全球最大的差分GPS實(shí)時跟蹤網(wǎng)絡(luò)

不比不知道，一比嚇一跳。將全球差分GPS實(shí)時跟蹤網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一番研究，不難發(fā)現(xiàn)，即使人家差不多是二十年前形成的系統(tǒng)，我們在效率、水平和服務(wù)能力上的差距，還不是一點(diǎn)點(diǎn)，值得一思，深思，三思，格局決定結(jié)局。 

1.概述

全球差分GPS（GDGPS）系統(tǒng)，是一個完整的、高精準(zhǔn)的，又極具魯棒性的實(shí)時GNSS監(jiān)測和增強(qiáng)系統(tǒng)。GDGPS系統(tǒng)是采用實(shí)時參考接收機(jī)組成的大型地面網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和屢獲殊榮的實(shí)時數(shù)據(jù)處理軟件，可獨(dú)立于當(dāng)?shù)氐幕A(chǔ)設(shè)施，為世界任何地方的地面、空中和太空載體提供亞分米級定位精度（<10 cm）和亞納秒的時間傳輸精度。能提供GNSS完整的實(shí)時狀態(tài)信息、環(huán)境數(shù)據(jù)和輔助產(chǎn)品，以支持最苛刻條件下的GNSS增強(qiáng)操作，輔助GNSS（A-GNSS）服務(wù)，情景評估和環(huán)境監(jiān)測，顯示其全球、統(tǒng)一、精準(zhǔn)，且可靠的特色。

GDGPS的全系列產(chǎn)品可用于GPS、格洛納斯和北斗，以及伽利略系統(tǒng)。自2000年以來，GDGPS一直為產(chǎn)業(yè)運(yùn)作和政府業(yè)務(wù)提供關(guān)鍵任務(wù)的定位、導(dǎo)航和定時數(shù)據(jù)服務(wù)，可靠性達(dá)到99.99％。 GDGPS導(dǎo)航技術(shù)是全球主要基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)，包括針對廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS）和下一代GPS運(yùn)營控制系統(tǒng)（OCX）的服務(wù)。

利用全球最大的實(shí)時跟蹤網(wǎng)絡(luò)，全球差分GPS（GDGPS）系統(tǒng)所跟蹤的是GNSS民用信號L1、L2和L5頻率。高度冗余的衛(wèi)星覆蓋（對于GPS平均為25倍，對于格洛納斯是18倍），確保了無縫和強(qiáng)大的全球覆蓋。原始測量數(shù)據(jù)流，通過三個地理上分開的GDGPS運(yùn)營中心（GOC）實(shí)現(xiàn)冗余通信路徑。GOCs的數(shù)據(jù)由全球知名的軟件RTGx進(jìn)行處理，得出GNSS軌道和時鐘狀態(tài)的實(shí)時差分改正，以及許多副產(chǎn)品和服務(wù)。用狀態(tài)空間方法來定軌，是噴氣動力實(shí)驗(yàn)室（JPL）的首創(chuàng)，能確保所有的產(chǎn)品在全球的一致有效性。 

該GDGPS系統(tǒng)的基本執(zhí)行延遲，從由跟蹤接收機(jī)接收導(dǎo)航信號到制作形成和發(fā)布傳播差分改正及其他實(shí)時副產(chǎn)品，總共約為5s。對于某些產(chǎn)品，如完整性監(jiān)控要求更少的執(zhí)行延遲，也是可以支持的。數(shù)據(jù)產(chǎn)品通過各種通信渠道傳播給客戶。鼓勵客戶訪問多個GOCs，并使用多個通信渠道，以確保關(guān)鍵使命任務(wù)的產(chǎn)品和服務(wù)實(shí)現(xiàn)端對端的冗余。支持的通信渠道包括因特網(wǎng)、基于因特網(wǎng)的其他延伸網(wǎng)絡(luò)、T1、幀中繼，以及調(diào)制解調(diào)器和衛(wèi)星廣播。極高可靠性已經(jīng)通過非常高水平的端至端的冗余實(shí)現(xiàn)，沒有任何單點(diǎn)出現(xiàn)故障。創(chuàng)新的軟件確保自動故障檢測，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各種冗余組件之間的無縫故障切換，保證不間斷地給客戶提供服務(wù)。 

全球最大的GNSS實(shí)時跟蹤網(wǎng)絡(luò)如下圖所示：

2.網(wǎng)絡(luò)

