謝玉兵，王昌瀚，蔣明富

1.第四測(cè)繪導(dǎo)航基地，四川 成都，610036；2.重慶市勘測(cè)院，重慶，400100

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加密北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)測(cè)試與分析

謝玉兵1，王昌瀚2，蔣明富1

1.第四測(cè)繪導(dǎo)航基地，四川 成都，610036；2.重慶市勘測(cè)院，重慶，400100

加密“北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)”是在國(guó)家“北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)”標(biāo)準(zhǔn)下建立的局部“北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)”。本文以西部某市加密“北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)”為例，介紹了系統(tǒng)組成和基本要求，并對(duì)系統(tǒng)的定位精度、空間可用性、時(shí)間可用性和時(shí)效性進(jìn)行了全面測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了規(guī)范要求，特別是BDS+GPS組合較之傳統(tǒng)GPS增強(qiáng)系統(tǒng)有較大改善，體現(xiàn)了多系統(tǒng)融合的優(yōu)勢(shì)。

加密北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)；定位精度；空間可用性；時(shí)間可用性；時(shí)效性

1　引　言

“北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)”是由國(guó)家統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)的以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為主，兼容其他GNSS系統(tǒng)的地基增強(qiáng)系統(tǒng)。地面基準(zhǔn)站間距為50-300km，通過(guò)地面通信系統(tǒng)播發(fā)導(dǎo)航信號(hào)修正量和輔助定位信號(hào)，向用戶提供厘米級(jí)至亞米級(jí)精密導(dǎo)航定位和大眾終端輔助增強(qiáng)服務(wù)。

國(guó)家“北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)”建設(shè)的主要任務(wù)是完成1個(gè)綜合數(shù)據(jù)處理中心、1個(gè)備份數(shù)據(jù)中心和3個(gè)區(qū)域數(shù)據(jù)處理中心的建設(shè)，完成交通、測(cè)繪行業(yè)、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)和大眾應(yīng)用服務(wù)示范子系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)廣域、區(qū)域和輔助增強(qiáng)一體化集成服務(wù)，通過(guò)框架網(wǎng)和示范加密參考站的建設(shè)為全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)厘米級(jí)定位服務(wù)提供統(tǒng)一選點(diǎn)、統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設(shè)、驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)[1]。建設(shè)的主要目的是滿足用戶的高精度定位需求，促進(jìn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)鏈的形成。

加密“北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)”是指在國(guó)家“北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)”統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下建立的局部“北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)”。其目的是增強(qiáng)城市CORS網(wǎng)衛(wèi)星信號(hào)源，提高城市CORS網(wǎng)的定位精度和定位效率，為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用拓展空間。

2014年,西部某市根據(jù)國(guó)家“北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)”的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范建成了全國(guó)首個(gè)山地加密“北斗衛(wèi)星地基增強(qiáng)系統(tǒng)”。本文以該系統(tǒng)為例，闡述加密“北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)”的組成和基本要求，并對(duì)其主要性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試和分析，以期為其它地區(qū)建設(shè)加密“北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)”提供參考和數(shù)據(jù)支撐。

2　加密“北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)”組成和基本要求

2.1系統(tǒng)組成

加密“北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)”一般由北斗連續(xù)運(yùn)行參考站、控制中心、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和用戶應(yīng)用系統(tǒng)四部分組成。

北斗連續(xù)運(yùn)行參考站的選址要求類似于GPS參考站，考慮到該市各區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及建設(shè)需求，選定9個(gè)參考站，站間距最大為66km，最小為40km，平均站間距45km。其選址、基建、設(shè)備安裝符合相關(guān)規(guī)范要求。

控制中心是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)控制、監(jiān)控、接收、處理、發(fā)布和管理各個(gè)參考站的數(shù)據(jù)。其主要建設(shè)內(nèi)容包括基建施工、網(wǎng)絡(luò)接入、服務(wù)器與交換機(jī)等硬件設(shè)備的安裝調(diào)試以及控制中心軟件系統(tǒng)的安裝。

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要包括兩部分：一是參考站與控制中心的通訊；二是控制中心與流動(dòng)站的通訊。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)采用虛擬專用網(wǎng)絡(luò)，具有較高的獨(dú)立性，避免了系統(tǒng)受外部侵?jǐn)_，保證了控制中心與各參考站之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、安全性，為北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

