劉成寶，牛守明，劉曦燦

(濟南市勘察測繪研究院，山東濟南 250013)

濟南市連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)測試及分析

劉成寶?，牛守明，劉曦燦

(濟南市勘察測繪研究院，山東濟南 250013)

首先對濟南市連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)進行概述，介紹了JNCORS系統(tǒng)測試的內(nèi)容及其方法，然后對系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)處理中有關(guān)問題進行了詳細介紹和分析，最后得到JNCORS系統(tǒng)的測試結(jié)果。

CORS；網(wǎng)絡(luò)RTK；系統(tǒng)測試；GNSS

1 引 言

當(dāng)前衛(wèi)星定位技術(shù)正朝著實時、高精度、高可靠性的方向發(fā)展，隨著衛(wèi)星、無線通信、網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)的發(fā)展和融合，人類對網(wǎng)絡(luò)化的空間信息服務(wù)的需求也越來越迫切。為此，國內(nèi)外一些城市相繼建立了連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)(簡稱CORS)[1]。在這一背景下，濟南市開展了濟南連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)(JNCORS系統(tǒng))項目建設(shè)，項目于2007年12月建成并通過專家鑒定。

為客觀評價JNCORS系統(tǒng)的功能、精度及可靠性等指標，為系統(tǒng)投入使用做好準備，需要對系統(tǒng)的性能進行嚴格測試。本文就JNCORS系統(tǒng)性能測試的內(nèi)容、方法及測試數(shù)據(jù)處理等相關(guān)問題進行探討，并得出測試結(jié)論。

2 JNCORS系統(tǒng)概況

JNCORS系統(tǒng)共建設(shè)勘測院、商河、濟陽、齊河、章丘、平陰和柳埠7個基準站，相鄰站間距最長為79 km，最短為27 km，平均為50 km?；鶞收痉植记闆r如圖1所示。JNCORS系統(tǒng)各基準站使用新型接收機，可以同時接收GPS(包括L2C信號)和GLONASS衛(wèi)星信號，實現(xiàn)了衛(wèi)星定位系統(tǒng)由GPS向GNSS的轉(zhuǎn)變；采用扼流圈天線，滿足氣象和地震等部門的基準站網(wǎng)建設(shè)規(guī)范，部分基準站可升級為國家級的GNSS跟蹤站、國家地殼形變監(jiān)測的基準站；數(shù)據(jù)中心采用虛擬參考站技術(shù)的GPSNet；實時動態(tài)用戶采用GPRS/CDMA與數(shù)據(jù)中心連接。

3 系統(tǒng)測試方案

自2007年10月完成設(shè)備安裝與調(diào)試、平面與高程聯(lián)測等工作后，JNCORS系統(tǒng)進入測試和試運行階段。為全面、客觀地評價系統(tǒng)的性能、精度和可靠性等指標，組織了JNCORS系統(tǒng)測試工作。測試工作主要內(nèi)容包括系統(tǒng)功能和連續(xù)自動運行能力、定位精度、系統(tǒng)可用性、定位時效性、接收機兼容性等[2，3]。其中，系統(tǒng)功能和連續(xù)自動運行能力和時間可用性兩項指標通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心軟件統(tǒng)計得到，其余各項指標均需外業(yè)實測。

為反映在不同地域分布定位結(jié)果精度情況，JNCORS系統(tǒng)RTK定位測試共在系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)外有選擇地布測了37個點位。其中，按照地形分，市區(qū)及北部平原選擇23點，南部丘陵、山區(qū)選擇14個點；按照系統(tǒng)覆蓋范圍分，網(wǎng)內(nèi)選取17個點，網(wǎng)外 20 km范圍內(nèi)選擇16個點、網(wǎng)外20 km～50 km選擇4個點，最遠點為網(wǎng)外50 km的國家B級GPS點1 526。

圖1 JNCORS系統(tǒng)站址公布圖

4 系統(tǒng)測試及數(shù)據(jù)處理

4.1 定位精度測試

RTK定位精度測試使用三腳架，在每個點位上測量兩次，兩次測量均進行了獨立初始化。數(shù)據(jù)采樣率為1 s，得到固定解后開始連續(xù)采集數(shù)據(jù)，每次采集30個歷元數(shù)據(jù)。

(1)RTK定位內(nèi)符合精度

內(nèi)符合精度是單次觀測值均方根誤差，可以反映定位結(jié)果的收斂情況。其計算公式如下:

式中:MX為系統(tǒng)X方向內(nèi)符合精度，反映系統(tǒng)實時定位的穩(wěn)定性。n為測量值總數(shù)；△X為測點測試值與相應(yīng)測試平均值的差值。

