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基于CORS的分米级GNSS差分定位云服务研究

发布日期:2020-07-30

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 随着无线传输技术、移动互联网技术、空间信息与移动通信技术的不断发展,卫星导航应用进入了由测绘专业领域向大众应用领域的快速发展时期。同时,由于移动终端性能的日趋完善,移动终端也慢慢开放原始观测数据,人们对位置服务的需求呈现出高精度、多终端、多领域的特点。近年来我国在高精度GNSS差分定位服务领域进行了大量研究探索,主要表现在:①在定位方法上,传统分米级差分定位服务主要是通过建立区域卫星连续运行参考站(CORS),实时不间断获取各基准站的伪距观测值,利用基准站已知坐标解算该站上GNSS卫星相应的伪距改正数,以此修正流动站的伪距观测值。这种方法充分利用了流动站与基准站间的位置关系,较好地消除了大气误差影响,定位算法简单、效率高,但须将基准站坐标播发给用户进行内插改正数,存在国家基准站坐标的安全隐患。②在CORS服务模式上,目前各个省级CORS网服务系统大多采用由数据中心直接面向终端客户提供服务的方式,即数据处理中心对基准站实时观测数据进行解算生成用于高精度定位的改正数产品,并响应用户数据及其他相关业务请求的功能,服务产品形式以观测数据为主,如播发改正数、提供原始观测数据等,服务主要面向测绘专业用户。这种服务模式在终端用户向服务器请求服务时,服务器同时面临改正数计算和业务请求处理的双重压力,不适应高并发请求的应用场景。同时,用户往往需要对数据进行处理加工,需要一定的测绘数据处理基础,不利于向非测绘行业推广。

 因此,本文针对传统分米级定位服务中安全性低、高并发访问差和专业门槛高的问题,提出并设计一种基于CORS的分米级差分定位云服务模式。在传统差分定位方法的基础上,采用虚拟格网用户生成改正数的形式,并通过解算服务器与业务服务器分离的云服务模式,解决用户高并发服务请求及数据安全性的问题;同时,以应用程序接口(API)和软件开发工具包(SDK)的方式提供面向***的分米级位置服务接口,满足大量级、多领域、低门槛的高精度位置服务需求。


1 服务架构设计1.1 服务整体架构

 本文结合省级卫星导航位置服务公共平台建设需求,构建了基于CORS的分米级GNSS差分定位云服务架构,如图 1所示。通过将CORS连续运行基准站实时观测数据推送至解算服务器,解算服务器结合伪距观测值和基站的真实坐标,根据反距离权重插值法内插出每个虚拟格网伪距差分改正数,并将格网差分改正数推送至业务服务器。用户端无需与解算服务器进行交互,解算服务器不受用户并发数限制,能够实现高并发访问情况下的快速扩容,满足超大量级终端位置服务需求。将涉密环境的解算服务器与不涉密环境的业务服务器进行隔离,符合安全保密规定,能够有效确保数据安全。同时,业务服务器将解算服务器生成的分米级改正数产品以API和SDK的形式提供位置改正服务与数据处理服务,降低了专业技术门槛。

图 1   分米级GNSS差分定位服务架构

1.2 服务请求响应

 平台数据请求服务主要包括用户、应用系统、定位终端、业务服务器、解算服务器5个部分。定位终端发起数据请求,服务端作身份验证并响应终端请求,匹配相应改正数产品结合实时观测数据进行解算,并将解算后的高精度位置返回给应用系统,应用系统面向用户提供分米级位置服务。通过建立定位终端与云端业务服务器之间的数据连接,由业务服务器将改正数产品推送至定位终端,定位终端结合原始观测数据完成差分解算,并调用SDK返回至用户系统。具体数据服务请求流程如图 2所示。

图 2   数据服务请求响应流程

2 定位理论与方法2.1 反距离权重插值法

 反距离权重插值法方法的原理为:将流动站附近的CORS站改正数通过加权平均值的方法内插出流动站的伪距改正数,计算流动站与基准站之间距离的倒数,利用各站所求的倒数对各基准站进行定权。

 反距离权重插值法是从流动站与CORS站距离的倒数确定权值,在一定意义上考虑了CORS站位置对差分改正数的影响。且该方法模型简单,不受CORS站数量限制,当局域范围内CORS站数量有限时,使用该方法较为适合。


