劉洪海

(重慶市勘測院，重慶 400020)

1 引 言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)是能在地球表面或近地空間提供全天候定位、導(dǎo)航和授時(positioning，navigation and timing，PNT)服務(wù)的空基無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。GNSS在國家安全、國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展中有重要作用，各大國家紛紛研制各自國家的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，如美國GPS、中國北斗(BDS)、俄羅斯GLONASS和歐盟Galileo。發(fā)展至今，GNSS已在航空航天、國防安全、交通運(yùn)輸、水利電力、防災(zāi)減災(zāi)、地球科學(xué)、通信、氣象等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。GNSS自身受多種誤差影響，提供的定位精度通常只有 5 m～ 10 m，不能滿足高精度定位需求。經(jīng)過學(xué)者們多年研究，提出兩種常用方法使得GNSS定位精度能達(dá)到分米級、厘米級甚至毫米級。一種是精密單點(diǎn)定位(precise point positioning，PPP)[1，2]，另一種是地基增強(qiáng)[3]。目前，大多數(shù)國家和地區(qū)均建有衛(wèi)星導(dǎo)航定位地基增強(qiáng)系統(tǒng)(業(yè)界也稱CORS)，我國各省市建立的北斗/GNSS地基增強(qiáng)系統(tǒng)向社會提供網(wǎng)絡(luò)RTK、網(wǎng)絡(luò)RTD等高精度定位服務(wù)[4]。高精度定位服務(wù)只能在基準(zhǔn)站網(wǎng)覆蓋區(qū)域內(nèi)，跨網(wǎng)服務(wù)需要到當(dāng)?shù)氐腃ORS平臺進(jìn)行注冊，連接到另外的服務(wù)平臺來獲取CORS服務(wù)。由于缺乏國家層面的統(tǒng)籌規(guī)劃，各省市CORS系統(tǒng)互相獨(dú)立，省市接邊區(qū)域存在CORS服務(wù)縫隙或重疊等問題。

隨著傳統(tǒng)基建和新基建的不斷推進(jìn)，跨區(qū)域經(jīng)濟(jì)和人文交流愈加頻繁，高速鐵路、高速公路、油氣管道、輸電線路等長距離、跨區(qū)域重大工程對大跨度高精度定位的需求增加，基礎(chǔ)測繪、智慧交通、數(shù)字物流等行業(yè)對無縫定位、跨區(qū)域漫游服務(wù)的需求增加。千尋、移動等企業(yè)、行業(yè)相繼建設(shè)了全國性的CORS系統(tǒng)并提供服務(wù)。作為基準(zhǔn)服務(wù)系統(tǒng)的省級CORS系統(tǒng)，應(yīng)積極響應(yīng)衛(wèi)星導(dǎo)航定位“一張網(wǎng)”建設(shè)，迫切需要從區(qū)域服務(wù)模式向跨區(qū)域服務(wù)漫游的模式轉(zhuǎn)變?；鶞?zhǔn)統(tǒng)一、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展、國家和地區(qū)政策驅(qū)動、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化等都為這種轉(zhuǎn)變創(chuàng)造了條件，現(xiàn)也有相關(guān)研究推動跨網(wǎng)漫游服務(wù)的實(shí)現(xiàn)。

李昌貴等提出虛擬CORS的概念，研究和探討了虛擬CORS關(guān)鍵技術(shù)，嘗試進(jìn)行CORS網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)[5]。楊浩和李敏分析了CORS系統(tǒng)間軟硬件的差異，針對CORS系統(tǒng)間信息資源共享的異構(gòu)問題和解決方案進(jìn)行了研究[6]。陽力等討論了CORS并網(wǎng)的幾種模式和需要解決的諸多問題[7]。辜聲峰等討論了FCM聚類算法和CORS子網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過合理共享基準(zhǔn)站實(shí)現(xiàn)分區(qū)服務(wù)[8]。張揚(yáng)等從鄰省基準(zhǔn)站接邊、系統(tǒng)異構(gòu)、通信聯(lián)網(wǎng)等方面探討了省級基準(zhǔn)站共享關(guān)鍵技術(shù)，為省級CORS聯(lián)網(wǎng)提供思路[9]。袁鵬研究了省級CORS組網(wǎng)互聯(lián)互通中系統(tǒng)差異、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式、通信協(xié)議等關(guān)鍵問題，探討了服務(wù)共享模式[10]。張晶晶等提出一種虛擬通信媒介模式的CORS跨網(wǎng)服務(wù)無縫切換通信模型，實(shí)現(xiàn)了CORS跨網(wǎng)服務(wù)[11]。譚明建提出一種分布式CORS資源協(xié)同服務(wù)解決方案，并設(shè)計(jì)研發(fā)了GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站跨網(wǎng)服務(wù)平臺[12]。陳豪等提出一種分布式+中心化的協(xié)同服務(wù)方案，并研發(fā)了協(xié)同服務(wù)平臺和節(jié)點(diǎn)程序，為區(qū)域CORS協(xié)同服務(wù)提供參考[13]。

