一城一北斗|省域北斗三號高精度位置綜合服務平臺關鍵技術及應用

申報單位：山東省國土測繪院

聯合申報單位：山東大學、上海司南衛星導航技術股份有限公司

主要完成人：張海平、董傳勝、邢建平、于曉東、高士民、張珂

一、案例簡介

“十二五”期間，我國衛星導航定位基準站建設高峰期已過，但基準站網主要軟硬件嚴重依賴國外、產業應用終端缺“芯”少“核”、大規模基準站坐標參考框架動態更新以及智能化程度低。近年來，我國衛星導航定位基準站建設逐步邁入基于北斗三號全球組網新時期，基準站網立足測繪向拓展多行業普適高精度連續定位需求戰略化推進。我院以省域北斗三號高精度位置綜合服務平臺建設為引領，在高精度基準站芯片級微系統處理算法及軟硬件、大規模基準站數據并行計算與自動化處理、車／船／機聯網海量用戶連續高精度定位監視方面取得了重大自主性技術創新并得到廣泛應用，為提升我國自主北斗服務全球的能力，保障國家時空安全和重大任務奠定了核心技術基礎。

二、技術方案

1、針對當前多頻多模采樣信號以GPS為主，捕獲跟蹤效率及抗干擾性有待進一步提升、多源融合解算不成熟、沿海活躍對流層模型精度低等問題，提出了多頻多模寬帶射頻采樣信號預處理方法，構建了毫秒級捕獲跟蹤、多頻組合解算和誤差差異化提取分析等算法，突破了北斗三號數據精細處理、沿海大氣誤差精細建模、虛擬格網等關鍵技術，實現了多GNSS信號的高質量融合。

1）多頻多模寬帶射頻采樣信號預處理技術：通過加寬射頻前端帶寬，多頻點共用通道，構建新的LDPC解碼算法，實現對北斗三號新信號的接收；將采樣后的數據頻點分離，分別處理，降低內部位寬，抽取的同時采用不同頻率的數字本振分別對信號進行多相混頻和并行濾波，降低功耗、提高處理速度；通過對頻域信號進行非相干累加，突出頻域峰值，發明干擾控制、數據選通、定時控制等開關及bypass通路和定時模塊，并進行自適應噪聲估計，降低功耗，提高抗窄帶干擾能力；從相位角度考慮，采用整數倍抽取實現降速處理，再利用抽取和濾波位置互換的等效關系，采用多相濾波FIR濾波器進行濾波，避免抽取后嚴重混疊，降低對處理速度的要求，提高實時處理能力。優化自相關和互相關信號識別與處理算法，解決特殊環境信號遮擋和電磁干擾問題。

2）復雜域弱信號毫秒級捕獲跟蹤技術：傳統高精度接收機在接收信號比較弱的環境下，如樹下和其他遮擋物下不能實現對衛星的捕獲和跟蹤。本項目設計的新一代基帶芯片內置快速捕獲模塊，預存數據后在芯片采用高速時鐘處理方式，利用多個相關器快速完成頻率與碼的二維搜索，同時利用FFT變換，提高頻率搜索的精準度，然后將搜索結果反饋給ARM，快速實現毫秒計捕獲到跟蹤的切換。提高接收機在弱信號下的接收能力，大幅度提高了高精度接收機在惡劣環境下的工作性能。

3）北斗三號GNSS衛星信號精細融合處理技術：充分利用北斗三號新信號、新頻點優勢，構建了基于多頻組合進行解算和檢驗的算法，服務更可靠。軟件設計兼容接收機原始格式、RTCM兩種格式的北斗三數據解析；兼容RINEX3.04數據存儲，數據分析同步支持對北斗三號數據的多路徑、信噪比、周跳等信息的分析，實現基站北斗三號數據質量的監控和管理。在解算層面，由于北斗三號和北斗二號部分頻點不同，在模糊度估計和建模時，通過對兩種信號體質的衛星進行差異化處理，實現了不同頻點模糊度、電離層誤差等信息的分別提取，最后再將相關的誤差信息進行綜合處理，實現北斗二號和北斗三號衛星的共同定位解算。

4）沿海大氣誤差精細建模：針對沿海地區水汽含量變化大，對流層活躍，為得到基線兩端真實的對流層天頂延遲，需要同時估計基線一端的對流層天頂延遲（含干延遲）和另一端相對于該對流層天頂延遲的差，避免同時分別估計兩個站對流層延遲導致的參數相關性問題，即“站間單差對流層估計”。在得到單差天頂對流層延遲后，加上主站的參考天頂對流層延遲，便得到對應基站的天頂對流層延遲，從而得到基線兩端精確的對流層延遲。然后再將區域內的對流層延遲進行曲面擬合，提高沿海水汽活躍區域的對流層建模精度。

5）虛擬格網計算處理與按需播發技術：將不規則基準站三角網設計成柵格形式的規則格網，解算引擎只需解算生成的固定網格點的虛擬觀測數據，避免對每個用戶進行單獨的數據解算，大幅降低海量并發的計算量；用戶根據概略坐標即可確定所需格網的增強信息，減少了登陸系統時的搜索量，降低時間延遲；用戶服務器獨立于解算服務器，實時響應用戶的登錄請求，向解算引擎請求該網格的數據，同時用戶服務可以多路部署備用，并自主動態搜索可用解算服務器，解決了大規模基準站網搜索效率低問題，實現基于格網的海量用戶并發。