2.2 GNSS网格伪距差分定位


 GNSS网格伪距差分定位是在GNSS网络伪距差分定位方法的基础上,考虑基准站坐标的安全性、基准站信息合理利用性,以及用户差分数据量的负担而进行的改进,与原始伪距差分定位方法相比具有用户差分数据量小、安全性高和信息合理等优点。该方法主要是在省域范围内,将湖南省区域按照一定的原则划分为若干规则格网,并应用反距离权重内插数学模型计算各网格中心所在点的伪距差分改正信息;若干网格差分信息通过网络链路对外播发,用户则只需要在使用该差分信息前确定自己所处的网格,按照指定端口接收本网格差分信息,对自身观测的定位结果进行必要的修正处理,即可实时获取所在位置的精确坐标。网格中心点伪距改正数生成模型如图 3所示。

图 3 GNSS网格伪距差分定位模型

图选项

 GNSS网格伪距差分定位模型与多模网络伪距差分定位模型的不同之处在于,其地面区域按经纬线等间距均匀划分为若干规则网格Gu(u=1, 2, …, h-1, hh+1),假设格网中心点M位于网格Gh中,如图 3所示。此处采用反距离权重插值法内插网格中心点Gh伪距改正数,利用每个基准站的内插系数aih将各基准站的卫星伪距改正数信息, 通过加权法内插出网格中心点Gh的伪距差分改正数信息。第k颗BDS卫星、第l颗GPS卫星和第m颗GLONASS卫星的Gh网格伪距改正数δφkBGhδφlGGhδφmRGh分别为


2.3 终端差分定位方法

 使用两台接收机进行同步观测时,站间差分能够有效消除卫星轨道误差及卫星钟差,同时还能大幅度削弱电离层延迟和对流层延迟误差,从而提高定位精度。通常情况下,基准站坐标已知,流动站可以接收基准站播发的改正信息完成差分定位。差分定位数学模型为

式中,A为系数阵;x为坐标参数和接收机钟差构成的未知参数阵; L为原始伪距观测值构成的常数阵;ΔL为参考站播发的伪距改正信息构成的改正数常数阵; ε为观测噪声。由最小二乘可得

式中,P为权阵。令Δx=,故上式可表示为

式中,为单点定位结果;Δx为利用伪距改正信息求解得到的坐标改正数。

 不同于GNSS接收机,智能手机内置导航芯片无法获取原始伪距观测值,但能够获取单点定位结果,即。因此,只需求解Δx就可以实现智能手机差分定位。手机通过移动网络可以获取基准站播发的卫星伪距改正数ΔL。导航芯片能够获取到该时刻参与定位的卫星信息,包括卫星号及卫星高度角等,可用于构造系数阵A及权阵P。基于式Δx=(ATPA)-1ATPΔL,可以求解Δx。在多系统融合定位情况下,基于多模时空统一理论,将不同卫星系统的时间和空间系统进行统一。


3 测试分析

 本次试验区域为湖南省境内,利用湖南省122个GNSS基准站生成网格中心点改正数,划分为49个网格,网格起始纬度为24°00′N,起始经度为108°00′E。针对本文研究的基于CORS的分米级GNSS差分定位云服务模式,依托湖南省位置服务云平台(HNCORS),从丢包率、外符合精度、高并发访问3个方面进行测试。丢包率和外符合精度测试主要采取静态测试和动态测试两种方式,验证终端手持机GNSS伪距差分模块的定位精度和稳定性。静态测试地点为湖南省测绘科技研究所楼顶固定观测墩,采用华辰北斗CC20手持机一部,手机用来发射4G热点。动态测试路段为长沙市周边公路,采用零基线方式,将1台接收机天线通过吸顶安放到汽车的顶部,天线通过功分器分流,连接1台Trimble R9接收机和1台华辰CC20手持机。高并发访问测试主要是通过设置不同并发用户数,测试事务执行情况、平均响应时间、资源占用情况。


3.1 丢包率测试

 丢包率测试是指测试所丢失数据包数量占所发送数据组的比例。静态测试中丢包率测试是将CC20手持机保存的原始观测数据解算历元数与差分结果历元数进行对比得出;动态测试丢包率利用天宝R9采集动态观测数据,利用手持机实时差分定位结果,将实时成功定位历元数与从车辆开始到结束所经历的历元数进行比较,计算网格坐标差分方法的丢包率,反映了一段时间段内流动站差分定位的成功率。测试选取4个静态观测点和一次动态观测结果,对其丢包率结果进行统计,结果见表 1。

