郭四清，張 丁

（1.廣州思拓力測繪科技有限公司，廣東 廣州 510670）

星基增強系統(tǒng)“中國精度”與CORS網(wǎng)的對比分析

郭四清1，張 丁1

（1.廣州思拓力測繪科技有限公司，廣東 廣州 510670）

隨著“數(shù)字城市”建設的進行，CORS網(wǎng)已經(jīng)成為城市空間數(shù)據(jù)基礎設施的重要組成部分，在高精度測量和位置服務中起到越來越重要的作用；而GNSS廣域差分星基增強系統(tǒng)卻沒有得到快速的發(fā)展和大量的應用，普及范圍遠遠不夠。在此背景下，介紹了中國首套GNSS廣域差分星基增強系統(tǒng)“中國精度”，并對比分析了“中國精度”（Atlas）與CORS的差異與協(xié)作等。

Atlas；中國精度；CORS；廣域差分星基增強系統(tǒng)；星鏈續(xù)航

從1999年深圳第一套CORS網(wǎng)開始建設，到現(xiàn)在全國大部分省市CORS網(wǎng)絡基本建成，特別是北斗時代的到來，各地新建和改建的北斗地基增強系統(tǒng)已經(jīng)非常普遍；同時，基于全球數(shù)據(jù)的星基增強系統(tǒng)也在快速發(fā)展中。這樣的兩個體系，從工作原理、使用范圍和便利程度，以及它們共同協(xié)作等方面，給我們的工作和應用帶來了巨大的變化。

1 兩個系統(tǒng)的差異

從工作原理上來看，這兩個系統(tǒng)的工作方式有很大的差異。

1）CORS網(wǎng)地基增強是采用CORS站的數(shù)據(jù)，利用“相關性”來求解構網(wǎng)，模擬一個區(qū)域內的GNSS信號和電離層、對流層的模型。對m級需求的位置服務，整個區(qū)域作RTD的數(shù)據(jù)輸出；對于cm級的高精度測繪需求，系統(tǒng)會根據(jù)用戶的單點定位位置，輸出一個虛擬的基站數(shù)據(jù)，用戶端接收機再和這個虛擬基站作“相關性”解算，得到cm級的高精度結果。這種服務對通信互聯(lián)網(wǎng)有較高的要求，整個數(shù)據(jù)交流都依賴于當?shù)氐墓W(wǎng)信號，在一些山區(qū)會有一定困難。

2）星基增強系統(tǒng)是利用全球布局的CORS站，通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡到星基增強數(shù)據(jù)中心，計算出3類廣域差分修正值，即每一顆GNSS衛(wèi)星的星歷改正、鐘差改正和電離層時間延遲改正等參數(shù)，然后通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡將這些差分信息上傳到專用的通信衛(wèi)星，通過L波段向地面?zhèn)鬏?，在客戶端終端接收該信號。根據(jù)相同的數(shù)據(jù)服務和接收機自身的數(shù)據(jù)，全球可實現(xiàn)m級、dm級、cm級的定位精度，這種服務對于山區(qū)、荒漠、海洋等沒有公網(wǎng)通信信號的區(qū)域，是非常有價值的。同時，由于有了“星鏈續(xù)航”功能與區(qū)域CORS網(wǎng)的配合，使得高精度需求的客戶徹底脫離了信號不良的狀態(tài)，可以更高效地進行工作。

2 GNSS廣域差分星基增強系統(tǒng)概述

2.1 系統(tǒng)構成

以“中國精度”Atlas為例，GNSS廣域差分星基增強系統(tǒng)由一個主控站（數(shù)據(jù)中心）、一個星鏈播發(fā)站（數(shù)據(jù)轉發(fā)站）、多個GNSS衛(wèi)星跟蹤站（又稱基準站或地面參考站）和監(jiān)測站、相應的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡和若干個用戶站組成，如圖1所示。

圖1 “中國精度”系統(tǒng)構成

1）數(shù)據(jù)中心。系統(tǒng)中最關鍵的是數(shù)據(jù)中心，通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡接收各跟蹤站傳輸?shù)腉NSS觀測數(shù)據(jù)和電離層時間延遲改正值，計算出3類廣域差分修正值，然后通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡將這些差分信息傳輸給差分信息播發(fā)站。