用戶應(yīng)用系統(tǒng)采用Ntrip協(xié)議為GPRS/CDMA/3G無(wú)線上網(wǎng)用戶提供實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)服務(wù)，同時(shí)采用TCP/IP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了用戶靜態(tài)數(shù)據(jù)下載功能。此外，還開(kāi)發(fā)了流動(dòng)用戶端實(shí)時(shí)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，不但提高了作業(yè)效率，也為系統(tǒng)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2.2基本要求

加密“北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)”和城市CORS系統(tǒng)的要求基本一致，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1加密“北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)”主要技術(shù)指標(biāo)

項(xiàng) 目?jī)?nèi) 容技 術(shù) 指 標(biāo)覆蓋范圍網(wǎng)絡(luò)RTK網(wǎng)內(nèi)及網(wǎng)外30kmDGNSSGNSS網(wǎng)內(nèi)及網(wǎng)外100kmPPP不受限制系統(tǒng)精度動(dòng)態(tài)參考基準(zhǔn)地心坐標(biāo)的坐標(biāo)分量的絕對(duì)精度不低于0.05m基線向量的坐標(biāo)分量的相對(duì)精度不低于3×10-7網(wǎng)絡(luò)RTKDGNSS區(qū)域增強(qiáng)PPP廣域PPP水平≤3cm,垂直≤5cm(平原、丘陵),垂直≤8cm(山區(qū))30-50cm水平≤2-3cm;垂直≤5cm水平精度<10cm事后精密定位水平≤5mm,垂直≤10mm可用性定位95.0%(365天內(nèi));95.0%(1天內(nèi))完好性報(bào)警時(shí)間<6s誤報(bào)概率<0.3%

3　系統(tǒng)測(cè)試與分析

系統(tǒng)建成后，為了評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能和功能是否達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，參照文獻(xiàn)[2]-[5]的相關(guān)方法對(duì)系統(tǒng)的定位精度、空間可用性、時(shí)間可用性、時(shí)效性等指標(biāo)進(jìn)行了全面測(cè)試。

3.1動(dòng)態(tài)精度測(cè)試

(1)測(cè)試點(diǎn)選取

該市作為典型山地城市，區(qū)域內(nèi)高差變化大。針對(duì)這一特點(diǎn)，在網(wǎng)內(nèi)、網(wǎng)外分別選取30個(gè)和24個(gè)高等級(jí)控制點(diǎn)，各點(diǎn)均具有精確WGS-84大地坐標(biāo)系成果。測(cè)試點(diǎn)分布在具有地形代表性的位置，高程從188m到833m。

(2)測(cè)試方法

測(cè)量時(shí)每個(gè)測(cè)試點(diǎn)上進(jìn)行5次初始化，每次初始化連續(xù)記錄30組數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)內(nèi)符合精度，與已知成果比較并統(tǒng)計(jì)外符合精度。

(3)測(cè)試結(jié)果及統(tǒng)計(jì)分析

1)內(nèi)符合精度統(tǒng)計(jì)

系統(tǒng)內(nèi)符合精度反映系統(tǒng)定位結(jié)果的收斂情況，用于分析系統(tǒng)定位精度的穩(wěn)定性。本項(xiàng)測(cè)試使用南方S82C雙星接收機(jī)，在網(wǎng)內(nèi)和網(wǎng)外測(cè)試點(diǎn)上采用BDS+GPS組合定位方式，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量。

根據(jù)《衛(wèi)星定位城市測(cè)量技術(shù)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《衛(wèi)星定位規(guī)范》)中計(jì)算點(diǎn)位坐標(biāo)分量?jī)?nèi)符合中誤差和點(diǎn)位平面內(nèi)符合中誤差公式，計(jì)算網(wǎng)內(nèi)、網(wǎng)外內(nèi)符合精度，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示(其中，MX、MY為坐標(biāo)分量中誤差；MS為點(diǎn)位中誤差；MH為高程中誤差)。

表2網(wǎng)內(nèi)、網(wǎng)外測(cè)試點(diǎn)內(nèi)符合精度統(tǒng)計(jì)(單位：cm)

測(cè)試項(xiàng)目MXMYMSMH網(wǎng)內(nèi)0.740.721.031.62網(wǎng)外0.961.101.561.73整網(wǎng)0.840.901.281.63

