长三角跨区域北斗位置应用服务模型设计及应用_沈正中.pdf

测 绘 通 报 年 第 期引文格式：沈正中，冯杨民，胡正伟，等：长三角跨区域北斗位置应用服务模型设计及应用 测绘通报，（）：长三角跨区域北斗位置应用服务模型设计及应用沈正中，冯杨民，胡正伟，杨子健，刘 立，王凯时（浙江省测绘科学技术研究院，浙江 杭州）摘要：为做好长三角卫星导航定位基准服务系统的互联互通，跨区域融合三省一市北斗地基增强系统资源，提升北斗位置服务支撑保障能力，本文研究了轻量化惰性格网和地理围栏技术，统一了跨区域差分数据格式，设计了区域一体化的北斗位置应用服务模型。通过浙江省卫星导航定位基准服务“政务一朵云”发布验证了轻量化惰性格网的高效性，并结合太湖西岸的跨区漫游实例验证了相关服务的有效性。关键词：卫星导航定位基准服务；差分定位；虚拟格网参考站；地理围栏；差分数据融合中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，“”，：；从 世纪初开始国内外先后建成了城市级、省级、国家级卫星导航定位基准服务系统。该系统最初主要应用于精准空间位置采集处理、工程项目设计施工，以及水利、矿产等自然资源储量定准勘测等。从 年我国北斗二代卫星导航系统亚太区域覆盖到 年北斗三号的全球组网服务，京津冀、长三角、珠三角、成渝、湖南、湖北等地相关科研机构先后开展了北斗地基增强系统建设相关试验。年中共中央、国务院印发了长江三角洲区域一体化发展规划纲要，沪苏浙皖地方政府部门紧扣“一体化”和“高质量”两个关键，牢固树立“一体化”意识和“一盘棋”思想，深入推进区域一体化建设的各项任务，由自然资源管理部门负责“建立长三角一体化的卫星导航定位基准服务系统，协同推进各省卫星导航定位基准服务系统的对接和互联互通构建北斗时空基准服务体系”。年浙江省自然资源厅联合沪苏皖三地自然资源管理部门联合印发了长三角区域一体化测绘基准建设运行实施方案（浙自然资函 号），以加快推进测绘基础设施一体化发展进程，统筹实施测绘基准建设与运行一体化工作，进一步提升测绘基准的精度与服务效率，更好满足数字经济发展的新需求。长三角区域各省市的卫星导航定位基准服务系统建设中使用的软硬件解决方案不同，发布的差分服务的电文编码格式有所差异，服务管理模式也有所不同。如浙江省随政府数字化改革使用“政务一朵云”资源发布服务，其他省份使用数据中心自有服务器发布服务。海量移动智能终端设备应用、收稿日期：基金项目：浙江省自然资源厅科技项目（）作者简介：沈正中（），男，高级工程师，主要研究方向为大地测量、卫星导航与定位。：通信作者：冯杨民。：年 第 期沈正中，等：长三角跨区域北斗位置应用服务模型设计及应用智慧物理跟踪、智能交通管理等，对建设区域一体化的卫星导航定位基准服务系统提出了面向海量终端接入，同时兼顾传统高精度位置应用服务的新需求。为提升卫星导航定位基准服务系统运行的安全性和对终端用户的支撑体量，文献对数据差分格网化在 系统中的应用进行研究，并取得了一定成果，但在后期的实际应用中发现相关成果不能很好地适应轻量化的“政务一朵云”资源。本文结合实际需求设计了长三角跨区域北斗位置应用服务模型，并研究了轻量化惰性格网、地理围栏技术，统一了跨平台差分数据格式。通过浙江省卫星导航定位基准服务系统验证了轻量化惰性格网的高效性，并结合太湖西岸的实例验证地理围栏和跨平台差分数据融合等服务能力。服务模型设计.差分服务特征分析近年来，随着物联网（，）技术的发展，卫星导航定位基准信息公共服务用户由传统的日常测绘逐步外延到与空间位置信息密切相关的智慧交通、智慧仓储管理，以及个人日常出行等服务领域。越来越多的用户使用导航定位基准信息公共服务。以浙江省卫星导航定位基准信息公共服务为例，系统接入用户量单日随时间变化，即服务时间特征如图 所示。通常在上午 时左右用户数量出现一个峰值，在下午 时左右出现次峰值，夜晚与凌晨时段用户数量较少。图 浙江省卫星导航定位基准服务用户接入时间特征同样以浙江省卫星导航定位基准信息公共服务为例，在 年，用户轨迹热力分布，即用户接入空间特征如图 所示，颜色越深代表该区域内差分服务使用得更为频繁。可见用户主要集中在平原、沿海等区域。图 浙江省卫星导航定位基准服务用户接入空间特征由用户接入的时间特征、空间特征分析发现，使用差分服务的用户在空间与时间的分布呈现高度不均匀。为提升卫星导航定位基准信息公共服务的稳定性，需要解决用户在热点时段、热点区域大批量并发的支撑能力和服务运行的稳定性。.