該GDGPS實(shí)時跟蹤網(wǎng)絡(luò)的核心，是JPL擁有和經(jīng)營的75個以上大地測量水準(zhǔn)級的觀測站，使用三頻率接收機(jī)和全球分布式網(wǎng)絡(luò)。其他實(shí)時觀測網(wǎng)站，是由多種多樣的美國和國際伙伴組織作出的貢獻(xiàn)。其結(jié)果是形成了世界上最大的實(shí)時GNSS跟蹤網(wǎng)絡(luò)，擁有超過200個全球站點(diǎn)。所有這些觀測網(wǎng)站以1Hz采樣率的觀測數(shù)據(jù)流，送到GDGPS系統(tǒng)的運(yùn)作中心（GOCs），進(jìn)行GNSS測量數(shù)據(jù)處理，并加以實(shí)時分析。

該GDGPS網(wǎng)絡(luò)通過設(shè)計實(shí)現(xiàn)高度冗余，因?yàn)楸姸嗟年P(guān)鍵應(yīng)用常常以提供可靠性為最重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)，如GNSS實(shí)時監(jiān)控的完整性和精確差分改正?？偟膩碚f，該網(wǎng)絡(luò)對于GPS有25倍的冗余度（這意味著在任何給定時刻，每個GPS衛(wèi)星平均有25個地面接收站在進(jìn)行觀測），且最小有10倍冗余。該網(wǎng)絡(luò)對于格洛納斯觀測平均有18倍的冗余。

各種通信信道被用于從跟蹤站點(diǎn)到GOCs的原始數(shù)據(jù)流傳輸，其中包括互聯(lián)網(wǎng)、專用地面線路及衛(wèi)星鏈路。當(dāng)使用互聯(lián)網(wǎng)時，數(shù)據(jù)并行地發(fā)送到多個GOCs，以確保互聯(lián)網(wǎng)信道的冗余度。所有GOCs與專用高速地面通信線路相互連接。

該GDGPS系統(tǒng)值得引以為榮的是，它將4個國家時間實(shí)驗(yàn)室作為網(wǎng)絡(luò)合作伙伴。尤其是美國海軍天文臺（USNO），有助于將其主時鐘驅(qū)動相關(guān)監(jiān)測站點(diǎn)，使GDGPS系統(tǒng)為其全球用戶提供USNO UTC的最精確的實(shí)時應(yīng)用。此外，許多GDGPS網(wǎng)站（超過35個）是由原子頻率標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)質(zhì)量保障。

因?yàn)镴PL完全擁有和經(jīng)營一個龐大的、高度冗余的全球GNSS跟蹤網(wǎng)絡(luò)，所以可以設(shè)置相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)接收機(jī)，提取任何的，或者所有的GNSS數(shù)據(jù)，其中包括所有的L1、L2和L5相位和偽距測量數(shù)據(jù)，與各個信道的導(dǎo)航信息（電文）、SNR值，以及任何其他公開的可用數(shù)據(jù)。

通常跟蹤數(shù)據(jù)從大多數(shù)監(jiān)測點(diǎn)到達(dá)GOCs，需要約1s的時間，用于數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制約為幾秒。最終產(chǎn)品提供，如GNSS廣播星歷的精密改正，可以控制在遠(yuǎn)程站點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集算起的5s內(nèi)。為了確保GDGPS產(chǎn)品的完好性，從JPL擁有的核心跟蹤網(wǎng)絡(luò)來的數(shù)據(jù)可被認(rèn)證。因此，該系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)欺騙是有免疫功能的。該網(wǎng)絡(luò)具有極高的冗余度是應(yīng)對來自任何網(wǎng)站或區(qū)域數(shù)據(jù)欺騙的另一個有力舉措，強(qiáng)大的多數(shù)判決機(jī)制被用來檢測任何出現(xiàn)異常的網(wǎng)站。

GDGPS在繼續(xù)擴(kuò)大其網(wǎng)絡(luò)，并歡迎有興趣的組織加入。該網(wǎng)絡(luò)的合作伙伴，可以通過NASACDDIS設(shè)施獲得各種好處，包括實(shí)時定位、授時和環(huán)境監(jiān)測，以及數(shù)據(jù)歸檔和數(shù)據(jù)分發(fā)。所有的時間實(shí)驗(yàn)室能夠參照某些世界上最好的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)時地監(jiān)測它們的頻率標(biāo)準(zhǔn)。在某些情況下，GDGPS可能向安裝實(shí)時監(jiān)測站的現(xiàn)場派送設(shè)備和專業(yè)指導(dǎo)。