2 CORS跨網(wǎng)漫游方案

跨網(wǎng)服務(wù)模式有兩種。一是共享基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)相鄰CORS聯(lián)合組網(wǎng)，文獻(xiàn)[6～10]采用的這種方式。但由于各省市地區(qū)政策不同，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并網(wǎng)，往往只是在接邊地區(qū)實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)共享來擴(kuò)大各省市CORS覆蓋范圍。共享基準(zhǔn)站的方式需要在數(shù)據(jù)中心與鄰省數(shù)據(jù)中心或者基準(zhǔn)站與鄰省數(shù)據(jù)中心之間建立數(shù)據(jù)傳輸線路。另一種是共享CORS服務(wù)，依托互聯(lián)網(wǎng)、各省市現(xiàn)有播發(fā)網(wǎng)絡(luò)和漫游平臺實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)漫游服務(wù)，如文獻(xiàn)[11～13]都是以此進(jìn)行的研究。這種方式無須對現(xiàn)有CORS系統(tǒng)做較大改動，服務(wù)形式保持不變，用戶自動實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)漫游服務(wù)。這種去中心化、分布式服務(wù)方案較千尋、移動等全國統(tǒng)一平臺更靈活、服務(wù)方式多樣。

2.1 總體架構(gòu)

各省CORS基準(zhǔn)站通過專線將數(shù)據(jù)匯聚至各省的數(shù)據(jù)中心并進(jìn)行解算。位置服務(wù)管理平臺和播發(fā)服務(wù)器處于外網(wǎng)供用戶訪問和播發(fā)漫游數(shù)據(jù)，解算服務(wù)器處于內(nèi)網(wǎng)，外網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)之間架設(shè)網(wǎng)閘。各省CORS只需對接服務(wù)平臺、簽署跨網(wǎng)服務(wù)協(xié)議，通過超級賬號+白名單的方式請求對方高精度定位服務(wù)。漫游用戶通過通信網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器發(fā)送請求，根據(jù)用戶所處的位置自動播發(fā)或轉(zhuǎn)發(fā)對應(yīng)省的差分?jǐn)?shù)據(jù)，用戶使用差分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行高精度定位?？缇W(wǎng)漫游服務(wù)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 跨網(wǎng)漫游服務(wù)總體架構(gòu)

2.2 跨網(wǎng)漫游服務(wù)平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

平臺分為業(yè)務(wù)管理模塊和漫游服務(wù)模塊，業(yè)務(wù)管理模塊包含用戶注冊、賬號管理、資質(zhì)認(rèn)證、訂單管理、合同管理、服務(wù)申請、作業(yè)記錄、漫游配置等。其中漫游配置中管理員可以對漫游節(jié)點(diǎn)、漫游區(qū)域和用戶漫游權(quán)限進(jìn)行管理。

(1)漫游節(jié)點(diǎn)配置：在跨網(wǎng)漫游平臺中增加CORS服務(wù)Ntrip協(xié)議的IP和端口，實(shí)現(xiàn)了CORS服務(wù)可配置管理，配置漫游服務(wù)登錄協(xié)議超級賬號和CORS連接信息(IP、端口)即可自動獲取源列表，以及連接對應(yīng)的CORS服務(wù)。

(2)漫游區(qū)域管理：可以對漫游區(qū)域進(jìn)行配置，針對不同省市、不同區(qū)域、不同類型的用戶配置不同的漫游區(qū)域。漫游區(qū)域最小單位為地級市，最大單位為省，通過選擇添加省(市)實(shí)現(xiàn)漫游用戶作業(yè)區(qū)域限定。

(3)用戶漫游權(quán)限配置：可以針對不同的用戶開放不同的漫游權(quán)限，包括漫游時間、坐標(biāo)系、可用源列表、漫游區(qū)域等。

業(yè)務(wù)流程如圖2所示，以用戶在A省注冊為例，用戶訪問跨網(wǎng)漫游服務(wù)平臺進(jìn)行注冊和添加賬號，獲得對應(yīng)的漫游權(quán)限。用戶使用A省的IP、端口和源節(jié)點(diǎn)配置定位終端獲取服務(wù)，用戶驗(yàn)證通過后，跨網(wǎng)漫游服務(wù)平臺根據(jù)用戶終端發(fā)送的概略位置和邊界判斷用戶是處于A省還是B省。若用戶位于A省，則直接通過差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)模塊向用戶提供定位服務(wù)。若用戶位于B省，數(shù)據(jù)中心對漫游用戶進(jìn)行漫游鑒權(quán)，鑒權(quán)通過后以B省CORS的接口信息和協(xié)議超級賬號向B省數(shù)據(jù)中心請求跨網(wǎng)高精度定位數(shù)據(jù)，并通過A省播發(fā)模塊轉(zhuǎn)發(fā)給用戶，從而實(shí)現(xiàn)用戶無感切換的跨網(wǎng)漫游服務(wù)。

圖2 跨網(wǎng)漫游服務(wù)平臺業(yè)務(wù)流程圖

3 跨網(wǎng)漫游測試

3.1 跨網(wǎng)漫游平臺功能測試

(1)賬號權(quán)限管理測試：用戶端賬號漫游源列表、漫游區(qū)域、漫游時間、坐標(biāo)系等功能正常，管理員端對用戶漫游權(quán)限、漫游區(qū)域、漫游時間、坐標(biāo)系等進(jìn)行配置和編輯功能正常。