由表2可看出，系統(tǒng)網(wǎng)內(nèi)、網(wǎng)外的內(nèi)符合精度均滿足《衛(wèi)星定位規(guī)范》中4.1.8條——城市CORS系統(tǒng)測(cè)試坐標(biāo)分量?jī)?nèi)符合中誤差不應(yīng)超過(guò)2cm的要求。

2)外符合精度統(tǒng)計(jì)

系統(tǒng)外符合精度反映了系統(tǒng)定位的準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)網(wǎng)內(nèi)和網(wǎng)外測(cè)試點(diǎn)采用BDS+GPS組合定位方式，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量，計(jì)算各點(diǎn)觀測(cè)坐標(biāo)與已知坐標(biāo)的較差，并計(jì)算系統(tǒng)外符合中誤差，具體結(jié)果如表3所示。

表3網(wǎng)內(nèi)、網(wǎng)外測(cè)試點(diǎn)外符合精度統(tǒng)計(jì)(單位：cm)

測(cè)試項(xiàng)目MXMYMSMH網(wǎng)內(nèi)0.880.932.041.28網(wǎng)外1.432.112.032.54整網(wǎng)1.151.552.041.93

由表3可看出，系統(tǒng)在網(wǎng)內(nèi)、網(wǎng)外的外符合精度滿足《衛(wèi)星定位規(guī)范》中城市CORS系統(tǒng)測(cè)試外符合中誤差不應(yīng)超過(guò)5cm的要求。

3)不同衛(wèi)星系統(tǒng)定位精度檢測(cè)

為了測(cè)試不同衛(wèi)星系統(tǒng)的定位精度，在網(wǎng)內(nèi)、網(wǎng)外分別選取5個(gè)測(cè)試點(diǎn)，分別采用單獨(dú)BDS、單獨(dú)GPS和BDS+GPS組合三種方式進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試點(diǎn)內(nèi)符合精度見(jiàn)表4，與已知點(diǎn)較差見(jiàn)表5。

表4不同衛(wèi)星系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果內(nèi)符合精度統(tǒng)計(jì)表(單位：cm)

序號(hào)點(diǎn)號(hào)內(nèi)符合精度(cm)BDSGPSBDS+GPSMSMHMSMHMSMH備注1g1721.852.580.961.651.572.76網(wǎng)內(nèi)2B0132.755.160.611.280.851.10網(wǎng)內(nèi)3g1390.831.611.281.520.721.29網(wǎng)內(nèi)4g2410.890.920.571.540.601.02網(wǎng)內(nèi)5g2170.410.700.470.740.440.52網(wǎng)內(nèi)6B0161.982.350.851.050.681.98網(wǎng)外2km7B0041.822.050.921.850.771.18網(wǎng)外13km8B0392.283.521.082.650.940.94網(wǎng)外33km9g0361.511.951.443.860.611.42網(wǎng)外36km10B0441.852.421.683.301.331.78網(wǎng)外50km

表5不同衛(wèi)星系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與已知成果較差統(tǒng)計(jì)表(單位：cm)

序號(hào)點(diǎn)號(hào)與已知點(diǎn)較差BDSGPSBDS+GPSMSMHMSMHMSMH備注1g1722.864.272.593.970.960.51網(wǎng)內(nèi)2B0132.513.330.553.430.691.65網(wǎng)內(nèi)3g1392.17-1.401.274.200.34-0.88網(wǎng)內(nèi)4g2411.91-1.161.442.541.181.50網(wǎng)內(nèi)5g2170.970.730.48-0.270.36-0.37網(wǎng)內(nèi)6B0161.952.331.822.020.551.76網(wǎng)外2km7B0041.85-4.082.01-3.991.57-3.98網(wǎng)外13km8B0392.95-3.023.12-3.552.20-3.00網(wǎng)外33km9g0362.22-0.751.26-0.071.411.92網(wǎng)外36km10B0444.887.575.688.554.96-2.28網(wǎng)外50km

結(jié)果表明：?jiǎn)为?dú)GPS內(nèi)符合精度優(yōu)于單獨(dú)BDS；BDS+GPS組合的內(nèi)符合、外符合精度均比單獨(dú)GPS和單獨(dú)BDS有較明顯提高。

