基于北斗增強(qiáng)信息的位置服務(wù)廣播系統(tǒng)

●　文|中國電信股份有限公司廣州研究院　　　李屹　　朱先飛　　張濤　　楊德利

基于北斗增強(qiáng)信息的位置服務(wù)廣播系統(tǒng)

●文|中國電信股份有限公司廣州研究院李屹朱先飛張濤楊德利

摘要：隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃興起，個(gè)人移動(dòng)端的精確定位應(yīng)用需求猛增?；诒倍返奈恢梅?wù)廣播系統(tǒng)就是將高精度的衛(wèi)星定位相關(guān)信息以低時(shí)延、低成本的方式發(fā)送至大規(guī)模的移動(dòng)用戶。以滿足用戶精確定位需求的新技術(shù)之一。

關(guān)鍵詞:衛(wèi)星定位 廣播 位置服務(wù)

一、引言

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展越來越迅猛，個(gè)人移動(dòng)終端普及度越來越高，各種應(yīng)用對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航位置信息的需求也隨之提升，如何取得更加精準(zhǔn)的個(gè)人位置信息，滿足用戶對(duì)準(zhǔn)確位置的需求成為研究重點(diǎn)。本文描述如何將北斗系統(tǒng)廣域?qū)崟r(shí)精密定位的增強(qiáng)信息實(shí)時(shí)送達(dá)到個(gè)人移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)終端上，如何處理基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理中心的實(shí)時(shí)信息傳輸、提供與位置相關(guān)的增值應(yīng)用等問題，這些將成為進(jìn)一步發(fā)展移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)用戶的關(guān)鍵。

二、衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)

為獲取更高的衛(wèi)星導(dǎo)航精度，現(xiàn)行的GPS、北斗等衛(wèi)星定位系統(tǒng)都可以通過增強(qiáng)信息來進(jìn)行輔助。

定位系統(tǒng)增強(qiáng)信息是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中為了提高定位準(zhǔn)確度提供的附加信息，需要通過基準(zhǔn)站計(jì)算修正值后發(fā)送給相應(yīng)區(qū)域的終端用戶，該終端將直接獲得的增強(qiáng)信息進(jìn)行修正計(jì)算，從而得到更高精度的位置信息。從定位精度上可分為：廣域米級(jí)、廣域分米級(jí)、區(qū)域厘米級(jí)等。

1.廣域米級(jí)差分增強(qiáng)原理

對(duì)基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)原始觀測(cè)量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲取基準(zhǔn)站單頻差分改正數(shù)據(jù)（單頻偽距和載波相位改正數(shù)），然后播發(fā)給基準(zhǔn)站周圍的流動(dòng)站用戶，流動(dòng)站用戶利用距離自己最近的基準(zhǔn)站的單頻差分改正數(shù)據(jù)對(duì)獲得的原始觀測(cè)量（單頻偽距和載波相位）進(jìn)行誤差修正，利用修正后的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，解算得到的定位精度會(huì)得到顯著提升。

2.廣域分米級(jí)差分增強(qiáng)原理

對(duì)基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)原始觀測(cè)量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲取精密衛(wèi)星軌道、鐘差改正數(shù)、廣域電離層模型、衛(wèi)星非整數(shù)相位延遲（UPD）和單站雙頻非差改正數(shù)以及完好性等數(shù)據(jù)產(chǎn)品，對(duì)于單頻載波用戶，直接采用精密衛(wèi)星軌道、鐘差改正數(shù)、廣域?qū)与婋x模、衛(wèi)星非整數(shù)相位延遲對(duì)衛(wèi)星星歷和載波相位觀測(cè)值分別進(jìn)行校正，再利用校正過的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，大幅提升定位精度。對(duì)于雙頻載波接收機(jī)用戶，有兩種工作模式：工作于精密單點(diǎn)定位模式和工作于網(wǎng)絡(luò)RTK模式。

