譚明建 ，張 熙 ，石 鑫

（1. 四川省測繪產品質量監(jiān)督檢驗站，成都 610100；2. 四川省第一測繪工程院，成都 610100；3. 四川省導航與位置服務工程技術研究中心，成都 610100）

0 引言

20世紀90年代中期以來，連續(xù)運行基準站網（continuously operating reference stations， CORS）從美國和歐洲開始發(fā)展并向全球推廣，我國也相繼建立了不同層次的衛(wèi)星導航定位基準站網[1-2]。隨著“移動互聯網”“物聯網”的快速發(fā)展，與位置服務相關的智能交通、智慧物流、智慧旅游、精準農業(yè)等行業(yè)和領域發(fā)展迅速，各類用戶對地理空間數據的需求愈加強烈[3]，特別是隨著國家“一帶一路”“長江經濟帶”“軍民融合”等重大戰(zhàn)略的實施，經濟活動、人文交流在?。ㄊ校╅g的交流愈加頻繁，不再局限于某一固定地區(qū)，相應對位置服務的要求也逐步提高，要求提供跨?。ㄊ校┑摹⒉煌燃墑e的位置服務，滿足行業(yè)、大眾等不同用戶的應用需求。目前，各?。ㄊ校┻B續(xù)運行基準站網均處于獨立提供服務的局面[4]，少數?。ㄊ校╅g開展了數據共享合作，但由于服務共享的技術障礙[5]，未開展跨網服務合作。在此背景下，基于連續(xù)運行基準站網的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system， BDS)導航與位置服務迫切需要從各?。ㄊ校┓稚⒎漳Ｊ较騾^(qū)域、全國服務共享的模式轉變，未來的 CORS呈現互聯共享的趨勢[6-7]。

本文基于?。ㄊ校┈F有連續(xù)運行基準站網軟硬件資源，圍繞BDS高精度導航與位置服務跨區(qū)域應用需求，研究高精度定位數據跨網服務關鍵技術環(huán)節(jié)，建立全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(global navigation satellite system， GNSS)連續(xù)運行基準站跨網服務平臺，以期實現數據共享、結構優(yōu)化、標準統(tǒng)一的分布式CORS資源協同服務。

1 現有 CORS系統(tǒng)介紹及跨區(qū)域高精度定位服務面臨的問題

現有 CORS服務系統(tǒng)主要由基準站網、數據通信鏈路及數據中心組成（如圖1所示），用戶通過互聯網直接向數據中心請求服務，數據中心收到用戶的服務請求后向用戶發(fā)送定位數據。目前各?。ㄊ校┑?CORS系統(tǒng)均獨立提供服務，即用戶只能在其開戶省（市）范圍內請求高精度定位服務，當用戶業(yè)務活動至另一?。ㄊ校r，只能在當地注冊CORS賬號才能獲得當地的CORS服務。

圖1 CORS系統(tǒng)組成

各省（市）獨立提供 CORS服務的現狀不能滿足相關行業(yè)的發(fā)展需求。目前全國大部分省份均已建成 CORS服務系統(tǒng)，將這些基準站或部分省（市）基準站（如長江經濟帶地區(qū)）聯合成一張網統(tǒng)一對外提供服務，可實現全國或部分地區(qū)的跨省（市）高精度定位服務能力，但在實施過程中會面臨如下幾個問題：

1）服務模式變化大、改造成本高。需要每個省（市）增設與綜合數據處理中心的數據專線，將各省（市）基準站實時觀測數據統(tǒng)一傳送至綜合數據處理中心進行處理并統(tǒng)一對外提供服務，這樣完全改變了現有的服務模式，改造成本相對較大。

2）數據處理壓力大。各?。ㄊ校┗虿糠质。ㄊ校┑幕鶞收緮祿挥赡骋痪C合數據處理中心處理時，會造成較大的數據處理壓力，現有的處理軟件尚不具備此項能力，或需要額外購買軟件廠商的擴展服務。

