鄒崇堯，厲芳婷，趙 鵬，魏以寬，梁 斌

（1.湖北省測(cè)繪工程院，湖北 武漢 430074）

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)獨(dú)立開(kāi)發(fā)、自主運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能提供高精度、高可靠的導(dǎo)航、定位和授時(shí)服務(wù)，是我國(guó)重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施。北斗三號(hào)系統(tǒng)組網(wǎng)成功后，北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)陸續(xù)進(jìn)行了北斗三號(hào)升級(jí)改造，可提供三頻實(shí)時(shí)精密定位服務(wù)。實(shí)踐表明，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已成功應(yīng)用于電力系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)、防災(zāi)減災(zāi)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域，如在國(guó)家電網(wǎng)的規(guī)劃、基建、營(yíng)銷和調(diào)度等方面得到融合應(yīng)用；基于北斗-RTK的農(nóng)用無(wú)人機(jī)、無(wú)人車、農(nóng)業(yè)機(jī)械等作業(yè)、監(jiān)管工作可極大提高經(jīng)濟(jì)效益；大眾消費(fèi)領(lǐng)域的智能手機(jī)、穿戴設(shè)備、車輛終端等應(yīng)用場(chǎng)景得到拓展；融合了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等高新技術(shù)的北斗+業(yè)務(wù)，充分釋放了地理空間位置的應(yīng)用潛力，實(shí)現(xiàn)了高精度定位、時(shí)間基準(zhǔn)、多源傳感器柔性接入、空間地理信息服務(wù)以及工業(yè)數(shù)據(jù)與高精度時(shí)空數(shù)據(jù)的融合[1-5]。

隨著北斗位置服務(wù)的快速發(fā)展，各領(lǐng)域的應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)和管理平臺(tái)相繼開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。多個(gè)省級(jí)主管部門基于省級(jí)CORS建設(shè)的北斗高精度位置服務(wù)平臺(tái)得到充分應(yīng)用[6-13]。同時(shí)，基于北斗位置服務(wù)的智慧農(nóng)業(yè)、交通網(wǎng)絡(luò)、輔助駕駛、智慧電力等應(yīng)用平臺(tái)建設(shè)實(shí)現(xiàn)了北斗定位技術(shù)與多源遙感數(shù)據(jù)在行業(yè)部門業(yè)務(wù)監(jiān)管服務(wù)中的融合應(yīng)用[14-18]。

目前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在技術(shù)手段、應(yīng)用場(chǎng)景和產(chǎn)業(yè)化方面都得到了發(fā)展。北斗地面增強(qiáng)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，硬件設(shè)備豐富，用戶數(shù)量激增；同時(shí)帶來(lái)了多源設(shè)備監(jiān)控管理和不同需求用戶管理問(wèn)題[19-20]。為保障北斗位置服務(wù)能力，亟需提升北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的日常維護(hù)和響應(yīng)能力[21-22]?；趯?duì)基準(zhǔn)站到解算平臺(tái)間的數(shù)據(jù)流狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控管理、對(duì)解算平臺(tái)到用戶間的差分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控解析、故障排查便捷等需求，本文以湖北省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，研發(fā)了多源北斗位置服務(wù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，解決了多源接收機(jī)跨網(wǎng)協(xié)同管理問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)空間化管理。

1 功能需求與設(shè)計(jì)

1.1 多源北斗位置服務(wù)系統(tǒng)服務(wù)特征和機(jī)制

以湖北省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)由3種品牌多種型號(hào)的接收機(jī)及其分別配置的差分解算平臺(tái)組成。其主要特征的轉(zhuǎn)變包括接收機(jī)從單一品牌到多個(gè)品牌，數(shù)量快速增加；差分模式從虛擬參考站模式增加到虛擬參考站/虛擬格網(wǎng)差分池模式并行；衛(wèi)星系統(tǒng)從GPS/GLO雙系統(tǒng)升級(jí)到GPS+GLO/GPS+GLO+BDS/BDS3等多源節(jié)點(diǎn)。

