劉全海,王琰開(kāi)(1．常州市測(cè)繪院,江蘇常州 213003; 2．常州市地理信息智能技術(shù)中心,江蘇常州 213003)

采用融合升級(jí)方法的CZCORS北斗增強(qiáng)系統(tǒng)建立與測(cè)試

劉全海1,2?,王琰開(kāi)1,2
(1．常州市測(cè)繪院,江蘇常州 213003; 2．常州市地理信息智能技術(shù)中心,江蘇常州 213003)

摘 要:以常州市連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(CZCORS)為基礎(chǔ),采用融合升級(jí)的方法建立了北斗增強(qiáng)系統(tǒng),從時(shí)間和空間可用性、定位時(shí)效性、定位精度等幾個(gè)方面對(duì)北斗增強(qiáng)系統(tǒng)和原有雙星系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。結(jié)果顯示北斗增強(qiáng)系統(tǒng)可以顯著提高CZCORS的時(shí)間和空間可用性,特別是每日11:00～16:00電離層活躍時(shí)段及有高大建筑、樹(shù)木等遮擋的觀測(cè)條件下。同時(shí),北斗增強(qiáng)系統(tǒng)可以提升定位速度約10%,但定位精度略有下降。

關(guān)鍵詞:CORS；北斗增強(qiáng)系統(tǒng)；融合升級(jí)

1　引 言

城市CORS作為現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系的重要組成部分,在大地測(cè)量、工程測(cè)量和城市地理信息系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1]。近十年來(lái),國(guó)內(nèi)許多城市都建立起了基于GPS單星或GPS/ GLONASS雙星的CORS系統(tǒng)。CZCORS于2006年建成[2],截至目前共包含10個(gè)基準(zhǔn)站。

隨著我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速發(fā)展,建立能兼容北斗衛(wèi)星的CORS系統(tǒng)從而提高測(cè)繪產(chǎn)業(yè)效率、推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí),進(jìn)而減少對(duì)GPS衛(wèi)星的依賴已經(jīng)成為必然趨勢(shì)[3,4]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)一些省市已開(kāi)始啟動(dòng)相關(guān)項(xiàng)目,上海市于2012年底完成了北斗CORS應(yīng)用示范項(xiàng)目[5],廣東省于2012年6月啟動(dòng)了廣東省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目,湖北省于2012 年11月啟動(dòng)了北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目,并于2013年2月完成。

常用的北斗增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)方法有兩種,第一種是在各基準(zhǔn)站新增一套接收機(jī),并增加一套服務(wù)器系統(tǒng)和一個(gè)數(shù)據(jù)播發(fā)端口,該方法實(shí)際是建立一套獨(dú)立于原有系統(tǒng)的新系統(tǒng),兩套系統(tǒng)并行,上海市、重慶市建立的北斗增強(qiáng)系統(tǒng)均采用此方法。另一種方法是直接對(duì)原有CORS系統(tǒng)進(jìn)行融合升級(jí),該方法可以充分利用原有資源,從而降低建設(shè)成本,CZCORS北斗增強(qiáng)系統(tǒng)的建設(shè)采用此方法進(jìn)行。

2　CZCORS北斗增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)

對(duì)CZCORS系統(tǒng)進(jìn)行融合升級(jí)主要包括基準(zhǔn)站接收機(jī)升級(jí)、控制中心數(shù)據(jù)處理軟件升級(jí)和流動(dòng)站接收機(jī)升級(jí)三個(gè)方面的工作。

2．1基準(zhǔn)站接收機(jī)

將CZCORS基準(zhǔn)站采用的徠卡GR10型接收機(jī)的固件升級(jí)至3．1版本,使系統(tǒng)支持北斗衛(wèi)星的解算,并可以發(fā)送包含北斗衛(wèi)星改正數(shù)的RTCM3．2(MSM) /徠卡4G兩種差分信號(hào)。其中RTCM3．2(MSM)為通用格式,任何品牌的GNSS接收機(jī)只要支持此格式均可接入CZCORS進(jìn)行三星定位。