3.2可用性測(cè)試

(1)空間可用性測(cè)試

系統(tǒng)空間可用性是指地基增強(qiáng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)定位服務(wù)有效覆蓋范圍。使用南方S82C雙星接收機(jī)，在網(wǎng)外不同距離的測(cè)試點(diǎn)上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量，測(cè)試點(diǎn)與最近基準(zhǔn)站距離最小為0.4km，最大為67.1km。

測(cè)試點(diǎn)點(diǎn)位較差與基準(zhǔn)站距離列于表6。其中，dX、dY為測(cè)試點(diǎn)坐標(biāo)分量已知值和觀測(cè)值的差值；dS為測(cè)試點(diǎn)點(diǎn)位已知值和每次觀測(cè)點(diǎn)位的差值；dh為測(cè)試點(diǎn)水準(zhǔn)高程和GNSS測(cè)量的高程的差值。繪制測(cè)試點(diǎn)定位精度與距離的關(guān)系圖，如圖1所示。

表6網(wǎng)外測(cè)試點(diǎn)定位精度與距離統(tǒng)計(jì)(單位：cm)

序號(hào)點(diǎn)號(hào)dXdYdSdh距離(km)01g290-0.240.780.820.360.402g3200.6-0.871.062.341.003g032-0.42-0.210.47-1.491.104B016-0.27-0.510.581.152.205B0070.09-1.261.261.362.606g035-1.62-0.781.80-2.278.907B004-0.121.561.57-3.9812.808g3230.150.930.940.3613.409g016-1.980.692.101.5713.610國(guó)梁0.18-0.600.632.5016.111g0380.06-1.591.59-2.0118.812g3140.42-1.081.160.8221.713g015-0.390.120.412.7223.214g011-0.42-0.720.832.4530.715B0062.580.302.60-1.0732.416B0390.90-2.012.20-3.0033.417g0400.03-0.210.211.8434.418g036-0.64-1.251.411.9235.919B0521.710.301.741.5536.120B044-2.822.864.02-2.2849.821g0534.06-6.507.664.9253.422g0475.38-7.549.2612.867.1

圖1　網(wǎng)外測(cè)試點(diǎn)定位精度與距離關(guān)系圖

結(jié)果表明：1)在網(wǎng)外距離最近基準(zhǔn)站不大于50km的測(cè)試點(diǎn)上都能進(jìn)行正常的網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量，且定位精度滿足規(guī)范要求；2)在測(cè)試點(diǎn)g053與g047上雖然能夠獲得固定解，但是通過(guò)與測(cè)試點(diǎn)已知成果進(jìn)行比較，較差超過(guò)規(guī)范要求的5cm限差。

(2)時(shí)間可用性測(cè)試

此項(xiàng)測(cè)試在該市二等平面控制點(diǎn)上進(jìn)行，連續(xù)觀測(cè)24個(gè)小時(shí)，采樣率為1s，統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)時(shí)間可用性的精度指標(biāo)和數(shù)量指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7時(shí)間可用性測(cè)試結(jié)果

指標(biāo)平面高程指標(biāo)值滿足精度要求的歷元數(shù)8397681239實(shí)際觀測(cè)歷元數(shù)85064實(shí)際觀測(cè)歷元數(shù)8506485064理論觀測(cè)歷元數(shù)86400精度指標(biāo)98.7%95.5%數(shù)量指標(biāo)98.5%

由表7可以看出，無(wú)論是精度指標(biāo)還是數(shù)量指標(biāo)，均能夠滿足規(guī)范要求的95%，表明系統(tǒng)性能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

(3)環(huán)境可用性測(cè)試

該市作為典型的山地城市，在高山峽谷及城市建筑密集區(qū)定位困難，為了測(cè)試該市北斗衛(wèi)星地基增強(qiáng)系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下的定位能力，采用S82C接收機(jī)在建筑密集區(qū)和有樹(shù)木遮擋的定位困難區(qū)域進(jìn)行測(cè)試。

經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在衛(wèi)星高度角大于30°時(shí)，北斗衛(wèi)星一般有6-7顆，GPS衛(wèi)星一般有4-5顆。使用單獨(dú)GPS需要10多分鐘才能獲得固定解，有時(shí)甚至不能獲得固定解，采用BDS+GPS組合定位一般需2-5分鐘可以獲得固定解。

