申报单位：山东省国土测绘院
联合申报单位：山东大学、上海司南卫星导航技术股份有限公司
主要完成人：张海平、董传胜、邢建平、于晓东、高士民、张珂
一、案例简介
“十二五”期间，我国卫星导航定位基准站建设高峰期已过，但基准站网主要软硬件严重依赖国外、产业应用终端缺“芯”少“核”、大规模基准站坐标参考框架动态更新以及智能化程度低。近年来，我国卫星导航定位基准站建设逐步迈入基于北斗三号全球组网新时期，基准站网立足测绘向拓展多行业普适高精度连续定位需求战略化推进。我院以省域北斗三号高精度位置综合服务平台建设为引领，在高精度基准站芯片级微系统处理算法及软硬件、大规模基准站数据并行计算与自动化处理、车／船／机联网海量用户连续高精度定位监视方面取得了重大自主性技术创新并得到广泛应用，为提升我国自主北斗服务全球的能力，保障国家时空安全和重大任务奠定了核心技术基础。
二、技术方案
1、针对当前多频多模采样信号以GPS为主，捕获跟踪效率及抗干扰性有待进一步提升、多源融合解算不成熟、沿海活跃对流层模型精度低等问题，提出了多频多模宽带射频采样信号预处理方法，构建了毫秒级捕获跟踪、多频组合解算和误差差异化提取分析等算法，突破了北斗三号数据精细处理、沿海大气误差精细建模、虚拟格网等关键技术，实现了多GNSS信号的高质量融合。
1）多频多模宽带射频采样信号预处理技术：通过加宽射频前端带宽，多频点共用通道，构建新的LDPC解码算法，实现对北斗三号新信号的接收；将采样后的数据频点分离，分别处理，降低内部位宽，抽取的同时采用不同频率的数字本振分别对信号进行多相混频和并行滤波，降低功耗、提高处理速度；通过对频域信号进行非相干累加，突出频域峰值，发明干扰控制、数据选通、定时控制等开关及bypass通路和定时模块，并进行自适应噪声估计，降低功耗，提高抗窄带干扰能力；从相位角度考虑，采用整数倍抽取实现降速处理，再利用抽取和滤波位置互换的等效关系，采用多相滤波FIR滤波器进行滤波，避免抽取后严重混叠，降低对处理速度的要求，提高实时处理能力。优化自相关和互相关信号识别与处理算法，解决特殊环境信号遮挡和电磁干扰问题。
2）复杂域弱信号毫秒级捕获跟踪技术：传统高精度接收机在接收信号比较弱的环境下，如树下和其他遮挡物下不能实现对卫星的捕获和跟踪。本项目设计的新一代基带芯片内置快速捕获模块，预存数据后在芯片采用高速时钟处理方式，利用多个相关器快速完成频率与码的二维搜索，同时利用FFT变换，提高频率搜索的精准度，然后将搜索结果反馈给ARM，快速实现毫秒计捕获到跟踪的切换。提高接收机在弱信号下的接收能力，大幅度提高了高精度接收机在恶劣环境下的工作性能。
3）北斗三号GNSS卫星信号精细融合处理技术：充分利用北斗三号新信号、新频点优势，构建了基于多频组合进行解算和检验的算法，服务更可靠。软件设计兼容接收机原始格式、RTCM两种格式的北斗三数据解析；兼容RINEX3.04数据存储，数据分析同步支持对北斗三号数据的多路径、信噪比、周跳等信息的分析，实现基站北斗三号数据质量的监控和管理。在解算层面，由于北斗三号和北斗二号部分频点不同，在模糊度估计和建模时，通过对两种信号体质的卫星进行差异化处理，实现了不同频点模糊度、电离层误差等信息的分别提取，最后再将相关的误差信息进行综合处理，实现北斗二号和北斗三号卫星的共同定位解算。
4）沿海大气误差精细建模：针对沿海地区水汽含量变化大，对流层活跃，为得到基线两端真实的对流层天顶延迟，需要同时估计基线一端的对流层天顶延迟（含干延迟）和另一端相对于该对流层天顶延迟的差，避免同时分别估计两个站对流层延迟导致的参数相关性问题，即“站间单差对流层估计”。在得到单差天顶对流层延迟后，加上主站的参考天顶对流层延迟，便得到对应基站的天顶对流层延迟，从而得到基线两端精确的对流层延迟。然后再将区域内的对流层延迟进行曲面拟合，提高沿海水汽活跃区域的对流层建模精度。
5）虚拟格网计算处理与按需播发技术：将不规则基准站三角网设计成栅格形式的规则格网，解算引擎只需解算生成的固定网格点的虚拟观测数据，避免对每个用户进行单独的数据解算，大幅降低海量并发的计算量；用户根据概略坐标即可确定所需格网的增强信息，减少了登陆系统时的搜索量，降低时间延迟；用户服务器独立于解算服务器，实时响应用户的登录请求，向解算引擎请求该网格的数据，同时用户服务可以多路部署备用，并自主动态搜索可用解算服务器，解决了大规模基准站网搜索效率低问题，实现基于格网的海量用户并发。