2．2控制中心數(shù)據(jù)處理軟件

將基準(zhǔn)站網(wǎng)軟件GNSS Spider升級(jí)至4．2．1版本,使系統(tǒng)可以對(duì)基準(zhǔn)站接收到的北斗衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行處理并播發(fā)給實(shí)時(shí)定位用戶使用,升級(jí)后的GNSS Spider軟件如圖1所示。

圖1　GNSS Spider軟件

上圖中可以查看各基準(zhǔn)站接收衛(wèi)星信號(hào)的情況(G、R、C分別代表GPS、GLONASS、北斗衛(wèi)星),包括衛(wèi)星的信噪比、高度角和方位角等信息。

2．3流動(dòng)站接收機(jī)

將支持北斗衛(wèi)星的徠卡GS15型接收機(jī)的固件升級(jí)至5．61版本,使流動(dòng)站支持北斗、GPS、GLONASS衛(wèi)星的任意組合定位。同時(shí),GS15型接收機(jī)支持單北斗系統(tǒng)定位,這是目前除徠卡外其他任何廠商的GNSS接收機(jī)都不具備的功能。流動(dòng)站GS15型接收機(jī)在手簿上可進(jìn)行衛(wèi)星系統(tǒng)的選擇(如圖2所示),查看各衛(wèi)星系統(tǒng)的星座分布(如圖3所示)。

圖2　GS15型接收機(jī)衛(wèi)星系統(tǒng)選擇

圖3　GS15型接收機(jī)衛(wèi)星星座分布

3　系統(tǒng)測(cè)試與分析

為了全面評(píng)定北斗衛(wèi)星在CZCORS系統(tǒng)中的作用,采用徠卡GS15型接收機(jī)對(duì)新建成的北斗增強(qiáng)系統(tǒng)和原有雙星系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試,測(cè)試主要從定位時(shí)效性(即初始化時(shí)間)、空間可用性、時(shí)間可用性、內(nèi)符合精度和外符合精度幾個(gè)方面進(jìn)行[6]。

具體測(cè)試方法為在常州市域選取8個(gè)精密導(dǎo)線點(diǎn)(其中A058位于大樹(shù)下、A062位于房角、A086位于高架路旁,A091兩個(gè)方向有高樓遮擋,其余4個(gè)點(diǎn)觀測(cè)條件良好),在每個(gè)點(diǎn)位上分上午(8:00～10:00)、中午(11:00～13:00)、下午(14:00～16:00)三個(gè)時(shí)段進(jìn)行觀測(cè),采樣率為1 s。每次從開(kāi)機(jī)到獲得固定解的時(shí)間即為初始化時(shí)間,當(dāng)?shù)玫焦潭ń夂箝_(kāi)始記錄測(cè)量結(jié)果,連續(xù)記錄30個(gè)歷元作為一個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù),共重復(fù)3次。測(cè)試過(guò)程中記錄點(diǎn)名、初始化時(shí)間、衛(wèi)星顆數(shù)(北斗、GPS、GLONASS)、觀測(cè)環(huán)境等必要信息。

3．1空間和時(shí)間可用性、定位時(shí)效性

各測(cè)試點(diǎn)在三個(gè)時(shí)段的初始化時(shí)間如表1所示。

測(cè)試點(diǎn)初始化時(shí)間 表1

從表1中可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)在無(wú)高大建筑、樹(shù)木等遮擋的觀測(cè)條件理想?yún)^(qū)域,北斗增強(qiáng)系統(tǒng)相比原有雙星系統(tǒng)在空間和時(shí)間可用性上并不存在明顯的提升。

(2)在有高大建筑、樹(shù)木等遮擋的觀測(cè)條件不理想?yún)^(qū)域,北斗增強(qiáng)系統(tǒng)的空間可用性得到了一定的提升,具體表現(xiàn)為在A058和A062兩個(gè)測(cè)試點(diǎn),用北斗增強(qiáng)系統(tǒng)可以獲得固定解,而雙星系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