3.3時(shí)效性測(cè)試

系統(tǒng)的定位服務(wù)時(shí)效性就是流動(dòng)用戶端在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量時(shí)的初始化時(shí)間。采用S82C接收機(jī)，在每個(gè)測(cè)試點(diǎn)上，分別采用單獨(dú)BDS、單獨(dú)GPS及BDS+GPS組合三種方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量，每種測(cè)量方式初始化5次，并分別記錄初始化時(shí)間，結(jié)果詳見(jiàn)表8。

表8不同衛(wèi)星系統(tǒng)初始化時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

序號(hào)點(diǎn)號(hào)初始化時(shí)間(s)BDSGPSBDS+GPS備注1B01312135網(wǎng)內(nèi)2g13916188網(wǎng)內(nèi)3g24123259網(wǎng)內(nèi)4g21720244網(wǎng)內(nèi)5B00112185網(wǎng)內(nèi)6g036191512網(wǎng)外7B044222713網(wǎng)外8g053263011網(wǎng)外9g047202218網(wǎng)外10B039212513網(wǎng)外

測(cè)試結(jié)果表明：BDS和GPS初始化時(shí)間大致相同，BDS+GPS組合方式初始化時(shí)間明顯降低。

4　結(jié)束語(yǔ)

加密北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在高山峽谷、城市密集區(qū)等惡劣環(huán)境下的快速、準(zhǔn)確定位，定位精度可達(dá)毫米級(jí)，已陸續(xù)應(yīng)用于城市規(guī)劃、工程建設(shè)、智慧城市等領(lǐng)域。特別是采用BDS+GPS組合方式，在動(dòng)態(tài)定位精度、有效服務(wù)范圍、初始化時(shí)間等關(guān)鍵指標(biāo)明顯優(yōu)于單BDS或單GPS定位，體現(xiàn)了多系統(tǒng)多模融合的技術(shù)先進(jìn)性。

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷發(fā)展和成熟，它將成為一個(gè)由35顆衛(wèi)星、地面站和各類用戶終端構(gòu)成的大型航天系統(tǒng)，從以衛(wèi)星為核心向以系統(tǒng)為核心，從面向行業(yè)用戶向大眾用戶轉(zhuǎn)型，開(kāi)啟我國(guó)航天事業(yè)的新征程，并將對(duì)維護(hù)我國(guó)國(guó)家安全、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)科技文化全面發(fā)展提供重要保障。

[1]陳伏州. 關(guān)于我國(guó)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展的思考[J]. 數(shù)字通信世界，2013(8)：24-27.

[2]林國(guó)利. 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)：38-40.

[3]祁芳. CORS系統(tǒng)中RTK作業(yè)的質(zhì)量控制方法研究[J].城市勘測(cè)，2008(4)：66-69.

[4]夏立福. 城市CORS系統(tǒng)檢測(cè)及定位精度的可靠性研究[J].測(cè)繪與空間地理信息，2013，36(4)：93-95.

[5]龔真春. GPS CORS系統(tǒng)實(shí)時(shí)定位精度檢測(cè)方法探討[J].測(cè)繪與空間地理信息，2011，34(3)：88-90.

Tests and Analysis of the Densified BeiDou Ground-based Augmentation System

Xie Yubing1, Wang Changhan2, Jiang Mingfu1

1. The Fourth Surveying, Mapping & Navigation Base, Chengdu 610036, China 2. Chongqing Prospecting Institute, Chongqing 400100, China

Densified BeiDou ground-based augmentation system is a local BeiDou ground-based augmentation system, which is established according to the unified national standards for augmentation system. Taking the system in a western city as an example, the components and requirements are introduced and the positioning accuracy, space availability, time availability and timeliness standards are verified. The results indicate that performance indexes of the system can satisfy the related demands of the national standards. Especially, the BDS and GPS combination augmentation system has achieved greater improvement compared with the traditional GPS augmentation system.

densified BeiDou ground-based augmentation system; positioning accuracy; space availability; time avail-ability; timeliness

2015-09-16。

謝玉兵(1968—)，男，高級(jí)工程師，主要從事大地測(cè)量與測(cè)量工程研究。

P228

A