按照上述計算方法，JNCORS系統(tǒng)RTK定位測試點位內(nèi)符合精度如表1所示。

RTK實時定位內(nèi)符合精度統(tǒng)計表(cm) 表1

從表1中可以看出，JNCORS系統(tǒng)在網(wǎng)內(nèi)、網(wǎng)外(50 km范圍內(nèi))內(nèi)符合精度沒用明顯差別，且不隨距離變化而明顯變化。點位內(nèi)符合精度(絕對值)在不同區(qū)間分布圖如圖2所示。

圖2 內(nèi)符合精度在不同區(qū)間分布圖

由公式(1)計算，JNCORS系統(tǒng)RTK測量的內(nèi)符合精度為:X方向±0.6 cm，Y方向±0.8 cm，H方向±1.5 cm。

(2)RTK定位外符合精度

外符合精度與點位精度、轉(zhuǎn)換參數(shù)精度、系統(tǒng)定位精度三者有關(guān)。計算外符合精度公式如下:

其中:τ為系統(tǒng)X方向外符合精度，θ為測試點測量值與已知值之差，n為測試點數(shù)。

本次RTK定位測試外符合精度統(tǒng)計方法為:首先計算各測點WGS－84坐標平均值，通過坐標轉(zhuǎn)換獲得其1980西安坐標系平面坐標，采用濟南市似大地水準面精化成果內(nèi)插得到各點高程，由公式(2)計算得到各測點1980西安坐標系下外符合精度。各測試點坐標與已知值差值統(tǒng)計結(jié)果見表3，在不同區(qū)間分布圖如圖3所示。

1980西安坐標系測試值與已知值差值表(cm) 表3

圖3 1980西安坐標系外符合精度不同區(qū)間分布圖

按照上述外符合精度統(tǒng)計方法，JNCORS系統(tǒng)1980西安坐標系外符合精度:X方向為±1.4 cm，Y方向為±1.4 cm，H方向(正常高)為±2.1 cm。

(3)事后精密定位測試分析

事后精密定位精度測試將章丘、齊河、濟陽和柳埠4個基準站站作為已知點，將勘測院基準站作為未知點，下載上述 5個基準站原始數(shù)據(jù)聯(lián)合處理，解算KCYRS站坐標計算其外符合精度。

各基準站設(shè)置相同，衛(wèi)星截止高度角為10°，數(shù)據(jù)采樣間隔為15 s，觀測時段數(shù)為3個，觀測時間為8 h；基線處理和網(wǎng)平差計算采用GAMIT/GLOBK軟件；數(shù)據(jù)處理工作由國家測繪局大地測量數(shù)據(jù)處理中心完成。根據(jù)數(shù)據(jù)處理報告，KCYRS基準站外符合精度平面優(yōu)于1 mm，高程優(yōu)于2 mm。

3.2 其他方面測試統(tǒng)計

(1)系統(tǒng)功能和連續(xù)自動運行能力測試

系統(tǒng)功能和連續(xù)自動運行能力測試內(nèi)容包括基站性能測試，主要包括設(shè)備檢查、數(shù)據(jù)傳輸、UPS維持時間、自動運行能力；控制中心功能性測試，主要包括設(shè)備檢查、軟件檢查、UPS維持時間、自動運行能力、控制中心系統(tǒng)軟件的初始化時間和遠程基準站管理功能等；網(wǎng)絡(luò)性能測試，主要包括數(shù)據(jù)傳輸延遲、網(wǎng)絡(luò)的丟包數(shù)、基準站到控制中心的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度、網(wǎng)絡(luò)傳輸不間斷性。

通過JNCORS系統(tǒng)近5個月的運行表明，系統(tǒng)軟硬件設(shè)備運行穩(wěn)定、可靠，數(shù)據(jù)通信暢通、延遲小、丟包率低，且系統(tǒng)具有良好的自動運行能力和容錯能力。

(2)動態(tài)測試

車載動態(tài)測試采用吸頂盤將天線固定在車頂，接收機采用Trimble R8，設(shè)置為連續(xù)記錄模式，數(shù)據(jù)采樣間隔設(shè)為1 s，記錄車輛的運行軌跡。數(shù)據(jù)分析表明:在京福高速上(行進中無遮擋)，車速在100 km/h以內(nèi)時，RTK固定解能長時間穩(wěn)定保持；車速在 100 km/h～110 km/h時，RTK固定解能長時間保持，偶爾出現(xiàn)丟失固定解情況；車速超過 110 km/h時，RTK固定解不能很好保持。在104國道及其他省道上(行進中部分遮擋)，車速小于80 km/h情況下，只要能接收到5顆以上衛(wèi)星，能較快得到RTK固定解。

