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网络辅助北斗平台设计和性能评估
摘 要：北斗卫星导航系统是我国自主研发和运营的全球卫星导航系统,该系统的稳步建设与完善对于我国经济、军事水平的发展具有重要的战略意义.网络辅助导航是一种有效的导航增强技术,可明显缩短卫星导航的首次定位时间,提升终端定位性能.本文设计构建了一种网络辅助北斗位置服务平台,通过管理子系统、业务子系统及接口子系统的有效交互,对平台的资源、业务、安全、通信等方面进行有效管理,最终可辅助终端进行快速导航定位.本文还对平台的功能与性能进行了综合评估,并根据测试结果分析了平台的各项优势以及后续发展方向,为网络辅助导航在我国的进一步发展打下了基础.
关键词：北斗导航；网络辅助北斗；A-GNSS服务平台；性能评估
1 引言
随着全球卫星导航技术的发展,位置服务在越来越多的领域内扮演着重要角色,包括车载导航、地质勘测、大气监控、航空航海、公共安全、生活服务等.如今,全球导航卫星系统（Global Nigation SatelliteSystem,GNSS）不仅与国家经济、安全有着密切联系,更是体现了现代化大国地位和国家综合国力的重要标志,在政治、经济、军事等方面具有重要意义.世界主要军事大国和经济体都在竞相发展独立自主的卫星导航系统,现已投入使用的GNSS系统包括美国的GPS、欧盟的GALILEO、俄罗斯的GLONASS 以及我国的BDS.与此同时,各类提升导航系统性能的技术也不断发展.其中,网络辅助卫星导航（Assisted GlobalNigation Satellite System,A-GNSS）是一种有效的导航增强技术,它利用地面网络产生的辅助信息协助卫星系统进行导航,能有效缩短首次定位时间.
基于A-GNSS 技术,本文提出了一种支持AGPS/ABDS 多模定位的网络辅助北斗平台,并从其基本原理、平台架构、关键技术等方面进行了阐述和分析；然后,对网络辅助北斗定位平台的框架设计,以及各子系统的功能进行了展示；最后,分析了平台设计的研究重点及应用的关键技术,明确了平台的后续研究重点和产业政策支持方向.
2 网络辅助定位理论基础
独立的GNSS 系统由GNSS 卫星和GNSS 接收机组成,通常情况下,定位的完成需要一个清晰的视线传播并且需要4 颗以上GNSS卫星的卫星信号.接收机接收卫星信号后,信号解调和位置计算工作全部由终端完成,由于终端接收机功率与处理能力有限,因此独立的GNSS 系统通常需要花费较长时间来完成首次定位.
为了缩短首次定位时间,提高定位效率,A-GNSS系统中除GNSS卫星、A-GNSS接收机外,还配置有位置服务器与GNSS星历数据库（见图1）,系统通过地面网络将终端的部分计算工作转移到位置服务器上,让终端有更多的时间和处理能力来跟踪GNSS 信号,从而提高系统的定位效率.
正常工作情况下,位置服务器定期从GNSS 星历数据库更新星历数据.当A-GNSS终端发起定位时：
（1）首先终端将自身的基本信息通过网络传输到位置服务器.
（2）位置服务器根据收到的粗位置信息将该位置相关的辅助信息发送到终端.
（3）终端的A-GNSS 模块根据辅助信息接收并解调GNSS原始信号,计算出终端与卫星的距离,再将有关信息传输给位置服务器.
（4）位置服务器根据收到的GNSS 信息计算出终端位置,通过网络将位置信息反馈给终端.
在上述定位过程中,终端（SET）与位置服务器（SLP）的交互是通过安全用户平面定位（Secure UserPlane Location,SUPL）协议来完成的,SUPL 协议中传递的消息包含业务管理消息、定位测量消息两种.业务管理消息包括SUPL INIT、SUPL START、SUPLRESPONSE 和SUPL END,用于建立和管理SET 与SLP 之间的会话；定位测量消息包括SUPLPOS、SUPLPOS INIT、SUPLEND、用于传输SET 和SLP 在位置计算时需要的参数.图2 为A-GNSS完成一次终端始发定位的协议流程.
（1）SET连接到网络上,通过预设地址与SLP 建立安全的IP 链接,发送SUPLSTART 消息发起与SLP 的会话（SUPLSTART 消息中包含了此次会话的ID、SET支持的定位方法和支持的定位协议等信息）.
（2）SLP 根据将SUPL RESPONSE 消息反馈给SET,告知其将采用的定位方法.