精密單點(diǎn)定位模式原理與單頻載波用戶類似，差異在于雙頻觀測(cè)，還可充分利用各種誤差消除模型，但由此帶來初始化時(shí)間的問題。

網(wǎng)絡(luò)RTK模式也是在充分利用精密衛(wèi)星軌道，鐘差改正數(shù)、廣域?qū)与婋x模、衛(wèi)星非整數(shù)相位延遲和單站雙頻非差改正數(shù)的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)綜合處理中心將對(duì)整個(gè)基準(zhǔn)站網(wǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)可以采用整網(wǎng)聯(lián)合結(jié)算，或采用劃分子網(wǎng)以及單基線模式進(jìn)行并行處理，得到測(cè)站衛(wèi)星間雙差模糊度信息。此時(shí)，結(jié)合由多個(gè)測(cè)站所組成閉合環(huán)對(duì)應(yīng)雙差模糊度之和為0以及基準(zhǔn)站坐標(biāo)精確已知等限制條件對(duì)結(jié)算得到的測(cè)站間雙差模糊度進(jìn)行檢核，剔除或重新解算存在問題的基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理中心按照“基于非差觀測(cè)的網(wǎng)絡(luò)RTK方法”，通過適當(dāng)添加某些基準(zhǔn)信息，將按照現(xiàn)有相對(duì)定位方法計(jì)算得到的雙差觀測(cè)值殘差映射為各基準(zhǔn)站與可視衛(wèi)星間非差觀測(cè)值殘差的形式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)每顆可視衛(wèi)星的一小塊區(qū)域分別進(jìn)行擬合建模。進(jìn)一步精化各種誤差。構(gòu)建的各類誤差改正模型信息采用GSM、GPRS、RDS等廣播方式被實(shí)時(shí)傳送給內(nèi)網(wǎng)用戶接收機(jī)，大幅提高定位精度。

3.區(qū)域厘米級(jí)差分增強(qiáng)原理

區(qū)域厘米級(jí)差分增強(qiáng)目前主要有兩種技術(shù)體制，即主輔站技術(shù)和虛擬參考站技術(shù)。兩種技術(shù)體制都需要利用通過區(qū)域站綜合結(jié)算的精密衛(wèi)星軌道、鐘差改正數(shù)、電離層模型、對(duì)流層模型等區(qū)域誤差改正數(shù)，在雙頻觀測(cè)的基礎(chǔ)上，利用區(qū)域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整網(wǎng)結(jié)算。其中主輔站技術(shù)以離用戶最近的基準(zhǔn)站作為主站進(jìn)行相對(duì)定位；而虛擬參考站技術(shù)則利用用戶概略位置，在用戶真實(shí)位置旁邊虛擬一個(gè)參考站，利用該虛擬參考站與用戶流動(dòng)站進(jìn)行相對(duì)定位結(jié)算，最終提升用戶定位精度。

衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)可以幫助用戶更加快捷準(zhǔn)確地進(jìn)行定位，但實(shí)現(xiàn)過程的重點(diǎn)是如何將正確的北斗增強(qiáng)信息及時(shí)準(zhǔn)確地廣播到各終端中。本文研究?jī)?nèi)容就是基于北斗增強(qiáng)系統(tǒng)信息廣播的服務(wù)平臺(tái)，為用戶的終端提供位置服務(wù)應(yīng)用。

三、北斗系統(tǒng)移動(dòng)廣播系統(tǒng)平臺(tái)

北斗增強(qiáng)系統(tǒng)移動(dòng)廣播系統(tǒng)平臺(tái)就是將獲取的不同地面參考站傳送來的北斗系統(tǒng)增強(qiáng)信息通過優(yōu)化處理，廣播給相應(yīng)用戶、對(duì)應(yīng)終端的平臺(tái)。

業(yè)務(wù)受控的北斗系統(tǒng)增強(qiáng)信息廣播系統(tǒng)由三個(gè)部分組成：增強(qiáng)信息移動(dòng)廣播管理模塊、數(shù)據(jù)廣播模塊、終端用戶及其他各種移互應(yīng)用。系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖1所示。