為了更好地適應(yīng)這種特征變化，多源北斗位置服務(wù)系統(tǒng)的服務(wù)機(jī)制也進(jìn)行了升級(jí)：服務(wù)能力從實(shí)時(shí)厘米級(jí)增加到實(shí)時(shí)厘米級(jí)/亞米級(jí)和事后毫米級(jí)；服務(wù)對(duì)象從測(cè)繪單用戶逐漸擴(kuò)展到自然資源、建筑施工、氣象、地震、民生關(guān)愛(ài)等多用戶；服務(wù)數(shù)量從單一終端擴(kuò)充到百萬(wàn)級(jí)用戶、十萬(wàn)級(jí)并發(fā)。在上述情況下，系統(tǒng)的基礎(chǔ)層、資源層、應(yīng)用層均新增了大量?jī)?nèi)容，系統(tǒng)的體量和邊界相應(yīng)地發(fā)生了巨大變化。為了適應(yīng)這種變化，需要對(duì)各層的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一定的監(jiān)控，以實(shí)現(xiàn)高效的管理和應(yīng)急能力。

1.2 GNSS數(shù)據(jù)流管理模塊

現(xiàn)有的北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)因建設(shè)時(shí)間跨度問(wèn)題，多采用不同型號(hào)的GNSS接收機(jī)。通常不同廠家的接收機(jī)均配套獨(dú)立的解算平臺(tái)，且互不兼容。未來(lái)接收機(jī)數(shù)量仍會(huì)逐步增加，因此需要統(tǒng)一的管理手段在統(tǒng)一平臺(tái)上進(jìn)行故障排查。

GNSS數(shù)據(jù)流管理模塊布設(shè)于不同解算平臺(tái)的前端，通過(guò)一套模塊接收所有接收機(jī)數(shù)據(jù)，首先對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行初步時(shí)間同步，分析數(shù)據(jù)流的穩(wěn)定性；再通過(guò)解析數(shù)據(jù)流獲得觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量情況，并記錄相關(guān)LOG；最后將接收機(jī)、統(tǒng)一端口、數(shù)據(jù)流統(tǒng)一到TSM，在TSM上獲取所有數(shù)據(jù)流。

1.3 GNSS數(shù)據(jù)匯聚解碼模塊

不同的CORS建設(shè)采取的播發(fā)方式不同，如HBCORS的位置服務(wù)由專網(wǎng)播發(fā)，而在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)通常由公網(wǎng)播發(fā)，這就需要在防火墻上映射端口，每個(gè)端口對(duì)應(yīng)一臺(tái)GNSS監(jiān)測(cè)設(shè)備。以湖北省十堰地區(qū)為例，現(xiàn)有超過(guò)1 000套地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)設(shè)備，需要開(kāi)放大量的公網(wǎng)端口，對(duì)于CORS網(wǎng)絡(luò)安全維護(hù)具有較大的隱患。

GNSS數(shù)據(jù)匯聚解碼模塊可使所有設(shè)備向防火墻的一個(gè)端口傳輸，端口映射至模塊，再由模塊根據(jù)數(shù)據(jù)里的標(biāo)識(shí)解析為N路數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)僅開(kāi)放一個(gè)公網(wǎng)端口，即可接入海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的目的。

1.4 播發(fā)性能監(jiān)控模塊

當(dāng)用戶終端無(wú)法正常固定時(shí)，服務(wù)端無(wú)法準(zhǔn)確獲取用戶相關(guān)信息，這就加大了運(yùn)維人力成本，降低了響應(yīng)效率。播發(fā)性能監(jiān)控模塊可監(jiān)控播發(fā)端流程，包括差分生成延遲、格網(wǎng)生成延遲、用戶網(wǎng)絡(luò)鏈接狀態(tài)，解析用戶獲取的差分?jǐn)?shù)據(jù)情況，方便客戶服務(wù)人員從服務(wù)端直接定位故障產(chǎn)生的原因。所有數(shù)據(jù)均從接口（網(wǎng)關(guān)）獲取，需關(guān)聯(lián)獲取用戶信息，并能同步準(zhǔn)確獲取用戶的實(shí)時(shí)位置。

