大规模GNSS网发展及数据处理现状

大规模GNSS网发展及数据处理现状

郑朝阳

广州吉欧电子科技有限公司广东省广州市510663

摘要：大规模GNSS网是实现高精度位置服务的重要基础设施。本文从空间段、地面段和数据规模3个方面梳理了大规模GNSS网的发展现状；空间段可用的卫星和频率资源显著增加，地面段GNSS网的规模越来越大，GNSS的数据规模呈指数级趋势倍增。详细总结了海量GNSS数据的存储与管理方法，集中式存储方法已不能满足大规模GNSS网数据存储应用的需要，云存储是一种有效的解决方案。系统归纳了GNSS大网的解算策略，当前主要通过改进模型算法和采用并行计算技术两个途径解决GNSS大网数据解算面临的瓶颈。

关键词：全球卫星导航系统；连续运行基准站；大规模网；数据处理

发展卫星导航系统已成为体现国家综合实力的重要标志，随着我国北斗卫星导航系统（BDS）的运行服务，美国GPS与俄罗斯GLONASS系统的现代化，以及欧洲Galileo系统的建设，多系统兼容互操作已成为卫星导航领域的核心议题。卫星导航定位基准站网不仅是提供国家、区域、全球高精度时空基准的重要基础设施，也是导航与位置服务、精密卫星定轨、地质灾害监测等工程和科学研究的重要支撑，地面基准站网的规模在不断扩大，GNSS数据总量呈倍增趋势。大规模GNSS网的发展面临着不少机遇和挑战，寻求GNSS大网数据的快速处理成为当前的研究热点，受到越来越多的关注和重视。

1.大规模GNSS网发展现状

1.1空间段

各大卫星导航系统都在加快建设与部署或升级与现代化，而提供多于两个频点的信号是未来GNSS的重要特征与优势［7］。如表1所示，截至2017年11月30日，在轨运行的导航卫星数量已达107颗，表中MEO为中圆地球轨道（mediumearthorbit），GEO为地球静止轨道（geostationaryorbit），IGSO为倾斜地球同步轨道（inclinedgeosynchronousorbit）。

表1在轨运行导航卫星数量统计（截至2017年11月30日）

如图1所示，新兴导航系统空间段都提供至少3个频率信号，GPS系统现代化进程中双频卫星也逐步由三频卫星所取代，BDS采用全星座三频设计，Galileo则提供4个频率的服务。

图1多频GNSS星座组成

图2全球范围内的可见卫星数（2017年9月24日00：00：00）

以2017年9月24日00：00：00秒为例，全球范围内的可见卫星数如图2所示。从图中可以看出，多系统条件下的可见卫星数量显著增加，任何地区的可见卫星数量不低于15颗，受目前BDS提供区域导航定位服务的限制，亚太地区的可见卫星数最多，平均超过了30颗。

1.2地面段

与空间段对应的是，全球范围内多个国家、地区、组织、行业和部门建立了或正在建设不同用途和功能的、包含数百甚至上千个参考站的GNSS大型观测网络，基准站网得到了快速发展。我国已建成上千个连续运行参考站（CORS）。整合独立型COＲS、基准站更多、层次更高的联合型CORS也陆续开始组网，GNSS网的规模越来越大。同时，地面段也在不断更新与升级，如国际GNSS服务组织（InternationalGNSSService，IGS）正在实施的多系统试验计划（multi-GNSSexperiment，MGEX），以及我国北斗地基跟踪站网的布设、北斗地基增强系统全国“一张网”的建设和我国开展的全球连续监测评估系统（iGMAS）的建设和运行。

2.观测及数据预处理

GNSS外业数据采集是建网的核心工作，对整个项目质量影响重大，必须按照高标准、高质量的要求开展外业数据观测。外业数据采集投入21个同步作业小组，按照5～7台接收机或10～14台接收机为一个同步作业小组，以地市（共18个）为单位，按照设计好的观测网图进行同步静态观测，观测组之间的接边采用同步作业接边或联测共同点进行接边。各作业组在外业作业区内完成基线解算，并负责本域内东和南方向数据接边工作。本项目以区域为单位提交外业观测数据、观测计划表、观测网图、基线解算的工程文件（如方城．vce）和基线文件（如“方城．asc”）以及相关的计算报告。

观测数据处理时，核实天线类型、天线高、观测点号，正确输入各项参数，根据不同的仪器类型将天线高改正至合适的位置（相位中心等），贮存数据的文件名命名合理。为方便数据的提取和查询，各观测组数据管理如下：