(3)空間、時間可用性統(tǒng)計

根據(jù)車載動態(tài)測試及RTK定位測試結(jié)果表明，在市域內(nèi)只要接收到5顆以上的衛(wèi)星，均可快速獲得RTK固定解，可認為系統(tǒng)在濟南市域范圍內(nèi)空間覆蓋率達到100%(在移動通訊信號覆蓋前提下)。

系統(tǒng)時間可用性與所采用的定位技術(shù)和算法有關(guān)。當(dāng)由于衛(wèi)星運動、大氣變化等原因造成某時刻系統(tǒng)可用衛(wèi)星數(shù)達不到NetRTK定位服務(wù)所需的最少衛(wèi)星數(shù)時(JNCORS系統(tǒng)所要求的最少有效衛(wèi)星數(shù)是5顆)，系統(tǒng)將無法提供有效的定位服務(wù)。根據(jù)數(shù)據(jù)中心連續(xù)7 d統(tǒng)計結(jié)果表明，JNCORS系統(tǒng)24 h可用性為97.9%。

(4)定位時效性測試

系統(tǒng)定位服務(wù)的時效性，對于用戶而言就是實時定位所需的初始化時間。影響初始化時間的因素有觀測衛(wèi)星數(shù)、衛(wèi)星分布、測站與基準站距離和觀測環(huán)境等。

本次測試中，采用GPRS/CDMA方式定位從撥號到連上JNCORS系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的平均時間是50 s。從浮點解到固定解的初始化時間最長為 120 s，最短為6 s，平均為26 s。衛(wèi)星數(shù)較少、電離層較活躍時，初始化時間相對較長。

(5)接收機的兼容性測試

本次測試采用的接收機有Trimble 5800、R7、R8，Topcon Hiper，Leica SR530、GX1230，中海達V8，華測X90等。測試結(jié)果表明:JNCORS系統(tǒng)對目前國內(nèi)市場上的幾家主流廠商的GNSS接收機具有良好的兼容性，接收機只要支持Ntrip協(xié)議并兼容RTCM、CMR/ CMR＋數(shù)據(jù)格式，即可接入JNCORS系統(tǒng)。

4 結(jié) 論

CORS系統(tǒng)的各項指標是系統(tǒng)建設(shè)成功與否的重要指標，它關(guān)系到CORS統(tǒng)在實際應(yīng)用中能否提供可靠定位服務(wù)[4]。根據(jù)測試統(tǒng)計分析結(jié)果，JNCORS系統(tǒng)的各項技術(shù)指標均優(yōu)于系統(tǒng)設(shè)計要求，滿足高精度、連續(xù)、動態(tài)、實時的定位服務(wù)要求。

JNCORS系統(tǒng)為濟南市各行各業(yè)與地理空間信息有關(guān)的活動提供了先進的、統(tǒng)一的空間定位基準，將有效推進衛(wèi)星定位等新技術(shù)應(yīng)用的社會化、產(chǎn)業(yè)化進程，改善傳統(tǒng)的平面和高程測量作業(yè)模式，提高作業(yè)速度和作業(yè)效率，并產(chǎn)生極大的社會和經(jīng)濟效益。目前，該項目已廣泛應(yīng)用于城市測繪、濟南市第二次土地調(diào)查和房屋測繪測量等領(lǐng)域。同時，JNCORS系統(tǒng)還實時將GNSS數(shù)據(jù)傳輸至濟南市氣象局，用于大氣水汽含量監(jiān)測和天氣預(yù)報工作等工作。

[1]吳耀強，呂弋培，廖華.GPS/VRS衛(wèi)星定位服務(wù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與精度評定[J].測繪科學(xué)，2005，30(3)，75～77

[2]唐衛(wèi)明，樓益棟，劉暉等.GPS連續(xù)運行參考站系統(tǒng)定位精度檢測方法研究[J].通信學(xué)報，2006，27(8)，73～77

[3]王齊林.廣州市CORS系統(tǒng)的精度分析和應(yīng)用[J].全球定位系統(tǒng)，2007(5)

[4]吳俐民，陳云波，丁仁軍.昆明市連續(xù)運行GPS參考站系統(tǒng)的建設(shè)及應(yīng)用[J].城市勘測，2005(5):8～10

Test and Analysis on the Function of Jinan Continuous Operational Reference System

Liu ChengBao，Niu ShouMing，Liu XiCan
(Jinan Geotechnical Investigation and Surveying Research Institute，Jinan 250013，China)

This paper summarize the establishing of JNCORS，discusses the testing content and method of JNCORS，detailedly analyzed the result and correspond question of systerm testing，and the corresponding result are gained.

CORS；Network RTK；function testing；GNSS

1672－8262(2010)02－68－03

P228

A

2009—07—13

劉成寶(1980—)，男，工程師，現(xiàn)主要從事CORS系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用研究。