1.5 一站式監(jiān)控演示大數(shù)據(jù)平臺(tái)

由于多源接收機(jī)和視頻終端等其他終端不統(tǒng)一，需通過(guò)各平臺(tái)接口（TSM）獲取相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的基于Web端的展示能力。針對(duì)基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)狀態(tài)信息、格網(wǎng)信息、數(shù)據(jù)流穩(wěn)定性統(tǒng)計(jì)圖/表、基準(zhǔn)站故障信息統(tǒng)計(jì)、用戶實(shí)時(shí)/歷史位置狀態(tài)信息、視頻監(jiān)控窗口嵌入等建立一站式的監(jiān)控演示大數(shù)據(jù)平臺(tái)，以解決跨平臺(tái)、跨網(wǎng)協(xié)同問(wèn)題。

1.6 系統(tǒng)架構(gòu)

本文遵循全面性、可靠性、易用性、可移植性、可擴(kuò)展性的原則，設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、平臺(tái)層、應(yīng)用層的系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖1所示。系統(tǒng)主要功能包括：數(shù)據(jù)監(jiān)控大屏，展示重點(diǎn)關(guān)注的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；測(cè)繪功能大屏，多維度展示北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的服務(wù)數(shù)據(jù)；基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)管理；格網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)控；用戶數(shù)據(jù)管理等。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)

2.1 基于WebGIS的多源接收機(jī)跨網(wǎng)協(xié)同空間化管理方法

針對(duì)多源接收機(jī)跨網(wǎng)協(xié)同問(wèn)題，系統(tǒng)以圖形化的形式在WebGIS上展示大屏地圖、基準(zhǔn)站、差分格網(wǎng)、電離層指數(shù)、RTK用戶、RTD用戶、視頻監(jiān)控等7個(gè)模塊。用戶通過(guò)數(shù)據(jù)大屏可快速、直觀地獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)大屏可展示整合數(shù)據(jù)、解算平臺(tái)數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)等關(guān)鍵信息。系統(tǒng)借助于直觀的圖表、WebGIS圖形化手段，將數(shù)據(jù)分析與圖形技術(shù)相結(jié)合，以大屏可視化的方式，將各功能模塊的核心數(shù)據(jù)以圖表的方式呈現(xiàn)，可直觀有效地獲取北斗衛(wèi)星導(dǎo)航與位置系統(tǒng)的整體信息。

2.2 面向多源衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)可視化方法

實(shí)時(shí)接收RTCM3.X數(shù)據(jù)流，并解析、存儲(chǔ)相關(guān)信息，計(jì)算全部可視衛(wèi)星的位置，通過(guò)前端程序繪制星空?qǐng)D。整合HBCORS現(xiàn)有的多平臺(tái)接收機(jī)數(shù)據(jù)資源，訪問(wèn)RTCM3.X實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)流，記錄數(shù)據(jù)通信日志，解碼數(shù)據(jù)內(nèi)容，分揀接收機(jī)設(shè)備監(jiān)測(cè)中所用的數(shù)據(jù)流量、衛(wèi)星數(shù)據(jù)、星歷數(shù)據(jù)，計(jì)算當(dāng)前位置可視衛(wèi)星的位置，并將相關(guān)信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)方便歷史查詢；同時(shí)通過(guò)API/WebSocket等方式實(shí)時(shí)發(fā)布，前端頁(yè)面根據(jù)衛(wèi)星系統(tǒng)、編號(hào)、高度角、方位角等繪制星空?qǐng)D，直觀展示當(dāng)前站點(diǎn)接收機(jī)設(shè)備的衛(wèi)星監(jiān)測(cè)情況，如圖2所示。