2、針對當前大規模基準站網數據融合并行能力不強、協同處理差、缺乏全流程自動化等問題，創造性提出大規模網絡協同組織下云中心架構集群并行計算批處理方法，實現海量基準站數據跨平臺通信與網計算協同優化。

1）分布式異構系統協同處理與通信技術：數據自動化處理采用GAMIT和Bernese同步互算模式，兩種軟件分別運行于Liunx和Windows系統，項目提出了分布式異構系統協同處理與通信技術，計算服務分別布部署在四臺服務器上，可以同步調用運行，融合C＃、Mono Develop的開發語言工具，不同操作系統中代碼均通過數據庫服務器進行協同作業；每天定時在數據庫服務器的任務表中生成以當天為基準的前30天數據的解算任務，各異構系統間通過內網連接，數據預處理、GAMIT解算、伯爾尼解算等服務通過監視數據服務器中數據處理任務啟動相應的數據處理服務，實現自動處理各流程和服務間的跨系統通信。

2）大規模基準站處理可視化管理與自動預警技術：為了能夠直觀顯示站點狀態，在站點可視化管理中添加了站點警報功能，不同顏色和閃爍反應站點數據缺失情況、解算狀態等信息；當多路徑、周跳等數據質量指標超限時，自動預警并顯示；同時將GAMIT與Bernese網平差解算結果與同軟件7天前的解算結果平均值作差，若差值超過預警值，則自動預警并顯示。3）多系統數據質量誤差分析與融合處理技術：對于高頻率的單頻GNSS相位觀測，通過相鄰歷元的差分技術，實現GNSS相位數據的質量評估。對比分析多系統GNSS（GPS，BDS，GLONASS，Galileo）的誤差源，構建系統間偏差系統模型，通過方差分量估計方法，實現多系統融合數據處理。

3、針對當前車輛網領域環境復雜下無GNSS定位就無法組合導航、連續實時高精度定位效果差的問題，提出了多傳感器融合定位和高低頻誤差分流算法，突破了智能輪式載體定位定姿測速體系。

1）北斗GNSS／INS／DR多傳感器緊組合定位算法針對低速農用、市政車輛，設計了雙天線三系統GNSS與慣導／DR融合的定位模塊，針對通用車輛，設計了單天線四系統GNSS與慣導／DR融合的定位模塊。通過GNSS、IMU、OBU三種數據情況，自動選擇組合模型，有基準站網數據時進入單頻RTK／INS／DR緊組合模型，否則進入單頻PPP／INS／DR緊組合模型；若有雙天線數據則在緊組合模型上再增加雙天線約束信息，最后使用抗差卡爾曼濾波進行解算獲取載體位置、速度和姿態信息。這種模式，避免了GNSS／INS松組合在衛星數少于4顆、無法單獨GNSS定位時就無法進行組合導航的缺陷，提高了遮擋嚴重環境下濾波的可靠性。

2）時變加權值高低頻誤差分流技術方法：將時變較快、高頻的接收機鐘差與時變較慢、低頻的對流層電離層誤差、衛星軌道誤差及衛星鐘差誤差等分離，使用高頻接收機鐘差來估計低頻慢變誤差，由于低頻誤差在短時間內變化不明顯，所以將估出的誤差進行加權后作為未來幾分鐘內的預測誤差發給終端修正自身的觀測值，再進行單點定位計算，此時雖然在模型上與單點定位相同，但觀測值中已消除低頻誤差，解算結果與差分定位相當。同時基站無需將上述慢變誤差的實時原始觀測數據全部傳輸給用戶，大大減少了數據傳輸量和數據延遲，提高了通信的穩定性。

3）零速修正和航向約束測姿測向技術方法：針對運動載體在不同場景下的運動情況，通過GNSS和DR信息輔助判斷載體處于零速狀態，與INS推算得到的速度構成量測方程，對INS推算結果進行約束，解決當載體處于靜止狀態時INS積分漂移及GNSS誤差較大時的散點問題。并且針對公交車長時間在高架橋下運動的特點，提出蕩秋千運動的組合導航算法，在高架橋下面時，衛星定位和測速精度航向較差，正交方向較高，使用慣導輔助提高航向和測速精度。

三、創新亮點

1）提出了多頻多模寬帶射頻采樣信號預處理方法，構建了毫秒級捕獲跟蹤、多頻組合解算和誤差差異化提取分析等算法，突破了北斗三號數據精細處理、沿海大氣誤差精細建模、虛擬格網等關鍵技術，實現了多GNSS信號的高質量融合，提升了多級協同服務水平。

2）提出了大規模網絡協同組織下云中心架構集群并行計算批處理方法，解決了海量基準站數據跨平臺通信與網計算協同優化難題，實現了大規模基準站數據處理的可視化和自動化，提升了基準框架動態維護能力。

3）提出了多傳感器融合定位和高低頻誤差分流算法，解決了復雜環境下車聯網用戶海量并發、快速初始化、連續高精度定位與信息安全管控難題，實現了端、網、云閉合的連續實時高精度定位服務。