林晓静，向浩，梁斌
(1.湖北省测绘工程院,武汉 430074；
2.湖北省航测遥感院，武汉 430074)
湖北省连续运行参考站(以下简称HBCORS)于2010 年底建成并投入使用，在全省范围建设了81 个基准站，集成了气象专网、地震行业网和公众ADSL 网络，并建立了省级控制中心[1].2017 年，湖北省北斗地基增强系统实现了全省覆盖[2]，新建加密了10 个基准站，升级/改造了HBCORS 81 个基准站，在原有设施的基础上加装北斗设备，即与HBCORS 共用基准站观测墩、天线、全球卫星导航系统(GNSS)数据传输线缆、交换机、路由器、机柜、电力线路和网络线路等原有基础设施.
湖北省北斗地基增强系统通过建设基于北斗覆盖全省的GNSS 连续运行参考站(CORS)，建成省内区域的北斗系统导航与位置服务平台，将北斗定位技术与测绘学、气象学、地理信息系统、计算机技术、现代通讯技术有机结合，实现了北斗高精度位置服务的全省覆盖，提供了跨部门、跨专业的智能化服务平台，大力减轻了相关行业数据信息采集难、更新慢等问题，是支撑北斗卫星导航系统(BDS)产业规模化发展、智慧城市建设、智能化社会服务的必要基础施.
2020 年7 月31 日，北斗三号卫星导航系统(BDS-3)正式开通，BDS-3 是在前两代的基础上进行建设，同时与前两代又有着重大差别.BDS-3 信号性能明显优于BDS-2，多径效应、伪距噪声都有了较大幅度的改善，测距精度也有了较大提升，由于湖北省北斗地基增强系统建设正处于BDS-2 建设组网时期，因此随着BDS-3 的开通，亟需对湖北省北斗地基增强系统进行整网软硬件升级，实现湖北省北斗地基增强系统对BDS-3 卫星的支持，推进卫星导航产品和服务在公共安全、交通运输、防灾减灾、农林水利、气象、国土资源、环境保护、公安警务、测绘勘探、应急救援等重要行业及领域的规模化应用.
湖北省北斗高精度位置服务平台2018 年初步建成并投入试运行，各类终端已在平台运行4 年[3].目前，已经形成了以湖北省北斗地基增强系统为后台，以北斗高精度位置服务平台为前端的服务架构.目前，湖北省北斗地基增强系统共有91 个站点，其中北斗接收机在网运行共78 台，武汉导航院True CORS R1 计72 台，和芯星通UR370 计6 台，北斗地基增强系统管理软件平台为TrueNET.根据湖北省北斗地基增强系统的实际需求，在已有软件平台的基础上，完成包括算法模块、数据采集、数据存储、数据处理、数据转发等组件的设计实现与开发工作，使新开发的系统管理平台具有同时支持四星多频(BDS、GPS、GLONASS、Galileo) 系统的能力.湖北省北斗地基增强系统BDS-3 服务能力提升功能包含以下两方面：1) 72 台True CORS R1 接收机的板卡硬件升级与固件包升级，增加对BDS-3 的支持；
2) TrueNET 平台的软件升级，包括算法模块、数据采集、数据存储、数据处理、数据转发等组件的设计实现，增加对BDS-3 的支持.
2.1 接收机硬件升级与固件升级
接收机硬件升级主要是更换支持BDS-3 信号的OEM 板卡，新OEM 板卡核心FPGA (Field Programmable Gate Array)芯片功耗更大且发热量变大，需考虑散热设计.根据原有结构三维(3D)图纸及内部OEM 板卡、底板的空间布局，加装一款散热片，对OEM 板卡发热量较大的FPGA 芯片进行散热.接收机软件升级需要在北斗新信号体制BOC (binary offset carrier)调制[4-6]、多模多频基带信号处理、多系统联合定位这三部分做出改进和提升[7-8].
2.2 系统管理软件升级
湖北省北斗地基增强系统的解算软件是TrueNet平台，如图1 所示本次升级完成包括算法模块、数据采集、数据存储、数据处理、数据转发等组件的设计实现与开发工作，使新开发的系统管理平台具有同时支持四星多频(BDS、GPS、GLONASS、Galileo)系统的能力.
图1 TrueNET 平台架构
如图2 所示，TrueNet 平台根据功能划分，由数据采集(Caster &Ingest)，数据存储(GNSS Data Store)，算法引擎(Engine)，代理服务(Agent)，位置服务(Location Based Service)以及运维节点(Monitor)部分组成.
图2 TrueNET 系统管理软件升级思路
在升级支持BDS-3 的同时，需要保证平台的兼容性，满足对不同RTCM 类型电文解码.平台软件需要满足对BDS-3 电文的解析，基线解算模块需要对BDS-3 频点的数据进行处理，使BDS-3 频点数据参与基线解算，基线解算模块支持多系统(BDS、GPS、GLONASS、Galileo)、多频率(全面支持BDS B1I、B2I、B3I、B1C、B2a；
GPS L1、L2、L5；
GLONASS L1、L2；
Gallileo E1、E5a、E5b)，支持联合解算，并根据需要显示BDS-3 相关的信息.