圖2 多源衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)可視化監(jiān)控

2.3 格網(wǎng)劃分實(shí)時(shí)健康監(jiān)控策略

為快速定位系統(tǒng)故障，有效查看、監(jiān)控系統(tǒng)健康狀態(tài)，以湖北省為例，將省域范圍劃分為2 893個(gè)4′×6′大小的網(wǎng)格區(qū)域，如圖3所示，系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控各網(wǎng)格差分?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)質(zhì)量，可根據(jù)設(shè)置的誤差均方根值顯示為不同的顏色，顏色越深表示誤差越大，同時(shí)可以h或d為單位查看最近的故障率。

圖3 格網(wǎng)劃分實(shí)時(shí)健康監(jiān)控

3 系統(tǒng)應(yīng)用與討論

本文以湖北省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)為例，通過(guò)上述方法，開(kāi)發(fā)完成了多源北斗位置服務(wù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了湖北省3套CORS的多源接收機(jī)跨網(wǎng)協(xié)同監(jiān)管。系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)模塊包括：數(shù)據(jù)大屏，實(shí)現(xiàn)地圖展示、基準(zhǔn)站監(jiān)管、差分格網(wǎng)監(jiān)管、電離層指數(shù)監(jiān)管、RTK/RTD用戶監(jiān)管等功能；功能大屏，主要實(shí)現(xiàn)地圖展示、基準(zhǔn)站信息、終端詳情、歷史軌跡、格網(wǎng)詳情等功能；站點(diǎn)監(jiān)管，主要實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)展示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等功能；格網(wǎng)總覽，主要實(shí)現(xiàn)格網(wǎng)故障地圖、格網(wǎng)故障率統(tǒng)計(jì)分析等功能；終端監(jiān)控，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)終端信息的實(shí)時(shí)監(jiān)管和歷史查詢；監(jiān)控大屏，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像頭數(shù)據(jù)流的健康監(jiān)控。

系統(tǒng)可在WebGIS上統(tǒng)一接收北斗三號(hào)、GPS、GLONASS等國(guó)內(nèi)外設(shè)備的衛(wèi)星信號(hào)，實(shí)時(shí)以圖形化的形式展示平臺(tái)接收機(jī)的設(shè)備狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一監(jiān)管。系統(tǒng)為省、市（縣）有效銜接、資源利用和數(shù)據(jù)共享提供了有效的平臺(tái)，是為經(jīng)濟(jì)社會(huì)和自然資源管理提供統(tǒng)一、權(quán)威的空間基準(zhǔn)的重要基礎(chǔ)。通過(guò)系統(tǒng)建設(shè)，提高了基準(zhǔn)站故障維修維護(hù)的響應(yīng)能力，2022年上半年湖北省全省基準(zhǔn)站運(yùn)行的有效率提升至99.89%。在智能化建設(shè)的同時(shí)，系統(tǒng)已在智慧機(jī)場(chǎng)通勤車輛位置服務(wù)監(jiān)管、智慧水利的水下地形測(cè)量無(wú)人船定位和軌跡分析等領(lǐng)域發(fā)揮了作用。

系統(tǒng)可有效推進(jìn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位高精度位置服務(wù)的高端低用，激發(fā)GNSS數(shù)據(jù)多層次利用價(jià)值，不僅改善了自然資源行業(yè)部門對(duì)位置服務(wù)應(yīng)用需求的解決模式，而且有效降低了數(shù)據(jù)獲取成本，減少了外業(yè)人工工作量，避免了重復(fù)作業(yè)，提升了導(dǎo)航定位與位置服務(wù)的應(yīng)用價(jià)值，使高精度導(dǎo)航定位服務(wù)向運(yùn)維更加精細(xì)化、自動(dòng)化，業(yè)務(wù)服務(wù)更加智能化、先進(jìn)化，應(yīng)用更加廣泛化、深度化的方向邁進(jìn)。