2）星鏈播發(fā)系統(tǒng)。由于廣域差分星基增強系統(tǒng)要求覆蓋面廣、傳輸?shù)男畔⒘看?，?shù)據(jù)中心傳輸和播發(fā)站向用戶站的差分信息傳播，須選用長波、衛(wèi)星通信。所以，數(shù)據(jù)通信具有數(shù)據(jù)量大、速度快、通信距離長、覆蓋面大等特點，目前大都是采用國際海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)（INMARSAT）。

3）衛(wèi)星跟蹤站。跟蹤站的任務是將其原始觀測數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和當?shù)仉婋x層時間延遲改正等各類數(shù)據(jù)實時地或準實時地傳輸至數(shù)據(jù)中心。

4）用戶站。用戶站是用戶測量時使用的GNSS接收機，需要有能夠接收L波段信號的能力和內置算法，能夠用廣域星基增強信號計算高精度單點位置。

2.2 系統(tǒng)的工作流程

廣域差分星基增強系統(tǒng)的工作流程為：

1）在已知精確地心坐標的若干個地面參考站上，跟蹤接收GNSS衛(wèi)星的廣播星歷、偽距、載波相位等信息；

2）將跟蹤站所獲得的信息，通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡傳輸至數(shù)據(jù)計算中心；

3）計算出相對于衛(wèi)星廣播星歷的衛(wèi)星軌道誤差改正、衛(wèi)星鐘差改正及電離層時間延遲改正；

4）將廣域差分改正信息值通過數(shù)據(jù)轉發(fā)站傳輸至地球同步衛(wèi)星，該同步衛(wèi)星以L1或L-band為載波，將上述差分改正信息當作導航電文傳輸至用戶站；

5）用戶站利用這些改正值的計算來改善GPS導航定位精度。

2.3 系統(tǒng)特點

1）由于數(shù)據(jù)傳輸鏈采用GPS L1或L-band載波頻率，因此用戶GPS接收機可以直接接收到廣域增強差分系統(tǒng)的差分改正信息，無需外加通信鏈。

2）同步衛(wèi)星信號的實時傳輸能力強，而且可以覆蓋很大的區(qū)域，從而較好地解決主控站與播發(fā)站、播發(fā)站與用戶站之間的數(shù)據(jù)傳輸問題。

2.4 系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

全球已經(jīng)建立起了多個廣域差分星基增強系統(tǒng)，建設比較早也比較完善的是美國WAAS系統(tǒng)。歐盟、澳大利亞、日本、印度和中國等國家也都陸續(xù)建立了自己的衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)[1]，如歐盟的EGNOS[2]、俄羅斯的SDCM、日本的MSAS以及印度的GAGAN，還有商用的星基增強系統(tǒng)OmniStar、Terrastar等。中國在2015-06-15發(fā)布了國內首個廣域差分星基增強系統(tǒng)——“中國精度”，國際命名為Atlas。

“中國精度”是覆蓋全球運營的星基增強服務系統(tǒng)[3]，GNSS用戶無需架設基準站，即可在全球任一地點任意時刻，體驗從亞m級、dm級到cm級不同層級的高精度定位增強服務?！爸袊取笔悄壳靶袠I(yè)內最靈活的高精度服務系統(tǒng)，通過L-band衛(wèi)星或者Internet網(wǎng)絡播發(fā)，為用戶提供不同精度層級的增強服務。“中國精度”采用分布于全球的近200個地面參考站，L-band衛(wèi)星可覆蓋南緯75°至北緯75°，覆蓋全球所有陸地區(qū)域，同時Internet網(wǎng)絡播發(fā)方式可覆蓋全球，如圖2所示。

“中國精度”在中國大陸信號非常好，服務方式非常靈活。近幾年，所有的客戶都可以享受“免費”的信號服務，這是國際上，高精度cm級服務中唯一的一家。中國自有的全球星基增強系統(tǒng)的出現(xiàn)，打破了國外的壟斷，為中國衛(wèi)星導航工業(yè)的發(fā)展和北斗走向世界，邁出了堅實的一步。