表 1  丢包率统计结果

测试样本总历元数网络伪距差分
解算历元数丢包率/(%)
静态测试153 97552 8992.00
静态测试243 77941 6774.80
静态测试3134112843.25
静态测试47967653.9
动态测试366433757.89


 根据表 1中丢包率统计结果,静态测试网格伪距差分定位解算率**为98%,静态测试丢包率在7.89%左右,解算率达到90%以上,解算结果较好。测试结果中产生丢包率的主要因素是测试区域内高架桥数量多、房屋遮挡、无线网连接不稳定、流动站接收卫星信号失锁和街道路段的行道树遮挡等。


3.2 外符合精度测试

 单位权中误差表达式为

式中,Δi为某差分方法某一方向单位历元差分定位结果与已知准确值之差;n为观测历元数。此项指标称为外符合测试,反映差分定位的精度。静态测试中将RTK解作为准确值;动态测试中使用TBC软件结算出准确坐标值。将每个历元求得的经纬度、高程(B/L/H)或协议坐标系坐标(XYZ)与真实坐标作差求各方向偏差,最后求得外符合精度。

 本文进行了大量的静态测试和动态测试,这里仅展示4个静态观测点和1次动态观测结果,其余测试精度均与这几个点的测试精度相当。对N、E、U方向上的外符合精度结果进行统计分析,结果见表 2。图 4、图 5分别为其中静态测试3和动态测试中外符合精度情况。

表 2   网格伪距差分N、E和U方向偏差单位权中误差统计

m
测试样本网格伪距差分单位权中误差(RMS)
N方向E方向U方向
静态测试10.4360.4330.7420.615
静态测试20.4470.4070.7320.605
静态测试30.4150.3650.6840.553
静态测试40.4940.3920.7360.631
动态测试0.405 30.536 80.933 10.672 6


图 4   静态测试3中N、E、U方向外符合精度

图 5   动态测试N、E、U方向外符合精度

 由表 2中的测试结果可以看出,手持机GNSS网格伪距差分定位结果水平方向(N、E方向)单位权中误差(RMS)在0.6左右,定位精度达到分米级,垂直方向(U方向)定位精度优于1 m,达到亚米级,且定位结果具有较好的收敛性和稳定性。


3.3 高并发访问测试

 高并发访问测试工具使用LoadRunner+Agent,测试服务器操作系统为Windows Server 2008,内存(MEM)为16 GB,通过设置100~10 000区间内的并发访问用户数,对其事务执行情况、平均响应时间、资源占用情况进行统计,见表 3。

表 3   用户并发访问测试统计

并发用户数事务执行通过数平均响应时间/s资源占用情况/MB
1001009.862612
20019918.565624
50050031.3712 604
100099545.7827 155
2000198951.2354 606
5000497357.42142 951
10 000995960.56293 499


 根据表 3中用户并发访问测试统计结果,当并发用户量在1000以内时,各页面访问操作正常;随着并发用户数的不断增长,平均响应时间趋于稳定,而资源占用情况呈现出线性增加的趋势,服务器压力不断变大。因此,本文将云服务器作为业务服务器,可以有效缓解本地解算服务器的业务请求压力,实现大量级用户访问的快速扩容。


4  结  语

 本文在传统GNSS网络伪距差分定位方法研究的基础上,通过研究虚拟格网用户生成改正数的形式,研发了省级GNSS网格伪距差分定位模块,提出并设计了一种基于CORS的分米级差分定位云服务模式。通过解算服务器与业务服务器分离的云服务模式,解决了传统CORS服务中基准站数据安全风险大、用户并发访问数量受限、高精度位置服务专业门槛高等问题。以湖南省位置服务平台(HNCORS)建设为例,采取静态测试和动态测试两种方式,以丢包率、外符合精度、高并发访问测试为指标,对研发的基于虚拟格网伪距差分定位模块进行测试。结果表明,网格伪距差分定位解算率在90%以上,定位精度达到分米级,有效缓解了本地解算服务器的业务请求压力,实现了大量级用户访问的快速扩容,在车道级车辆监控、舰标监控和行业数据调绘等高精度位置服务应用中具有广泛的应用前景,也可为其他省级CORS网高精度位置服务云平台建设提供参考。


郝建明, 楚彬, 敖敏思, 等. 基于CORS的分米级GNSS差分定位云服务研究[J]. 测绘通报,2019(4):11-16, 25.

DOI: 10.13474/j.cnki.11-2246.2019.0104.

作者简介郝建明,男,硕士生,研究方向为3S集成应用与位置服务。E-mail:jaminhoh@hotmail.com


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