圖1　北斗增強(qiáng)信息移動(dòng)廣播系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

·數(shù)據(jù)廣播模塊：主要包括移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸能力及3G數(shù)據(jù)廣播能力，互聯(lián)網(wǎng)能力主要包括大容量組播能力，內(nèi)容分發(fā)與傳送能力。

·增強(qiáng)信息移動(dòng)廣播管理模塊：主要包括用戶管理、廣播調(diào)度管理引擎和能力匯聚網(wǎng)關(guān)。用戶管理主要實(shí)現(xiàn)權(quán)限和密鑰管理，廣播調(diào)度管理引擎控制能力匯聚網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)可控廣播。

增強(qiáng)信息移動(dòng)廣播系統(tǒng)的工作流程為：增強(qiáng)信息移動(dòng)廣播管理模塊負(fù)責(zé)接收北斗系統(tǒng)實(shí)時(shí)精密定位的增強(qiáng)信息廣播數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)廣播模塊通過移動(dòng)網(wǎng)能力及互聯(lián)網(wǎng)能力分發(fā)給終端；同時(shí)也能接收位置服務(wù)應(yīng)用的定位請(qǐng)求，通過策略控制和負(fù)載均衡調(diào)度，向終端轉(zhuǎn)發(fā)定位請(qǐng)求，并把終端的計(jì)算結(jié)果返回給應(yīng)用。

增強(qiáng)信息移動(dòng)廣播系統(tǒng)中最關(guān)鍵的步驟是如何將增強(qiáng)信息廣播給終端，目前使用的兩種廣播技術(shù)是基于信令通道數(shù)據(jù)廣播技術(shù)和基于網(wǎng)絡(luò)通道數(shù)據(jù)廣播技術(shù)。

1.基于信令通道數(shù)據(jù)廣播技術(shù)

目前主流的廣播服務(wù)有基于WCDMA和CDMA的技術(shù)，其本質(zhì)原理均為基于信令通道數(shù)據(jù)廣播技術(shù)，是一種在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中通過基站維度建立廣播承載通道的技術(shù)，使得定位信息在移動(dòng)廣播網(wǎng)絡(luò)中的傳輸更高效。

基于信令通道數(shù)據(jù)廣播承載通道建立以后，可向指定基站/扇區(qū)提供定位信息廣播服務(wù)，通道資源可以動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)：有數(shù)據(jù)流時(shí)根據(jù)帶寬要求動(dòng)態(tài)分配；無數(shù)據(jù)流時(shí)，承載通道釋放，以節(jié)約資源。

但是由于本方案需要通過升級(jí)改造無線、PDSN/BSN以及接入網(wǎng)設(shè)備等硬件設(shè)備，同時(shí)需要占用已經(jīng)緊缺的頻率資源，可能會(huì)對(duì)其他服務(wù)產(chǎn)生影響，因此很難在短時(shí)間內(nèi)大規(guī)模實(shí)現(xiàn)。

隨著4G網(wǎng)絡(luò)的普及，4G網(wǎng)絡(luò)可以改善其占用通道的缺點(diǎn)，使得基于信令通道的廣播技術(shù)得到更好的發(fā)展。

2.基于網(wǎng)絡(luò)通道數(shù)據(jù)廣播技術(shù)

基于網(wǎng)絡(luò)通道數(shù)據(jù)廣播技術(shù)通過位置能力開放系統(tǒng)獲得廣播數(shù)據(jù)后，通過廣播管理服務(wù)器將需要廣播的數(shù)據(jù)注入到IP網(wǎng)絡(luò)，通過IP網(wǎng)絡(luò)的組播技術(shù)，下發(fā)至各個(gè)網(wǎng)絡(luò)邊緣相關(guān)PDSN，最后經(jīng)過無線的數(shù)據(jù)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)下發(fā)到相應(yīng)手機(jī)終端。