圖2 “中國精度”信號覆蓋范圍

3 廣域差分星基增強系統(tǒng)與CORS的對比分析

3.1 系統(tǒng)構成的不同

CORS可以定義為一個或若干個固定的、連續(xù)運行的GNSS參考站，是利用現(xiàn)代計算機、數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)（LAN/WAN）技術組成的網(wǎng)絡[4]，一般由基準站網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、定位導航數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)、用戶應用系統(tǒng)等部分構成，可以由省級或某測繪單位自己建設。

廣域差分星基增強系統(tǒng)構成見§2.1，系統(tǒng)要求有較好的軟硬件和高效率的通信設備，需要租用衛(wèi)星服務，因此投資、運行和維護費用相對來說比較高。

3.2 技術原理和精度的不同

GNSS廣域差分技術的基本思想是對GNSS觀測量的誤差源加以區(qū)分，并對每一個誤差源分別加以“模型化”[5]，然后將計算出的每個誤差源的誤差修正值（差分改正值），通過數(shù)據(jù)通信鏈傳輸給用戶，對用戶GNSS接收機的觀測值誤差加以改正，以達到降低這些誤差源的影響，改善用戶GNSS定位精度的目的。它削弱了基準站和用戶站之間對時空“相關性”的要求，是利用廣域差分數(shù)據(jù)的“直接定位”。

區(qū)域CORS網(wǎng)技術是在一定區(qū)域內建立多個連續(xù)運行參考站，對該地區(qū)構成網(wǎng)狀覆蓋[6]，以區(qū)域內的CORS物理站或者虛擬參考站相對于用戶終端作“相關性”結算，因為距離較近，收斂時間和精度都優(yōu)于廣域差分系統(tǒng)。

在北美、日本等國家都有免費的信號，現(xiàn)在的“中國精度”已經(jīng)覆蓋到全球，在中國大陸提供免費的信號?！爸袊取蹦壳坝?個層次的服務：Atlas、Atlas L1、Atlas local。3個都提供顛覆性的精度和開放式的合作經(jīng)營模式，但是精度對應不同的客戶群：Atlas為有高精度需求的客戶提供0.1 m定位精度；Atlas L1為有中低等精確度要求的客戶提供亞m級定位服務；Atlas Local通過衛(wèi)星接收播發(fā)RTK信號，為客戶提供cm級精度定位服務。

“中國精度”的硬件產品，支持各種接收機GNSS多功能智能定位終端，支持GPS、GLONASS、BeiDou；可播發(fā)標準RTCM“中國精度”差分數(shù)據(jù)。

3.3 工作方式和覆蓋范圍的差異

1）廣域差分星基增強系統(tǒng)解決了對GSMGPRS公共網(wǎng)絡和Internet的依賴，直接從衛(wèi)星L波段播發(fā)，滿足在無人區(qū)、遠海地區(qū)的差分需求。除了通過L波段播發(fā)外，還具有網(wǎng)絡服務器接入端口。而CORS則完全依賴GSMGPRSInternet向用戶傳輸數(shù)據(jù)，若網(wǎng)絡覆蓋不到或網(wǎng)絡信號出現(xiàn)問題，則無法高精度作業(yè)。

2）廣域差分星基增強系統(tǒng)的地面觀測站的間距比區(qū)域CORS站大很多，是從宏觀上去計算衛(wèi)星的誤差。系統(tǒng)的作用覆蓋區(qū)域可以擴展到全球，覆蓋一些困難地區(qū)，如遠洋、沙漠等[7]。而CORS系統(tǒng)一般要求基站間距在40～100 km之間，用戶只有在網(wǎng)內（網(wǎng)外很小范圍），才能保證cm級的精度。

3.4 收斂時間和精度情況

“中國精度”在廣州、三沙、北京、青海、安徽、黑龍江、河南等地作了大量的測試工作，得到的收斂時間一般為20 min左右。表1為其中10次測試的結果。

表1 “中國精度”收斂時間

圖3為測試之一，收斂時間為18 min；收斂后的精度一般為6～8 cm，其中一次測試結果如圖4所示。

3.5 在實際應用中的優(yōu)劣勢分析

雖然“中國精度”此類星基增強系統(tǒng)具有良好的信號覆蓋，可以不依賴通信公網(wǎng)，在山區(qū)、荒漠、海洋有較好的應用，在普通的地區(qū)也能達到5～12cm的精度，但收斂時間和精度，目前還是不能和區(qū)域CORS網(wǎng)相比，區(qū)域的CORS網(wǎng)可以達到2～5 cm，收斂速度也快得多。