TrueNet 平台升级在平台架构流程基础上，侧重对以下三大问题进行了解决：
1) 数据预处理.BDS-2 卫星播发B1、B2、B3 三个频点，BDS-3 卫星播发B1C、B2a、B1I、B3I 四个频点，各频点的频率也不尽相同.在平台数据采集模块(Caster&Ingest)的模块设计中，对该流程架构进行重点设计，保证解算软件处理北斗系统的策略切实可行.支持四系统多频率后，数据源(Ingest)模块可解析更多频点的数据.保留按照Ntrip 协议标准接收BDS-3 接收机发出的观测数据和星历数据，数据接收后，按照RTCM 格式解析处理BDS-3 相关的频点数据.
2) 基线浮点解解算和模糊度固定.支持四系统多频点的数据解算，充分利用多频数据加快模糊度收敛时间、提高模糊度固定成功率[9].由于软件数据结构部分发生较大的变化，为了高效的支持四系统多频率，内部的数据处理流程和处理策略将非常复杂，通过优化算法及内部机构来保证解算的有效性及快速性.考虑对外数据接口数据交互的可靠性及传输性，重点设计开发数据解算模块.
3) 四系统卫星的解算及VRS 播发.为了保证解算软件模块与Agent 模块间的接口的高效传输，数据交互的接口可以实时快速展示四系统卫星的解算信息.基于NETRTK 模块生成的参考站网的基线信息(基站原始观测量，基线双差电离层、对流层延迟残差信息，子网信息等)以及流动站上传的坐标信息，AGENT 模块进行建模进而内插出流动站的VRS(虚拟参考站信息)，经RTCM 电文编码后发送出去.
3.1 接收机回归测试
在接收机批量升级前，本项目对升级后的接收机进行了回归测试.
1)开展了新增频点的数据质量分析及双差质量分析.图3 为增加了北斗三频点B1C、B2a 之后的北斗双差结果直方图，可清晰看到每颗卫星的伪距/载波双差精度及整体结果，表1 显示了具体结果值.
表1 四系统十三频点伪距/载波双差结果
图3 伪距/载波双差精度
2) RINEX 原始文件进行了数据质量分析，结果如表2 所示.
表2 四系统十三频点TEQC 利用率及周跳比结果
3)整机性能测试，具体测试结果如表3 所示.
表3 升级后的TrueCORS R1 测试结果
表3(续)
3.2 系统测试
所有站点升级替换完成后，项目开展了野外测试工作.测试接收机使用南方South 银河一号，选取了8 个野外测试站点采集的数据，计算内符合精度(水平和垂直)，验证精度是否达标.
测试方法步骤如下：
1)由北斗高精度位置服务平台正常发送改正数；
2)正确连接流动站的GNSS 天线以及电源，无线网络，并在开阔天空下，保证流动站能够正常的接收卫星信号和服务端发送过来的改正数；
3)在流动站上配置ntrip client，输入IP/端口/挂载点/用户名/密码，并存NMEA 信息；
4)利用采集到的GNGGA 数据，分析内符合精度：
a)将NMEA 文本转换为平面坐标、高程；
b)统计文本的理论历元数和实际观测历元数；
c)利用测试脚本，统计24 h 平面坐标、高程的STD 内符合精度.
测试结果如表4 所示.
表4 系统精度测试结果
表4(续)
测试结果表明：网络RTK 实时定位精度水平优于3 cm，垂直优于5 cm；
DGNSS 定位精度水平优于1 m，垂直优于2 m.
本次升级完成后，对北斗地基增强系统还进行了功能测试，性能测试，稳定性与压力并发测试等，测试结果均符合系统要求，限于篇幅限制，本文不再这部分详细测试内容及结果做展示.
通过升级TrueCORS R1 接收机的板卡硬件升级与固件包升级，增加BDS-3 B1I/B3I 部分三代卫星信号接收、全新信号体制的B1C 和B2a 频点，以及增加伽利略系统的GAL E1C/E5a/E5b.TrueNET 平台整体数据流程上实现由数据采集-基线解算-VRS 生成-差分数据播发到终端的完整过程，使新开发的平台具有同时支持四星多频(BDS、GPS、GLONASS、Galileo)系统的能力.平台软件根据BDS-3-RTCM 差分电文提案进行RTCM 数据解码以支持BDS-3 的B1C、B2a 信号，扩充与BDS 相关的宏定义，综合考虑把BDS-3卫星作为一个单独的系统参与基线解算(其采用B1C、B2a 作为双频基线解算主频点以区别与BDS-2的主频点B1I、B2I)，并修改接口，新增北斗和BDS-3对应的挂载点和RTCM 电文内容，使湖北省北斗高精度位置服务具备了BDS-3 的服务能力.北斗高精度位置服务平台对BDS-3 的支持将进一步推动北斗导航核心技术研发和产业化，推动北斗导航与移动通信、地理信息、卫星遥感、移动互联网等融合发展.基于BDS 的全面建设完成的背景，完善了湖北省北斗高精度位置服务平台的基础设施，推进了北斗导航服务的模式和产品创新，以及在重点区域和交通、减灾、电信、能源、金融等重点领域开展示范应用，逐步推进北斗的规模化应用.
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