用戶使用該業(yè)務(wù)前，需要使用基于精密位置信息終端SDK實(shí)現(xiàn)的位置業(yè)務(wù)終端軟件，先在位置能力開放系統(tǒng)進(jìn)行注冊(cè)，注冊(cè)成功后，該手機(jī)可接收位置信息的廣播信息

此方式實(shí)質(zhì)上利用了IP網(wǎng)絡(luò)中的受控組播的方式。在IP廣域網(wǎng)中開展廣播，對(duì)全網(wǎng)影響巨大，顯然不現(xiàn)實(shí)，而通過受控組播的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)所需終端提供定位廣播則是較好的選擇。該技術(shù)成熟可靠，既能達(dá)到節(jié)省骨干帶寬，又能同時(shí)發(fā)送至眾多終端的目的。適合短時(shí)間內(nèi)大規(guī)模推廣應(yīng)用，推薦使用該技術(shù)建設(shè)系統(tǒng)。

四、基于位置的廣播現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

通過對(duì)之前方案關(guān)鍵技術(shù)的研究，進(jìn)行了基于位置的網(wǎng)絡(luò)信道數(shù)據(jù)廣播技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)（江蘇、廣東等地），用于驗(yàn)證本方案的可行性和實(shí)用性。

試驗(yàn)?zāi)M找尋周邊用戶的場(chǎng)景：

1）區(qū)域：400km2；

2）用戶：100萬活躍用戶；

3）系統(tǒng)把熱點(diǎn)區(qū)域劃分為200×200個(gè)邊長(zhǎng)約100m的網(wǎng)格，即在緩存進(jìn)程中表示為200×200的二維數(shù)組；

4）假設(shè)用戶每移動(dòng)100m發(fā)一個(gè)位置變更請(qǐng)求。顯然，早上7點(diǎn)到9點(diǎn)上班高峰為用戶移動(dòng)最頻繁時(shí)段，假設(shè)平均每人上班路程為5km，則系統(tǒng)每秒要處理6944個(gè)位置變更請(qǐng)求，而每次位置變更請(qǐng)求時(shí)都需要從定位信息移動(dòng)廣播系統(tǒng)中請(qǐng)求定位信息；

5）假設(shè)這100萬用戶在這兩小時(shí)里有10萬人提交了搜索周邊用戶的請(qǐng)求（半徑1km），平均每人提交5次。則系統(tǒng)平均每秒要處理69次搜索周邊用戶的請(qǐng)求，其中包括請(qǐng)求自己的定位信息，以及周邊用戶的定位信息。

系統(tǒng)存儲(chǔ)的主要信息是用戶的位置跟蹤信息。傳統(tǒng)的解決方案是采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫保存這些信息。但這種基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的解決方案存在以下幾個(gè)問題：

1）定位系統(tǒng)產(chǎn)生的記錄數(shù)量巨大，每天每臺(tái)終端設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生大量的定位信息；每條記錄內(nèi)容較少，根據(jù)業(yè)務(wù)需要位置跟蹤信息可能要保存很長(zhǎng)一段時(shí)間；

2）某一位置跟蹤信息都是屬于某一個(gè)特定的用戶/手機(jī)的，不同用戶/手機(jī)之間的位置跟蹤信息不存在關(guān)聯(lián)；

3）對(duì)歷史位置跟蹤信息的處理基本對(duì)某用戶/手機(jī)某段時(shí)間內(nèi)所有的定位信息進(jìn)行批量處理，對(duì)單個(gè)歷史定位信息進(jìn)行查詢和操作的需求很少。