圖3 “中國精度”測試

“中國精度”在已建好CORS網(wǎng)、公網(wǎng)信號也很好的地區(qū)，是否沒有應用意義呢？“中國精度”的一項特殊功能“星鏈續(xù)航”，徹底解決了這個問題，它能夠使區(qū)域的CORS網(wǎng)和廣域的星基增強系統(tǒng)相互彌補，如圖5所示。

圖4 “中國精度”誤差圖

圖5 “星鏈續(xù)航”與CORS模式的差異

在CORS系統(tǒng)的工作模式下，由于需要作“相關性”解算，對差分數(shù)據(jù)的時效性要求非常高，當基站數(shù)據(jù)丟失或者CORS網(wǎng)的信號中斷時，定位的解算雖然有一定的外推功能，但基本上都在幾個歷元后就發(fā)散了。在實際工作中，十幾秒以后，精度基本上都在dm級甚至m級了。

“星鏈續(xù)航”把從“中國精度”衛(wèi)星中得到的廣域差分信號和利用“相關性”解算的算法結合起來，在丟失基站和CORS網(wǎng)的信號后，利用星基增強的信號來擴展“相關性”的外推時間，保持原有精度2～5 cm，長達30～40 min，這個時間內測量人員感覺不到基站數(shù)據(jù)的丟失或CORS網(wǎng)信號的中斷。如果40 min后，信號還不能恢復，則精度回到廣域星基增強的精度，這種珠聯(lián)璧合的配合，是區(qū)域CORS技術和廣域星基增強技術的完美結合。圖6為測試人員在海南進行測試。

圖6 測試人員海南測試

4 結 語

從目前已經(jīng)較為成熟的CORS網(wǎng)技術發(fā)展到“中國精度”此類更加宏觀的廣域差分星基增強系統(tǒng)，提供位置服務的手段越來越多樣化?！爸袊取钡摹靶擎溊m(xù)航”功能使得星基增強信號和區(qū)域CORS信號同時聯(lián)手作用于接收機，在一定區(qū)域的工作中，幾乎完全避免了高精度的丟失，提高了作業(yè)效率。

從本文中也可以看到，“中國精度”接收機的精度和收斂時間，在各地的測試中達到了預先設定的精度，由于星基增強信號是從衛(wèi)星到接收機，可以不依賴公網(wǎng)信號，徹底解決了山區(qū)、荒漠、海洋等地區(qū)沒有公網(wǎng)信號的難題，給用戶端帶來了非常簡便的工作方式?！爸袊取苯邮諜C在各種位置服務，特別是高精度定位中，應用簡便、高效，應該在更多的領域發(fā)揮更大的作用，“中國精度”在應急測繪、全球測圖、一路一帶工作中，應該大力推廣。

[1] 宋煒琳,譚述森.WAAS技術現(xiàn)狀與發(fā)展[J].無線電工程,2007(6)∶1-3

[2] 徐楨,劉強.衛(wèi)星導航區(qū)域增強系統(tǒng)的應用與發(fā)展[C]//第三屆中國智能交通年會論文集.南京∶東南大學出版社,2007

[3] Leiphone.首個國產星基增強服務系統(tǒng)“中國精度”正式提供服 務[EB/OL].http∶//www.gisempire. com/news/343.html, 2015-06-20/2016-03-01

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[5] 馮貴年,楊久龍.廣域差分GPS系統(tǒng)和廣域差分增強系統(tǒng)[C]//中國空間科學學會.中國空間科學學會空間探測專業(yè)委員會第十七次學術會議論文集.北京∶中國空間科學學會,2004

[6] 丁玉平,許友清.區(qū)域CORS系統(tǒng)的定位精度分析[J].測繪通報,2011(3)∶86-88

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郭四清，廣州思拓力測繪科技有限公司董事長，主要研究方向為GNSS高精度裝備的研制。

2016-04-13。