(2)漫游區(qū)域參數(shù)配置測試：漫游服務(wù)配置功能新增、編輯、刪除等功能正常，漫游用戶權(quán)限配置、漫游區(qū)域分組、漫游區(qū)域選擇等功能正常。

(3)差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)模塊測試：漫游省份數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)切換、數(shù)據(jù)播發(fā)功能正常，用戶能正常使用漫游服務(wù)即代表上述功能正常。

測試結(jié)果為跨網(wǎng)漫游平臺各項(xiàng)功能均完備和正常。

3.2 跨網(wǎng)漫游服務(wù)定位性能測試

(1)測試內(nèi)容

為測試CORS漫游服務(wù)定位性能，分別在B省、C省、D省開展了實(shí)地測試，測試內(nèi)容主要包括A省注冊用戶在B、C、D省使用A省CORS和B、C、D省CORS的初始化時間、差分齡期、定位內(nèi)符合精度等內(nèi)容。

初始化時間：用戶從開始連接CORS至獲得厘米級定位服務(wù)(固定解)的時間。

差分齡期：差分?jǐn)?shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)鏈路傳送至流動站的時間，其值越小越好。差分齡期計(jì)算方法是通過模型進(jìn)行差分?jǐn)?shù)據(jù)預(yù)測，模型外推總是有一定的誤差，且外推步長越大，預(yù)測的誤差也越大，所以需要測試漫游和非漫游用戶差分齡期的情況。

定位精度：測試流動站一段時間內(nèi)的內(nèi)符合精度，反映各歷元坐標(biāo)值的離散程度，即精度，本測試中分為南北方向(N)、東西方向(E)、高程方向(U)。

(2)測試方案

①用戶在B省選定漫游測試地點(diǎn)，使用三腳架安置流動站接收機(jī)，對中整平。

②連接A省CORS信息(稱“漫游”)：新建工程，流動站連接A省CORS，斷開重新登錄，重復(fù)30次，記錄初始化時間。連續(xù)采集固定解 30 min，采樣間隔 1 s，同時記錄 30 min內(nèi)差分齡期的變化情況，導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

③連接B省CORS信息(稱“本地”)：新建工程，流動站連接B省CORS，斷開重新登錄，重復(fù)30次，記錄初始化時間。連續(xù)采集固定解 30 min，采樣間隔 1 s，同時記錄 30 min內(nèi)差分齡期的變化情況，導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

④記錄接收機(jī)型號。

⑤將①-④中的步驟在C省、D省重復(fù)進(jìn)行，整理統(tǒng)計(jì)測試數(shù)據(jù)。

(3)測試結(jié)果

測試結(jié)果 表1

統(tǒng)計(jì)B、C、D三省測試初始化時間，各省漫游和本地初始化時間對比如圖3、圖4、圖5所示。統(tǒng)計(jì)平均差分齡期和 30 min定位內(nèi)符合精度，各省統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。對比漫游和本地的初始化時間，B省分別為 21.3 s和 17.2 s，漫游比本地多 4.1 s；C省分別為 16.9 s和 12.1 s，漫游比本地多 4.8 s；D省分別為 10.2 s和 6.4 s，漫游比本地多 3.8 s。在差分齡期上，B省漫游和本地平均差分齡期分別為 1.13 s和 1.07 s；C省漫游和本地平均差分齡期分別為 1.31 s和 1.26 s；D省漫游和本地平均差分齡期分別為 1.51 s和 1.44 s。B、C、D省內(nèi)符合精度三個方向上差異較小，可忽略。

圖3 B省初始化時間對比

圖4 C省初始化時間對比

圖5 D省初始化時間對比

4 結(jié) 論

本文在分析CORS跨網(wǎng)服務(wù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了一種CORS跨網(wǎng)漫游服務(wù)方案，該方案無須對現(xiàn)有CORS系統(tǒng)做較大改動，不增加用戶負(fù)擔(dān)，不改變現(xiàn)有CORS系統(tǒng)服務(wù)形式，即可實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)漫游無感切換服務(wù)?；谠摲桨冈O(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了跨網(wǎng)漫游服務(wù)平臺，對平臺進(jìn)行測試得到以下結(jié)論：

(1)漫游初始化時間略大于本地初始化時間。在B、C、D省的測試中，平均初始化時間漫游均略大于本地 3 s～5 s。漫游用戶接入A省CORS后需要判斷其所在省份，再通過互聯(lián)網(wǎng)調(diào)用相應(yīng)省份的差分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，此過程較本地用戶會有一定的時間延遲，不影響用戶正常使用。

(2)漫游與本地差分齡期一致。漫游和本地平均差分齡期一致，兩者的差異不影響用戶使用，滿足實(shí)時定位服務(wù)的實(shí)效需求。

(3)定位精度一致。漫游用戶和本地用戶所使用的差分?jǐn)?shù)據(jù)來源一致，理論和實(shí)際都表明漫游和本地在N、E、U三個方向上的定位精度一致。