3）服務壓力大。若全國或某幾個?。ㄊ校┙y(tǒng)一對外提供服務，會面臨大量用戶同時接入的問題，服務壓力較大，需要增加硬件及軟件的投入。

4）用戶管理難度大。現有的賬號開戶及用戶管理施行屬地管理制度，統(tǒng)一服務后會面臨諸多問題。

2 分布式CORS資源協同服務技術

各?。ㄊ校┈F有CORS服務資源在軟硬件環(huán)境上均已非常完備，如何充分地利用這些資源并以最小的改造程度實現跨?。ㄊ校┑母呔榷ㄎ环?，是跨區(qū)域高精度定位服務具體實現必須要考慮的問題。一種解決方案是研發(fā)一套跨網位置服務平臺，將其部署在各?。ㄊ校祿行模撠熓。ㄊ校╅g的差分數據協調及對外服務，當用戶活動至鄰?。ㄊ校r，先由跨網位置服務平臺向鄰?。ㄊ校┱埱笥脩羲璧牟罘謹祿?，再將請求到的差分數據發(fā)送給用戶，從而實現本?。ㄊ校┯脩粼卩徥。ㄊ校┑母呔榷ㄎ弧Ｊ。ㄊ校祿行闹g的交互將獨立的CORS網絡聯通，形成分布式CORS資源的協同服務，實現了跨區(qū)域高精度定位服務的提供。該方案只需在各省（市）現有數據中心部署跨網位置服務平臺，無需做其他改造，用戶請求服務時與現有CORS服務操作一致，實施起來非常方便。

2.1 總體架構

如圖 2所示，通過跨網服務平臺實現省（市）間差分定位數據的協調，用戶連接跨網服務平臺請求位置服務，跨網服務平臺根據用戶的位置自動協調當地的差分定位數據，以此實現跨網高精度位置服務。加入協同服務的?。ㄊ校┬枰嗷ス蚕斫舆厖^(qū)域的基準站數據，共享基準站的選取應考慮大氣分布情況，因為電離層、對流層的空間相關性與服務質量密切相關[8-10]，共享基準站選取完畢后還需對網形結構進行定量評價[11]，同時進行坐標基準的統(tǒng)一[12]。

2.2 GNSS連續(xù)運行基準站跨網服務平臺設計

按照圖2的架構開發(fā)了“GNSS連續(xù)運行基準站跨網服務平臺”（如圖3所示）用于分布式CORS資源協同服務。平臺由差分數據管理及服務系統(tǒng)、GNSS連續(xù)運行基準站跨網服務管理系統(tǒng)及數據庫3部分組成。其中：GNSS連續(xù)運行基準站網跨網服務管理系統(tǒng)為運維人員提供可視化管理界面，將必要信息寫入數據庫；差分數據管理及服務系統(tǒng)為無界面程序，主要功能包括用戶登錄驗證，差分數據協調、管理、切換等跨區(qū)域位置服務數據協調相關內容；數據庫主要存儲 GNSS連續(xù)運行基準站網跨網服務管理系統(tǒng)配置的各類參數及用戶信息等。

圖3 GNSS連續(xù)運行基準站跨網服務平臺組成及差分數據協調過程

?。ㄊ校┛缇W服務平臺之間的差分數據交互參照 Ntrip協議，協調過程如圖 3(b)所示，差分數據源包括本省（市）現有服務軟件（如天寶、華測等廠商提供的服務軟件）及鄰?。ㄊ校┛缇W服務平臺。用戶只向其注冊地服務平臺請求差分數據，平臺建立差分數據資源池統(tǒng)一管理請求到的差分數據，每個差分數據可覆蓋一定范圍，范圍內用戶均可利用該差分數據進行高精度定位，若用戶出現跨網活動，平臺以client身份自動到相應?。ㄊ校?/p>

服務平臺協調用戶所需差分數據。以圖 3(b)中的 B省為例，其用戶在A省請求差分定位服務，B省服務平臺檢測到用戶所處位置在A省后，首先向A省服務平臺協調差分數據，得到從 A省服務平臺發(fā)送的差分數據后再轉發(fā)給用戶，用戶就實現了在A省的跨網高精度定位。

3 系統(tǒng)功能實現

GNSS連續(xù)運行基準站跨網服務平臺（如圖4所示）由差分數據管理及服務系統(tǒng)、管理界面（GNSS連續(xù)運行基準站跨網服務管理系統(tǒng)）及數據庫組成，差分數據管理及服務系統(tǒng)主要負責差分數據在?。ㄊ校╅g的協調及管理，并對外提供服務界面，管理界面負責整個平臺相關參數設置及服務配置等，包含參數配置、差分數據源管理、用戶管理、服務監(jiān)控、服務統(tǒng)計5大功能模塊。

圖4 GNSS連續(xù)運行基準站跨網服務管理系統(tǒng)

管理界面中的差分數據源管理模塊是整個系統(tǒng)的核心模塊，運維管理人員可根據需要配置、管理不同精度的服務，如實時動態(tài)差分法(real-time kinematic，RTK)、實時偽距差分（real time differential， RTD）服務，并根據服務精度配置差分數據有效距離，該距離設置好后，差分數據管理及服務系統(tǒng)會在差分數據資源池中以此距離在用戶周圍搜索差分數據。

