大规模GNSS网发展及数据处理现状

2018-12-12 15:52:16    来源:《测绘通报》2018年第10期

摘要: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。

  来源:《测绘通报》2018年第10期

  作者:李林阳, 张学东, 黄娴, 李崇辉, 吕志平

  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[1],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[2-6]。

  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,GEO为地球静止轨道,IGSO为倾斜地球同步轨道。

表 1 在轨运行导航卫星数量统计(截至2017年11月30日)

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  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。

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图 1 多频GNSS星座组成

  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。相较于单一的GPS,多系统融合不仅能够扩展GNSS应用的地域范围,增加可见卫星数量和观测值类型,而且可以优化卫星几何构型,缓解高山、城市峡谷等对PNT用户的影响,进一步提升服务的可用性、精度和可靠性[8]。

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图 2 全球范围内的可见卫星数(2017年9月24日00:00:00)

  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[9],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(International GNSS Service,IGS)正在实施的多系统试验计划(multi-GNSS experiment,MGEX)[10-11],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[12]和我国开展的全球连续监测评估系统(iGMAS)的建设和运行[13]。

  1.3 数据规模

  GNSS已经进入了上万个全球参考站、超过100颗导航卫星的多系统多频信号时代。如图 3 IGS的数据中心CDDIS存储的数据总量所示,500个IGS跟踪站对应的数据规模已逐步达到近20 TB。

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图 3 CDDIS存储的数据规模

  大规模GNSS网数据同时也是位置大数据(location big data,LBD)[14-15]和时空大数据[16]的重要组成部分,同样也具有大数据的5V特性[17]:Volume(海量)、Velocity(快速)、Variety(多样)、Veracity(精确)和Value(价值)。

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