1）存放原始数据：观测小组\观测年月日\DATA\（如：CHYA\130308\DATA\）

2）存放标准数据：观测小组\观测年月日\ＲINEX\（如：CHYA\130308\ＲINEX\）

3）存放其他文件：观测小组\观测明细表．doc\资料检核报告．doc（同步、异步、复测基线统计、其他文档）基线解算、数据预处理软件统一采用天宝公司TrimbleBusinessCenter（TBC）Version2．60（32－bit）软件（Trimble公司商用软件）。基线解算采用广播星历解算，观测值加入对流层延迟修正，延迟修正模型中的气象元素采用标准气象元素，采用双差固定解，解算结果中包括相对定位坐标及其方差阵、基线、及其方差阵———协方差阵等平差所需的元素。数据预处理经过软件自动基线解算，通过人工删减卫星和改变卫星高度截止角解算基线来提高基线处理的水平精度和垂直精度等。

3.GNSS大网数据处理方法

图3不同GNSS网规模下双差网解计算时间

3.1存储与管理

GNSS数据管理是解算和应用的基础，GNSS数据增长的速度远远超过存储技术进步带来的成本降低的速度，传统的SAN（storageareanetwork）和NAS（network-attachedstorage）在容量和性能的扩展上存在瓶颈，集中式数据管理方式，如文件传输协议（FTP）和关系数据库（ＲDBMS），难以满足高并发读写和访问、高扩展性和可用性的需求，集中式存储方法已不能满足大规模GNSS数据存储应用的需要。研究表明，云存储是解决海量GNSS数据存储瓶颈的一种有效途径。2014年，美国卫星导航系统与地壳形变观测研究大学联合体（UniversityNAVSTAＲConsortium，UVAVCO）提出了GNSS数据云存储的需求和规划；针对HDFS处理海量GNSS小文件效率不高的问题，结合GNSS数据类型、特点及存储过程，提出了一种GNSS小文件高效云存储方法，优化了GNSS小文件的写入、读取、添加和删除策略。

3.2解算策略及其改进

基于非差和双差模式的解算方法是GNSS大网数据解算的两种主要策略。对于n个测站，非差模式下的时间复杂度为O（n）（O（·）表示处理时间量级阶数的函数，O（n）为线性阶的时间复杂度），但其收敛时间较长，浮点解定位精度低于双差网解［22］，并且相关性较差，不利于整网平差。双差模式下的时间复杂度为O（n3），如图4所示，以GAMIT双差网解为例，其采用全网全基线组合，随着GNSS网规模的扩大，处理时间呈几何倍增加，难以满足GNSS大网快速处理的需求。GNSS数据解算不仅需要更高性能的计算机和大量的计算时间，更为重要的是，基于双差模式，大多数GNSS数据软件同时解算的测站数小于100个，如GAMIT编译时受MAXSIT参数的限制，最多同时解算99个测站。如果同时处理200个及以上测站（如Bernese、GIPSY等），则需消耗大量的计算机硬件资源和时间，严重影响数据解算效率，并导致解算结果的滞后。

IGS分析中心通常采用子网划分的策略，以SOPAC为例，其将全球网划分为若干子网，每个子网测站数约为50个左右，子网通过公共站相连接。在子网划分模型中，需要选择3～5个重复站点，这些站点多次参与了计算，子网划分再整体平差的协方差阵与直接整体平差的协方差阵不相同，数学模型的严密性受到了影响，精度也取决于重复站点的数量、分布和观测数据的质量。

结论

卫星导航系统和基准站网分别是实现高精度位置服务的重要空间段和地面段基础设施，是一个国家或地区的重要战略资源。本文首先从空间段可用卫星和频率资源的增加、地面段基准站网的建设和升级，以及GNSS数据量的倍增3个方面阐述了大规模GNSS网的发展现状；其次总结了GNSS大网存储与管理的现状，集中式数据管理存在诸多的瓶颈，云存储是一种有效的解决方案；最后归纳了GNSS大网数据解算的研究现状，采用改进的模型与算法和利用并行计算技术是两种切实可行的方法。随着我国BDS全球覆盖进程的加快推进，以及地基基准站网的加密和升级，大规模GNSS网迎来了新的发展机遇，研究GNSS大网的数据存储、管理、解算和发布将一直是GNSS领域的热点问题。

参考文献：

[1]姜卫平．卫星导航定位基准站网的发展现状、机遇与挑战［J］．测绘学报，2017，46（10）：1379-1388．

[2]蔡华．GNSS大网实时数据快速解算方法应用研究［D］．武汉：武汉大学，2010

[3]李林阳，崔阳，陈正生，等．大规模GNSS网分布式存储与解算方法［J］．测绘科学技术学报，2016，33（5）：464-469