某差分方法某一方向單位歷元差分定位結(jié)果與已知準(zhǔn)確值之差；n為觀(guān)測(cè)歷元數(shù)。此項(xiàng)指標(biāo)稱(chēng)為外符合測(cè)試，反映差分定位的精度。靜態(tài)測(cè)試中將RTK解作為準(zhǔn)確值；動(dòng)態(tài)測(cè)試中使用TBC軟件結(jié)算出準(zhǔn)確坐標(biāo)值。將每個(gè)歷元求得的經(jīng)緯度、高程(B/L/H)或協(xié)議坐標(biāo)系坐標(biāo)(X，Y，Z)與真實(shí)坐標(biāo)作差求各方向偏差，最后求得外符合精度。

本文進(jìn)行了大量的靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試，這里僅展示4個(gè)靜態(tài)觀(guān)測(cè)點(diǎn)和1次動(dòng)態(tài)觀(guān)測(cè)結(jié)果，其余測(cè)試精度均與這幾個(gè)點(diǎn)的測(cè)試精度相當(dāng)。對(duì)N、E、U方向上的外符合精度結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表2。圖4、圖5分別為其中靜態(tài)測(cè)試3和動(dòng)態(tài)測(cè)試中外符合精度情況。

表2 網(wǎng)格偽距差分N、E和U方向偏差單位權(quán)中誤差統(tǒng)計(jì) m

由表2中的測(cè)試結(jié)果可以看出，手持機(jī)GNSS網(wǎng)格偽距差分定位結(jié)果水平方向(N、E方向)單位權(quán)中誤差(RMS)在0.6左右，定位精度達(dá)到分米級(jí)，垂直方向(U方向)定位精度優(yōu)于1 m，達(dá)到亞米級(jí)，且定位結(jié)果具有較好的收斂性和穩(wěn)定性。

3.3 高并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)測(cè)試

高并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)測(cè)試工具使用LoadRunner+Agent，測(cè)試服務(wù)器操作系統(tǒng)為Windows Server 2008，內(nèi)存(MEM)為16 GB，通過(guò)設(shè)置100～10 000區(qū)間內(nèi)的并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)用戶(hù)數(shù)，對(duì)其事務(wù)執(zhí)行情況、平均響應(yīng)時(shí)間、資源占用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表3。

表3 用戶(hù)并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)測(cè)試統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表3中用戶(hù)并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果，當(dāng)并發(fā)用戶(hù)量在1000以?xún)?nèi)時(shí)，各頁(yè)面訪(fǎng)問(wèn)操作正常；隨著并發(fā)用戶(hù)數(shù)的不斷增長(zhǎng)，平均響應(yīng)時(shí)間趨于穩(wěn)定，而資源占用情況呈現(xiàn)出線(xiàn)性增加的趨勢(shì)，服務(wù)器壓力不斷變大。因此，本文將云服務(wù)器作為業(yè)務(wù)服務(wù)器，可以有效緩解本地解算服務(wù)器的業(yè)務(wù)請(qǐng)求壓力，實(shí)現(xiàn)大量級(jí)用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)的快速擴(kuò)容。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文在傳統(tǒng)GNSS網(wǎng)絡(luò)偽距差分定位方法研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)研究虛擬格網(wǎng)用戶(hù)生成改正數(shù)的形式，研發(fā)了省級(jí)GNSS網(wǎng)格偽距差分定位模塊，提出并設(shè)計(jì)了一種基于CORS的分米級(jí)差分定位云服務(wù)模式。通過(guò)解算服務(wù)器與業(yè)務(wù)服務(wù)器分離的云服務(wù)模式，解決了傳統(tǒng)CORS服務(wù)中基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)大、用戶(hù)并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)數(shù)量受限、高精度位置服務(wù)專(zhuān)業(yè)門(mén)檻高等問(wèn)題。以湖南省位置服務(wù)平臺(tái)(HNCORS)建設(shè)為例，采取靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試兩種方式，以丟包率、外符合精度、高并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)測(cè)試為指標(biāo)，對(duì)研發(fā)的基于虛擬格網(wǎng)偽距差分定位模塊進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，網(wǎng)格偽距差分定位解算率在90%以上，定位精度達(dá)到分米級(jí)，有效緩解了本地解算服務(wù)器的業(yè)務(wù)請(qǐng)求壓力，實(shí)現(xiàn)了大量級(jí)用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)的快速擴(kuò)容，在車(chē)道級(jí)車(chē)輛監(jiān)控、艦標(biāo)監(jiān)控和行業(yè)數(shù)據(jù)調(diào)繪等高精度位置服務(wù)應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景，也可為其他省級(jí)CORS網(wǎng)高精度位置服務(wù)云平臺(tái)建設(shè)提供參考。