（3）SET收到SUPLRESPONSE消息后确认本次会话,同时发出SUPLPOS INIT 消息,初始化与SLP 间辅助数据的交互.
（4）SLP 对定位方法、会话ID 进行确认,然后通过SUPLPOS与SET之间进行多次辅助数据的传输.
（5）在计算完成时,SLP 向SET 发送SUPLEND消息,告知SET 不再进行定位交互.按照定位方法以及采用的定位协议,SLP在SUPLEND消息中还会携带位置结果,SET 在收到SUPLEND消息后结束会话,同时释放安全IP 链接以及会话相关的其他资源.
3 网络辅助北斗定位平台架构
在A-GNSS 系统中,提供A-GNSS 服务的关键在于A-GNSS服务平台的构建.
一方面,平台的通信接口复杂,各类数据链路的接口也各不相同,需要对平台与外部通信单元的通信进行统一监控、管理；其次,平台功能模块众多,需要对平台的计算和带宽等资源进行优化分配,最大化平台利用率；最后,除了位置计算外,平台还具备安全防护、终端粗位置判定、历史位置查询等其他辅助功能,需要平台具有对所有功能和业务进行统筹管理的能力.
为了满足上述的功能需求,平台设计中将A-GNSS服务平台分为3 个子系统,分别为：管理子系统,负责A-GNSS 服务平台的核心功能管控、卫星辅助数据计算以及终端的定位解算；业务子系统,用于实现A-GNSS 服务平台的业务管理与安全防护功能；接口子系统,负责处理A-GNSS 服务分系统与外部信息交互单元之间的信令流程管理.根据A-GNSS 服务平台要求实现的逻辑功能和逻辑架构,A-GNSS服务分系统最终实现的功能模块如图3 所示.
各子系统及其核心模块如下：
3.1 管理子系统
管理子系统的核心是支持A-GNSS 的SUPL 位置平台,包括核心管理模块、GNSS卫星辅助数据计算模块、定位解算模块3 个模块.
（1）核心管理模块
主要负责将A-GNSS服务平台的各接口模块整合在一起,并合理分配、调度计算资源和通信带宽资源,实现负载均衡的功能,同时提供管理客户端,方便用户测试、配置、调试A-GNSS服务平台.
（2）GNSS卫星辅助数据计算模块
主要根据终端粗位置,结合当前GNSS 数据平台提供的GNSS 卫星参考数据,计算出终端可用的精细化GNSS卫星辅助数据.
（3）定位解算模块
主要针对那些只完成定位测量,而不完成定位计算的终端,接收其定位测量数据,在服务器上完成终端的定位结算.
3.2 业务子系统
业务子系统负责处理A-GNSS服务分系统的业务管理与安全防护,主要包括GNSS信息处理模块、安全认证模块、终端粗位置判定和网络标识自学习模块、网管处理模块、数据库模块、日志模块、热备份模块.
（1）GNSS信息处理模块
主要处理GNSS数据平台提供的实时GNSS卫星、历书、星历、轨道等GNSS 参考数据,筛选出符合平台和终端需求的数据,并进行必要的格式转换.
（2）安全认证模块
主要保证A-GNSS 服务平台与终端的认证和授权,同时提供机密性和数据完整性的保障.
（3）终端粗位置判定和网络标识自学习模块主要根据终端上报的移动通信网络小区标识,判定终端粗位置,并完成与地理位置的关联.该模块要求具备自我学习和自我更新移动通信网络小区标识、Wi-Fi AP标识的功能.
（4）网管处理模块
包括网管处理模块、日志模块、热备份模块、数据库模块等.网管处理模块用于和网管系统配合处理与运行管理相关的配置管理、告警管理、统计分析等.配置管理包括系统的相关配置信息的查询、配置、修改等.告警管理,包括告警信息的配置、告警级别配置等,以及告警的展现、清除等；告警包括系统软件模块的运行告警、硬件资源告警、与外部网络的连接告警等.
（5）数据库模块
数据库模块用于平台周期性或必要时将相关业务数据、管理数据、配置数据、告警数据等存入数据库,或者和数据库配合来提供查询、统计功能,比如小时/日/周/月业务量统计/峰值统计、分错误码统计、错误信息查询等.
（6）日志模块
日志模块用于记录日常的操作信息、测试信息等.
（7）热备份模块
热备份模块用在系统突然出现故障停止运行时,将相关数据和在线处理切向热备份A-GNSS 服务平台.
3.3 接口子系统
接口子系统负责处理A-GNSS服务分系统与外部信息交互单元之间的信令流程管控,主要包括ULP接口处理模块、MLP接口处理模块.