大批量并发设计.与普通格网化设计导航定位基准信息公共服务发布中，应用最为广泛 的 是 虚 拟 参 考 站（，）差 分 数 据 模 型，虚 拟 参 考 站 的 伪 距 观 测值为 （）载波相位观测值为 （）移动端基准站网核心数据处理的底层软件进行交互为每个移动站提供服务时，均需重新计算移动站处的虚拟观测值，从交互的耗时和大量用户接入对基础硬件需求的角度考虑，需对 差分模型进行改进，有学者提出差分数据格网化的方法。载波相位差分时，格网处虚拟载波相位观测值为 （）伪距差分时，格网处虚拟伪距观测值为 （）式（）式（）中，为载波相位波长；为伪距观测值；为载波相位观测值；为站星几何距离；、测 绘 通 报 年 第 期为卫星编号；、分别为流动站、虚拟参考站、格网点虚拟参考站；、分别为电离层、对流层、卫星轨道等空间相关误差；为多路径效应、接收机噪声等其他可忽略误差。由于流动站与虚拟格网参考站构成短基线，基线长度根据配置间距的不同而不同，通常小于 ，可认为流动端与格网点处的空间相关误差是一致的。格网法的优势是每个在格网点处生成的虚拟观测值可为附近多个用户同时提供差分服务。相较于 技术，一个虚拟参考站只能为一个用户提供差分服务而言，可以解决热点区域资源无法复用的问题。通过多级路由、云资源动态扩展等技术，理论上格网化技术可为差分服务提供无上限的用户并发量。.轻量化惰性格网设计由浙江省卫星导航定位基准信息公共服务的时间特征、空间特征分析可知，由于使用差分服务的用户空间与时间分布不均匀，传统的格网法服务器在大部分时段维护了无用户使用的格网点的虚拟观测值。以浙江省卫星导航基准服务为例，格网间距设置为，覆盖浙江省陆地全域与近海区域需要 余个格网点，每个虚拟格网参考站分别提供以.格式编码的 与 差分电文，在未对任何用户提供服务（无负载）时，服务自身需要维护高达 余个 长连接，这需要消耗更多云资源保障无贡献的虚拟格网参考站运行服务。为更加科学维护卫星导航定位基准服务系统的稳定运行与服务，本文提出了按需生成、即时释放的轻量化的惰性格网设计。惰性格网服务与传统的格网服务最显著的差异就是具有自我生命周期管理功能：（）每当有新用户接入时，若不存在匹配的虚拟格网参考站，则进行差分产品生成；反之，则不进行任何操作。（）每当有用户断开连接时，记录对应的虚拟格网参考站的最后活跃时刻。（）定期检查每个虚拟格网参考站，若用户数量为 且当前时刻与最后活跃时刻差值大于某个设定的阈值，则进行释放。本文差分产品与服务架构如图 所示。.地理围栏跨区域设计为满足长三角区域卫星导航定位基准服务系统互联互通需求，采用非侵入式的服务软件设计，以地理围栏的方式对接入用户进行子网划分，最大限度地保留相关省市原有的服务体系与模式。地理围栏数据以 格式编码在配置文件中，每当用户接入或位置发生变化时，通过寻找对应地理围栏内距离最近的格网点，建立格网点与用户之间单向的 通信通道。此外，采用空间缓冲或定期检查两种方式避免用户移动带来的虚拟格网基准站频繁切换。空间缓冲的切换逻辑是仅当用户和虚拟格网参考站构成的基线分量、与格网间距之比大于某个设定阈值时进行切换；定期检查的切换逻辑是每隔固定时间间隔检查当前虚拟格网参考站是否为最近的，如果不是最近的，则进行切换。跨区域服务 （）播发服务流程如图 所示。图 差分产品生成与服务架构图 播发服务流程 年 第 期沈正中，等：长三角跨区域北斗位置应用服务模型设计及应用.差分数据格式统一化差分数据编码格式的多样化，目前广泛使用的有.格式与.格式，.格式中存在 至 等多种多信号消息电文组。需要通过对不特定格式数据进行解码，获取 卫星的完整伪距、相位距离和载噪比、参考站说明、接收机和天线说明等，然后以特定格式（如.）进行编码，从而对外消除差分数据格式的差异性；同时为了兼容性与通用性，在表 的基础上进行相应电文扩展。表 提供、差分服务最少所需电文电文类型说明参考站说明接收机和天线描述电文 实例分析.轻量化惰性格网服务运行实例构建 格式消息，通过 登录到 服务端后，模拟 个设备同时使用“政务一朵云”差分服务，服务器出方向流量峰值约为 ，均值约为 ，“政务一朵云”的 核 负载约为，程序内存占用为.，内存占用与用户数量基本呈线性分布，如图 所示。测试过程中各客户端延迟稳定、无掉线情况发生，证明了轻量化惰性格网服务技术的有效性。图 程序内存与用户数量关系.