因此，傳統(tǒng)的RDBMS數(shù)據(jù)庫用于保存和處理定位信息并不是很適合。本項(xiàng)目采用了一種分布式緩存，利用分布式數(shù)據(jù)架構(gòu)，為應(yīng)用提供可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和快速的數(shù)據(jù)訪問。根據(jù)定位業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，建立針對(duì)定位業(yè)務(wù)具體特征進(jìn)行優(yōu)化，為各種移動(dòng)定位業(yè)務(wù)提供通用的，可定制的公共存儲(chǔ)服務(wù)，降低應(yīng)用開發(fā)門檻，提升定位服務(wù)質(zhì)量軌跡建模就是將這些點(diǎn)按照時(shí)間順序連接起來，并且根據(jù)道路、建筑等環(huán)境特征，構(gòu)造一條用戶實(shí)際走過的路線。

除了在一些關(guān)鍵時(shí)段，比如學(xué)生上下學(xué)的時(shí)候，采用高采樣率，例如每隔5s采集一次學(xué)生的位置。但高采樣率帶來的是通信和存儲(chǔ)代價(jià)的增加。例如，如果5萬用戶每5s采集一次地理位置，那么1小時(shí)內(nèi)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量為3600萬條記錄，按每條記錄0.1k計(jì)算，產(chǎn)生3.6G數(shù)據(jù)量，如果用戶規(guī)模再擴(kuò)大，這些對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬和存儲(chǔ)資源的占用是巨大的。

因此，研究的一個(gè)重點(diǎn)是在定位數(shù)據(jù)低采樣率情況下軌跡的重建技術(shù)。

由于用戶軌跡總是存在一定的限制條件，以及相關(guān)的上下文因素，例如絕大部分是在正常道路上行走的；以及在兩個(gè)位置之間消耗的時(shí)間這些都可以作為縮小搜索空間的限制條件。本實(shí)驗(yàn)就是在這些合理的假設(shè)前提下，通過地圖匹配等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)軌跡的重建。

測(cè)試任務(wù)包括：

場(chǎng)景一：?jiǎn)渭兡M位置變更請(qǐng)求；

場(chǎng)景二：?jiǎn)渭兡M搜索周邊用戶請(qǐng)求；

場(chǎng)景三：模擬位置變更請(qǐng)求和搜索周邊用戶請(qǐng)求的組合情況；

場(chǎng)景四：?jiǎn)渭兡M搜索周邊用戶請(qǐng)求，允許誤差結(jié)果；

場(chǎng)景五：模擬位置變更請(qǐng)求和搜索周邊用戶請(qǐng)求的組合情況，允許結(jié)果有誤差。

通過測(cè)試得到測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1　測(cè)試結(jié)果

注：1.因?yàn)榉?wù)器具有8顆邏輯CPU，所以總CPU使用率理論上最高可達(dá)到800%。

2.壓力程序部署在同一臺(tái)服務(wù)器上，也會(huì)占用部分CPU資源；這里的引擎CPU使用率是指位置搜索引擎占總CPU使用率的比例，如700%×55%說明在該服務(wù)器上位置搜索引擎的占用率為總CPU使用率乘以引擎CPU使用率。

在此場(chǎng)景下定位信息移動(dòng)廣播系統(tǒng)的性能如下（圖2）：

圖2　定位信息移動(dòng)廣播系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

平均定位信息接收時(shí)間： 60ms；

最大定位信息接收時(shí)間： 79ms；

最小定位信息接收時(shí)間： 40ms。

通過測(cè)試結(jié)果我們可以看到，本方案中采用基于網(wǎng)絡(luò)通道數(shù)據(jù)廣播技術(shù)完全可以滿足目前應(yīng)用對(duì)位置的要求。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)，針對(duì)全國部署的基于北斗增強(qiáng)信息廣播的位置服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)需要根據(jù)活躍用戶密度情況進(jìn)行合理的分配。例如在沿海發(fā)達(dá)地區(qū)，用戶人數(shù)密集、使用頻率高，服務(wù)器壓力大，那么就需要按省或者市來建設(shè)系統(tǒng)；而在西北等土地面積廣闊，用戶分布散，使用頻率低的地方可以按大片區(qū)建設(shè)系統(tǒng)，以達(dá)到合理利用資源的目的。