(3)在觀測(cè)條件不理想的區(qū)域,北斗增強(qiáng)系統(tǒng)的時(shí)間可用性得到了一定的提升,具體表現(xiàn)為采用北斗增強(qiáng)系統(tǒng)不論是在上午、中午還是下午都可以獲得固定解,而原有雙星系統(tǒng)在11:00～16:00電離層較為活躍的時(shí)段往往無(wú)法獲得固定解。

(4)在任意測(cè)試點(diǎn)上北斗增強(qiáng)系統(tǒng)的初始化時(shí)間都比雙星系統(tǒng)短,除去雙星系統(tǒng)無(wú)法固定的2個(gè)測(cè)試點(diǎn),其余6個(gè)測(cè)試點(diǎn)北斗增強(qiáng)系統(tǒng)平均初始化時(shí)間為31 s,雙星系統(tǒng)為34 s,因此北斗增強(qiáng)系統(tǒng)的定位時(shí)效性優(yōu)于原有雙星系統(tǒng),提升幅度約為10%。

3．2內(nèi)符合精度

內(nèi)符合精度反映了系統(tǒng)實(shí)時(shí)定位結(jié)果的穩(wěn)定性與離散度,計(jì)算方法為首先將每一測(cè)試點(diǎn)所有測(cè)量值取平均值,再將該平均值與每一測(cè)量值求差,按下式分別計(jì)算系統(tǒng)在x、y、H方向的內(nèi)符合精度:

式中n為每一測(cè)試點(diǎn)的測(cè)量值總數(shù);△為測(cè)試點(diǎn)的測(cè)量值與平均值的差值;m為測(cè)試點(diǎn)的內(nèi)符合精度。

系統(tǒng)總體內(nèi)符合精度采用如下公式計(jì)算:

式中n為測(cè)試點(diǎn)總數(shù);mi為各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的內(nèi)符合精度;M為系統(tǒng)總體內(nèi)符合精度。各測(cè)試點(diǎn)內(nèi)符合精度如圖4所示(單位:mm)。

圖4　測(cè)試點(diǎn)x、y、U方向內(nèi)符合精度

從上圖可以看出,北斗增強(qiáng)系統(tǒng)在平面方向的內(nèi)符合精度與原有雙星系統(tǒng)相當(dāng),高程方向略低于雙星系統(tǒng),兩者的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

測(cè)試點(diǎn)內(nèi)符合精度統(tǒng)計(jì) 表2

北斗增強(qiáng)系統(tǒng)的總體內(nèi)符合精度在x、y、U方向上分別為6．3 mm、6．7 mm、12．9 mm,原有雙星系統(tǒng)為5．0 mm、5．1 mm、8．3 mm,因此得出結(jié)論,在可以獲得固定解的前提下,北斗增強(qiáng)系統(tǒng)的內(nèi)符合精度略低于原有雙星系統(tǒng)。

3．3外符合精度

外符合精度反映了測(cè)試點(diǎn)實(shí)時(shí)定位結(jié)果的準(zhǔn)確度,計(jì)算方法為將每一測(cè)試點(diǎn)所有測(cè)量值與已知坐標(biāo)和高程求差,再按下式分別計(jì)算測(cè)試點(diǎn)在x、y、U方向的外符合精度:

式中θ為測(cè)試點(diǎn)的測(cè)量值與已知坐標(biāo)之差;n為每一測(cè)試點(diǎn)測(cè)量值總數(shù);τ為測(cè)試點(diǎn)的外符合精度。

系統(tǒng)總體外符合精度采用如下公式計(jì)算:

式中n為測(cè)試點(diǎn)總數(shù);τi為各測(cè)試點(diǎn)的外符合精度;T為系統(tǒng)總體外符合精度。各測(cè)試點(diǎn)外符合精度如圖5所示(單位:mm)。

圖5　測(cè)試點(diǎn)x、y、U方向外符合精度

從上圖可以看出,北斗增強(qiáng)系統(tǒng)與原有雙星系統(tǒng)的外符合精度相當(dāng),兩者的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

