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        分布式CORS資源協同服務技術實現

        2019-06-06 08:31:00譚明建
        導航定位學報 2019年2期
        關鍵詞:用戶服務

        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。

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