（1）ULP接口处理模块
主要处理终端与A-GNSS服务平台之间的通信交互,采用OMA标准的Lup接口协议.
（2）MLP接口处理模块
主要处理A-GNSS服务平台与位置服务应用以及其他定位方式（如Cell ID）间的通信交互,采用OMA标准的Le接口协议.
4 网络辅助北斗定位平台性能评估
为了验证网络辅助定位平台的功能及性能,本文进行了多种综合测试评估,并对测试结果进行了简要分析,便于后续平台的更新与优化.
测试的主要内容包括：冷启动首次定位时间（终端在没有初始位置缓存数据情况下完成首次定位花费的时间,是反映终端定位效率的重要指标）；对各种通信网络与定位协议的支持情况（平台对市面上各制式2/3/4G通信网络及其各自对应的定位协议的支持性,反映平台对现有的各类移动网络的兼容能力）；对市面主流软件定位的支持情况（配置好终端SUPL设置的情况下,测试市面的主流软件（包含定位功能）能否通过平台进行定位,统计终端对主流应用的支持能力）.具体测试方法及测试结果如下：
（1）冷启动首次定位时间
本项测试分别采集了冷启动时终端通过独立GNSS系统,以及通过网络辅助北斗平台进行定位的首次定位时间,在保证终端型号与测试环境不变的情况下共进行了1000轮测试,测试结果如图4所示.
从图4 可知,终端通过独立的GNSS系统进行定位的首次定位时间为30~38s,平均首次定位时间为35s；通过网络辅助北斗平台进行定位的首次定位时间为3~5s,平均首次定位时间为4s.通过网络辅助北斗平台,终端的首次定位时间减少了85%以上,即平台能有效缩短首次定位时间,提高定位效率.
（2）平台对现有网络与定位协议的支持性目前,国内移动网络中的通信技术包括3G（WCDMA/TD-SCDMA）、4G（FDD-LTE/TDD-LTE）以及2G（G）,且其涉及的定位协议也互不相同.本项测试中,在测试环境不变的条件下,将终端分别接入各制式网络,通过辅助平台进行定位,并从后台日志查看定位的流程及结果.每项测试重复多次保证结果的可靠性,测试结果如表1所示.
从测试结果可知,平台支持2/3/4G多种移动通信技术以及相应的定位技术进行辅助定位,且同时具备AGPS/ABDS多模定位能力,即平台对现有的多种移动通信网络具有良好的兼容性,有利于平台的后续推广与普及使用.
（3）平台对主流软件的支持性
当前越来越多的软件涉及位置服务功能,本项测试中,终端通过被测软件发起定位,统计各类软件通过平台定位的成功率,来评估网络辅助北斗平台对市面主流软件的支持性.
本次共对21 款常用软件进行了测试,其中17 款能成功通过平台进行定位,通过测试的软件包括地图导航、生活周边、社交娱乐、支付购物等多种类型.表明网络辅助北斗平台能支持市面上大多数主流软件发起定位,应用领域广泛.
（4）后续平台优化建议
平台对主流终端芯片支持性良好,兼容市面上95%以上的商用芯片及终端,但仍有小部分终端不支持平台辅助定位或定位功能不完善,需要平台提供方与芯片厂家加强互联互通,进一步提高平台辅助定位功能在终端市场的支持率.
其次,定位服务涉及个人隐私及安全,对定位过程进行加密至关重要,安全证书是确认用户身份,保障用户信息安全的重要工具.需要对安全证书进行优化升级,在保障定位安全的情况下,提高平台的通用性是后续平台优化的重点工作之一.
最后,标准化工作对整合产业链、提高服务能力、开拓国内外市场等方面具有重要作用.在后续工作中,需要各方协作,对现有的3GPP、OMA辅助定位协议进行梳理、整合,并根据我国产业需求制定相应的A-GNSS 标准,建立自己的标准体系,以此规范终端、芯片、平台以及应用市场,从而保证我国北斗导航与辅助导航产业平稳有序的发展.
5 结束语
随着北斗卫星导航系统的逐步完善,地面网络辅助卫星导航相关业务得到人们的广泛关注.本文提出的网络辅助北斗平台能极大提高定位效率,支持AGPS/ABDS多模定位以及千万级的用户接入量,后期计划中还可根据需求开发化服务,包括车辆管理、物流追踪、轨迹描绘和回现等附加功能.作为我国导航事业发展的重要拼图之一,辅助北斗导航应用领域广泛、战略意义重大,随着平台技术的发展,今后将在更多行业,为更多人提供优质、可靠的定位服务,为中国导航事业的发展贡献一份力量.
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