2、针对当前大规模基准站网数据融合并行能力不强、协同处理差、缺乏全流程自动化等问题，创造性提出大规模网络协同组织下云中心架构集群并行计算批处理方法，实现海量基准站数据跨平台通信与网计算协同优化。
1）分布式异构系统协同处理与通信技术：数据自动化处理采用GAMIT和Bernese同步互算模式，两种软件分别运行于Liunx和Windows系统，项目提出了分布式异构系统协同处理与通信技术，计算服务分别布部署在四台服务器上，可以同步调用运行，融合C＃、Mono Develop的开发语言工具，不同操作系统中代码均通过数据库服务器进行协同作业；每天定时在数据库服务器的任务表中生成以当天为基准的前30天数据的解算任务，各异构系统间通过内网连接，数据预处理、GAMIT解算、伯尔尼解算等服务通过监视数据服务器中数据处理任务启动相应的数据处理服务，实现自动处理各流程和服务间的跨系统通信。
2）大规模基准站处理可视化管理与自动预警技术：为了能够直观显示站点状态，在站点可视化管理中添加了站点警报功能，不同颜色和闪烁反应站点数据缺失情况、解算状态等信息；当多路径、周跳等数据质量指标超限时，自动预警并显示；同时将GAMIT与Bernese网平差解算结果与同软件7天前的解算结果平均值作差，若差值超过预警值，则自动预警并显示。3）多系统数据质量误差分析与融合处理技术：对于高频率的单频GNSS相位观测，通过相邻历元的差分技术，实现GNSS相位数据的质量评估。对比分析多系统GNSS（GPS，BDS，GLONASS，Galileo）的误差源，构建系统间偏差系统模型，通过方差分量估计方法，实现多系统融合数据处理。
3、针对当前车辆网领域环境复杂下无GNSS定位就无法组合导航、连续实时高精度定位效果差的问题，提出了多传感器融合定位和高低频误差分流算法，突破了智能轮式载体定位定姿测速体系。
1）北斗GNSS／INS／DR多传感器紧组合定位算法针对低速农用、市政车辆，设计了双天线三系统GNSS与惯导／DR融合的定位模块，针对通用车辆，设计了单天线四系统GNSS与惯导／DR融合的定位模块。通过GNSS、IMU、OBU三种数据情况，自动选择组合模型，有基准站网数据时进入单频RTK／INS／DR紧组合模型，否则进入单频PPP／INS／DR紧组合模型；若有双天线数据则在紧组合模型上再增加双天线约束信息，最后使用抗差卡尔曼滤波进行解算获取载体位置、速度和姿态信息。这种模式，避免了GNSS／INS松组合在卫星数少于4颗、无法单独GNSS定位时就无法进行组合导航的缺陷，提高了遮挡严重环境下滤波的可靠性。
2）时变加权值高低频误差分流技术方法：将时变较快、高频的接收机钟差与时变较慢、低频的对流层电离层误差、卫星轨道误差及卫星钟差误差等分离，使用高频接收机钟差来估计低频慢变误差，由于低频误差在短时间内变化不明显，所以将估出的误差进行加权后作为未来几分钟内的预测误差发给终端修正自身的观测值，再进行单点定位计算，此时虽然在模型上与单点定位相同，但观测值中已消除低频误差，解算结果与差分定位相当。同时基站无需将上述慢变误差的实时原始观测数据全部传输给用户，大大减少了数据传输量和数据延迟，提高了通信的稳定性。
3）零速修正和航向约束测姿测向技术方法：针对运动载体在不同场景下的运动情况，通过GNSS和DR信息辅助判断载体处于零速状态，与INS推算得到的速度构成量测方程，对INS推算结果进行约束，解决当载体处于静止状态时INS积分漂移及GNSS误差较大时的散点问题。并且针对公交车长时间在高架桥下运动的特点，提出荡秋千运动的组合导航算法，在高架桥下面时，卫星定位和测速精度航向较差，正交方向较高，使用惯导辅助提高航向和测速精度。
三、创新亮点
1）提出了多频多模宽带射频采样信号预处理方法，构建了毫秒级捕获跟踪、多频组合解算和误差差异化提取分析等算法，突破了北斗三号数据精细处理、沿海大气误差精细建模、虚拟格网等关键技术，实现了多GNSS信号的高质量融合，提升了多级协同服务水平。
2）提出了大规模网络协同组织下云中心架构集群并行计算批处理方法，解决了海量基准站数据跨平台通信与网计算协同优化难题，实现了大规模基准站数据处理的可视化和自动化，提升了基准框架动态维护能力。
3）提出了多传感器融合定位和高低频误差分流算法，解决了复杂环境下车联网用户海量并发、快速初始化、连续高精度定位与信息安全管控难题，实现了端、网、云闭合的连续实时高精度定位服务。
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