用戶接入平臺獲取服務后，系統(tǒng)可對其進行實時監(jiān)控，管理人員可方便地查看所有在線用戶的分布情況，清楚的了解本省（市）用戶使用外省（市）差分數據情況以及外?。ㄊ校┯脩羰褂帽臼。ㄊ校┎罘謹祿闆r。

服務統(tǒng)計模塊可展示平臺服務的整體使用情況，以 IP：PORT（各省 CORS服務界面）為單位進行服務統(tǒng)計，通過指定查詢年、月等信息，系統(tǒng)自動查詢數據庫數據并生成相應報表及統(tǒng)計圖。

4 實驗與結果分析

為檢驗分布式CORS資源協同服務的定位性能，本文基于GNSS連續(xù)運行基準站跨網服務平臺進行了相關測試，測試內容主要包括跨網與不跨網用戶的固定時間、定位精度、差分齡期等指標的對比。服務部署情況如下：將現有四川省CORS服務作為現有服務（服務A），新增2臺服務器分別部署GNSS連續(xù)運行基準站跨網服務平臺，其中一臺作為省內平臺服務（服務B，模擬本省GNSS連續(xù)運行基準站跨網平臺服務），一臺作為省外平臺服務（服務C，模擬外省GNSS連續(xù)運行基準站跨網平臺服務），以此實現分布式CORS資源協同服務的測試環(huán)境搭建。以服務A為參考，分析服務 B、服務 C的定位性能。為評定定位精度，選取某坐標已知的控制點進行測試，測試設備為中海達i-RTK2。

分3種方案進行測試（如表 1所示）：方案1，接入服務 A；方案2，接入服務 B，測試 GNSS連續(xù)運行基準站跨網服務平臺的省內服務；方案 3，接入服務C，測試GNSS連續(xù)運行基準站跨網服務平臺的跨網服務。

表1 測試方案

每種方案均記錄設備初始化時間（30次，取平均值），同時記錄設備 10 min內差分齡期的變化情況，利用設備初始化完成后10 min定位結果進行精度分析，采樣間隔為1 s。測試現場如圖5所示。

圖5 測試現場

3種測試方案的定位精度分布情況見圖6、圖7、圖 8。

圖6 方案1定位精度分布情況

圖7 方案2定位精度分布情況

圖8 方案3定位精度分布情況

3種測試方案的平均初始化時間、平均差分齡期以及精度統(tǒng)計情況見表2。

表2 測試結果統(tǒng)計

從圖6及表2中可以看出：3種方案的精度相差不大，平面精度互差在1 cm內，高程精度互差在2 cm內；在平均初始化時間上，方案1初始化時間最短，為12，方案2為15，方案3為17 s，可以發(fā)現，現有CORS服務在初始化時間上具有一定優(yōu)勢，這是因為現有CORS服務是直接面向用戶發(fā)送差分數據，而跨網服務平臺需要向現有CORS服務協調差分數據再將數據轉發(fā)給用戶，這個過程會存在一定的網絡時延，且跨網用戶的差分數據會經過 2次中轉，所以時延會稍大一點；在平均差分齡期上，方案1最短，為2，方案2、方案3均為3 s，與初始化時間類似，跨網服務平臺存在一定網絡時間消耗，所以差分齡期要大一點。

綜上所述，GNSS連續(xù)運行基準站跨網服務平臺可提供跨?。ㄊ校┑母呔榷ㄎ环眨诙ㄎ痪壬吓c現有CORS服務相當，在初始化與差分齡期方面較現有CORS服務要稍長一點（初始化時間多5 s左右，差分齡期多為1～2 s），但不影響用戶的定位精度。

5 結束語

本文基于現有 CORS服務資源，提出了一種分布式 CORS資源協同服務的解決方案，該方案在對現有 CORS服務改造程度最小的情況下實現了跨?。ㄊ校┑母呔任恢梅?，定位精度與現有CORS服務相當?；谠摲桨秆邪l(fā)了 GNSS連續(xù)運行基準站跨網服務平臺，平臺將現有各?。ㄊ校〤ORS服務作為差分數據源，通過接入多個?。ㄊ校┑牟罘謹祿磳⒎植加诟鞯氐默F有 CORS資源整合，實現分布式CORS資源的協同服務。本文的研究走通了省（市）CORS網服務共享的整個技術流程，并完成了相關軟件系統(tǒng)的研發(fā)，對相鄰?。ㄊ校╅g的CORS資源協同服務具有一定參考價值。