区域无缝漫游应用实例通过基于 公司生产的 集成多频动态差分模块，以车载形式，接入 服务，在由江苏省境内格网点虚拟参考站（编号）切换至浙江省境内格网点虚拟参考站（编号）时，设备稳定无掉线发生，于 时：完成切换，同时失去整周模糊度固定，回退为伪距差分，后重新获得固定解。发生跨区域基准站切换时设备输出的 定位信息详见表。表 基准站切换 定位信息 时北纬东经解状态差分延迟虚拟参考站编号：.固定解：.固定解：.固定解：.固定解：.伪距差分：.固定解 结 语本文以建立长三角一体化的卫星导航定位基准服务系统为研究基础，从海量用户差分服务能力、子网划分、差分电文格式统一化 个方面进行探索，并完成了相关试验，为精准的卫星导航定位基准跨区协同服务提供技术参考，支撑长三角一体化的基准建设工作。参考文献：刘晖，时晓燕，杨沾吉，等 深圳市连续运行卫星定位服务系统的建立与试验 测绘通报，（）：蔺岩，许超钤，林富明，等 舟山港主通道北斗卫星导航定位基准服务系统的建立 测绘与空间地理信息，（）：施闯，郑福，楼益栋 北斗广域实时精密定位服务系统研究与评估分析 测绘学报，（）：张乙志，刘立，温旭，等 数据差分格网化在 系统中的研究 测绘地理信息，（）：刘一，谷守周，秘金钟，等 虚拟格网化的 位置差分方法研究 测绘通报，（）：李成钢 网络 系统高精度差分改正信息生成与发布研究 成都：西南交通大学，吴北平 网络 定位原理与数学模型研究 武汉：中国地质大学，赵亚枝，谷守周，秘金钟，等 基于虚拟观测值的伪距差分方法研究 全球定位系统，（）：（下转第 页）年 第 期 朱晓武，等：联合船载单波束潮间带机载 测量系统量系统在滩涂区域高精度大面积地形测量工程中具有可行性和可操作性。该系统主要由 中航时无人机载 和船载双频单波束测深仪组成，集成化程度并不高。本文使用的单个无人船受限于现代海洋通信技术瓶颈，致使岸基与无人船距离不能太大，单个无人船效率不高。因此一艘母船搭配多艘无人船及多无人机机群进行集群化作业是主要趋势。参考文献：胡勇，何旭涛，徐辉，等 无人机在潮间带地形测量中的应用 地理空间信息，（）：王小丹，方成，康慧，等 曹妃甸地区潮间带演变的遥感监测 海洋通报，（）：广东省自然资源厅 广东省人民政府国家海洋局关于印发广东省海岸带综合保护与利用总体规划的通知 ：许宝华，刘世振 机载 测量技术在潮间带测量中的应用 人民长江，（）：孙雪洁，滕惠忠，赵健，等 机载 海岸地形测量技术及其应用 海洋测绘，（）：刘静，陈涛，张培震，等 机载激光雷达扫描揭示海原断裂带微地貌的精细结构 科学通报，（）：滕惠忠，王克平，缪世伟，等 海岸地形测量技术发展思考 海洋测绘，（）：刘经南，张小红 机载激光扫描测高技术的发展与现状 测绘文摘，（）：刘经南，张小红 激光扫描测高技术的发展与现状武汉大学学报（信息科学版），（）：楼燕敏，吴迪 机载 技术在浙江省滩涂海岸测量中的应用研究 测绘通报，（）：丁仕军，董传胜，王观鹏，等 机载 在东营沿海滩涂测量中的应用 北京测绘，（）：滕惠忠，郭忠磊，辛宪会，等 江苏滩涂机载 测量数据处理技术 海洋测绘，（）：翟国君，吴太旗，欧阳永忠，等 机载激光测深技术研究进展 海洋测绘，（）：黄谟涛，翟国君，谢锡君，等 多波束和机载激光测深位置归算及载体姿态影响研究 测绘学报，（）：陆秀平，边少锋，叶修松，等 机载激光测深精度外部检核方法 海洋测绘，（）：（责任编辑：胡 淼）（上接第 页）张小红，丁乐乐，何俊 双卫星导航系统短基线动态定位实验与对比分析 导航定位学报，（）：姜卫平，赵倩，刘鸿飞，等 子网划分在大规模 基准站网数据处理中的应用 武汉大学学报（信息科学版），（）：刘智敏，林文介，唐卫明，等 差分协议 电文分析与应用 桂林工学院学报，（）：于晓东，吕志伟，王兵浩，等 数据传输格式.的介绍及解码研究 全球定位系统，（）：高晟俊，谭羽安 差分数据格式编解码算法研究与实现 测绘科学，（）：梁静娴，张漫，李民赞，等 基于 协议的虚拟差分 接收设备设计 农业机械学报，（）：张智刚，罗锡文，胡炼，等 种 模块动态定位精度测试与分析 华南农业大学学报，（）：（责任编辑：侯 琳）（上接第 页）曾亚，周琦，吴琼 基于北斗短报文通信的应用软件管理与发布系统研究 数字技术与应用，（）：刘宏，万立健，陆亚英 基于北斗卫星导航系统的远距离海洋工程高精度定位技术 测绘通报，（）：，（）：冉承其 北斗卫星导航系统建设与发展 卫星应用，（）：，（）：屈利忠 北斗 实时精密定位服务系统关键算法研究与实现 武汉：武汉大学，（责任编辑：胡 淼）