北斗增強(qiáng)系統(tǒng)的總體外符合精度在x、y、U方向上分別為19．7 mm、20．3 mm、30．0 mm,原有雙星系統(tǒng)為15．9mm、17．2 mm、23．4 mm,因此得出結(jié)論,在可以獲得固定解的前提下,北斗增強(qiáng)系統(tǒng)的外符合精度略低于原有雙星系統(tǒng)。

4　結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了在常州市建立CZCORS北斗增強(qiáng)系統(tǒng)所采用的融合升級(jí)方法,該方法充分利用既有資源,投入成本小,升級(jí)方法簡(jiǎn)單,具有較強(qiáng)的實(shí)用性,為其他城市建立CORS北斗增強(qiáng)系統(tǒng)提供了一定的參考和借鑒。

對(duì)CZCORS北斗增強(qiáng)系統(tǒng)和原有雙星系統(tǒng)進(jìn)行的對(duì)比測(cè)試顯示,北斗衛(wèi)星對(duì)于CORS最大的貢獻(xiàn)在于時(shí)間和空間可用性的顯著提升,即北斗增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在每日11:00～16:00電離層活躍時(shí)段及有高大建筑、樹(shù)木等遮擋的觀測(cè)條件下的高精度定位,這是原有雙星系統(tǒng)所不具備的。

通過(guò)對(duì)比測(cè)試,同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)北斗增強(qiáng)系統(tǒng)可以將原有雙星系統(tǒng)的定位速度提升約10%,但定位精度卻略有下降,這可能與北斗在軌衛(wèi)星數(shù)量和衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量等有關(guān)。

參考文獻(xiàn)

[1] 汪偉,史廷玉,張志全．CORS系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展及展望[J]．城市勘測(cè),2010(3):45～47．

[2] 莊文彬,劉全海,謝中華．常州市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)及關(guān)鍵技術(shù)研究[J]．城市勘測(cè),2007(3): 13～16,31．

[3] 李作虎,楊強(qiáng)文,吳海玲等．北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展[J]．高科技與產(chǎn)業(yè)化,2014(10):59～65．

[4] 侯倩,蔣勇,李東?。畼?gòu)建北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)打造智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施[J]．衛(wèi)星應(yīng)用,2014(11):29～33．

[5] 林國(guó)利,張文言,於永東等．上海北斗連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(SHBD-CORS)的建設(shè)與精度測(cè)試[J]．測(cè)繪通報(bào), 2013(11):136～137．

[6] 張振軍,謝中華,馮傳勇．RTK測(cè)量精度評(píng)定方法研究[J]．測(cè)繪通報(bào),2007(1):26～28．

The Establishment and Test of Compass Enhancement System by Fusion Upgrade Method of CZCORS

Liu Quanhai1,2,Wang Yankai1,2
(1．Changzhou Surveying and Mapping Institute,Changzhou 213003,China; 2．Changzhou City Geographic Information Technology Center,Changzhou 213003,China)

Abstract:Based on the continuous operation reference station system of Changzhou City(CZCORS),a fusion method is used to establish the Compass enhancement system．A comparative test of the Compass enhancement system and the original system was conducted from the aspects of time and space availability,timeliness and positioning accuracy and the results show that the Compass enhancement system can significantly improve the time and space availability of CZCORS especially when the time is between 11:00am and 4:00pm daily when the ionosphere is active or the observation condition is poor where there are tall buildings and tree．At the same time,the Compass enhancement system can improve the positioning speed of about 10%,while the positioning accuracy is reduced slightly．

Key words:CORS;compass enhancement system;fusion upgrade

文章編號(hào):1672-8262(2015)05-91-04中圖分類號(hào):P228

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

收稿日期:?2015—06—29

作者簡(jiǎn)介:劉全海(1972—),博士,研究員級(jí)高級(jí)工程師,主要研究智慧城市及測(cè)繪科技管理等。

基金項(xiàng)目:住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(2013-K8-5);常州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(應(yīng)用基礎(chǔ)研究)(CJ20130038)