3. 軟件

該GDGPS系統(tǒng)由一個強(qiáng)大的軟件組驅(qū)動，它是由噴氣動力實(shí)驗(yàn)室（JPL）開發(fā)完成的，軟件組具有許多獨(dú)特的特性和功能。這個C++的軟件來自于世界領(lǐng)先的GPS數(shù)據(jù)處理和分析軟件包之一，是由JPL GIPSY-OASIS和它的實(shí)時版本RTG（實(shí)時GIPSY）演變而來的。該GDGPS軟件要素，是具有巨大數(shù)量的成果跟蹤記錄積累，包括作為原型為美國聯(lián)邦航空局的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS），2000年獲得NASA軟件獎，2002年嵌入JPL黑客GPS接收機(jī)、并且進(jìn)入空間實(shí)現(xiàn)星基實(shí)時定軌，2004年引入空間技術(shù)名品殿堂。更加應(yīng)該指出的是，冠名《RTGx》的軟件現(xiàn)在版，將成為新一代GPS運(yùn)控段（OCX）的導(dǎo)航軟件，該軟件對于其執(zhí)行關(guān)鍵使命任務(wù)具有極其嚴(yán)格的質(zhì)量保障處理程序，因而成為世界上最重要的基礎(chǔ)設(shè)施的心臟部分。

 （1）可用性特色

• 完全的自動化：端至端的自動操作；

• 完整的定位系統(tǒng)：該軟件具有完整的實(shí)時全球定位系統(tǒng)的所有方面，包括GNSS的軌道確定和同時的網(wǎng)絡(luò)定位。嵌入式軟件執(zhí)行用戶的定位和軌道確定。支持實(shí)時應(yīng)用，以及后處理的應(yīng)用程序和模擬仿真能力；

• 高度便攜：該軟件在Linux上以多種方式進(jìn)行定期測試。多種定位模塊已經(jīng)被移植到若干嵌入式實(shí)時環(huán)境（包括飛行接收機(jī)）；

• 靈活多樣的適應(yīng)性：用于許多類型的流行大地測量接收機(jī)。靈活的適配層可以很容易地適應(yīng)新的接收器類型；

• 視覺輔助：使用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控工具和內(nèi)部質(zhì)量控制的性能實(shí)時圖形顯示。

（2）質(zhì)量要素

• 目標(biāo)對象面向C++和Python的可移植性和可維護(hù)性；

• 模塊化：高度模塊化的代碼來支持嵌入式和地面應(yīng)用；

• 可靠性：連續(xù)運(yùn)作的優(yōu)秀軌跡記錄；

• 精度：對于要求極高的科學(xué)應(yīng)用的所有機(jī)型都可達(dá)到亞厘米精度；

• 可維護(hù)性：設(shè)計為由第三方和維護(hù)團(tuán)隊(duì)操作，并配置控制管理。

（3）創(chuàng)新性特點(diǎn)

• 并行體系結(jié)構(gòu)（MPI），能實(shí)時求解大規(guī)模計算問題，如多個GNSS衛(wèi)星星座；

• 國家空間架構(gòu)保證了差分改正的全球無縫的一致性；

• 創(chuàng)新利用互聯(lián)網(wǎng)通過冗余來實(shí)現(xiàn)健壯性；

• 噴氣動力實(shí)驗(yàn)室（JPL）內(nèi)部開發(fā)的獨(dú)特的衛(wèi)星動力學(xué)和信號模型；

• 高效的GNSS數(shù)據(jù)壓縮；

• 終端冗余運(yùn)作的系統(tǒng)創(chuàng)新提供了高可靠性；

• 獨(dú)特靈活的濾波器設(shè)計允許具有隨機(jī)屬性的任何參數(shù)；

• 能夠在飛行（或者運(yùn)行）中添加的衛(wèi)星/接收機(jī)；

• 獨(dú)特的動態(tài)積分器支持非常高軌道建模精度；

• 為用戶或參考網(wǎng)站均能提供對流層延遲模型和隨機(jī)估計功能；

• 可開放利用相位數(shù)據(jù)的全部信息內(nèi)容；

• 實(shí)時回放功能；

• 軟件由多個美國和非U.S專利加以保護(hù)。