劉文建，鄒 璇

（1.武漢大學(xué) 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430079；2.廣東省國(guó)土資源測(cè)繪院，廣東 廣州 510500）

廣東省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的建立與性能分析

劉文建1,2，鄒 璇1

（1.武漢大學(xué) 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430079；2.廣東省國(guó)土資源測(cè)繪院，廣東 廣州 510500）

探討了廣東省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的建立方法與流程，并對(duì)系統(tǒng)定位性能進(jìn)行了全面的測(cè)試。結(jié)果表明，北斗、GPS、GLONASS三大系統(tǒng)融合服務(wù)穩(wěn)定、可靠、可用性高，可向用戶提供實(shí)時(shí)cm級(jí)、亞m級(jí)和1 m級(jí)導(dǎo)航定位服務(wù)。

GDCORS；北斗；地基增強(qiáng)系統(tǒng)；精密定位服務(wù)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）是我國(guó)正在實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)是建成獨(dú)立自主、開放兼容、技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定可靠的覆蓋全球的BDS，形成完善的國(guó)家衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)支撐、推廣和保障體系，推動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航在國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)各行業(yè)的廣泛應(yīng)用[1-2]。

當(dāng)前，BDS高精度導(dǎo)航定位應(yīng)用面臨的主要問題是缺少必要的BDS地面綜合服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施，無法為各類用戶提供無縫的服務(wù)。為此，我國(guó)正按照“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、共建共享”的原則構(gòu)建“全國(guó)一張網(wǎng)”的地基增強(qiáng)系統(tǒng)；計(jì)劃到2018年底，在框架網(wǎng)的基礎(chǔ)上建立全國(guó)范圍的加密CORS站網(wǎng)，將數(shù)據(jù)精度提高到cm級(jí)，后處理定位精度將達(dá)到mm級(jí)[3-4]。

針對(duì)廣東省連續(xù)運(yùn)行參考站（GDCORS）系統(tǒng)廣泛提供應(yīng)用服務(wù)而又迫切需要升級(jí)的現(xiàn)狀，采取“先實(shí)驗(yàn)、后示范、再實(shí)施”的總體流程，經(jīng)過近2 a的發(fā)展，于2015年12月建成了我國(guó)第一個(gè)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的廣域與區(qū)域融合的北斗精密定位在線運(yùn)行服務(wù)系統(tǒng)——廣東省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)（GDBDAS）。

1 系統(tǒng)建立

1.1 廣東省CORS概況

廣東省CORS大多數(shù)在2008年前完成建設(shè)，因此90%的區(qū)域仍只支持GPS的區(qū)域增強(qiáng)服務(wù)，設(shè)備開始老化，迫切需要升級(jí)。本文采用“先實(shí)驗(yàn)、后示范、再實(shí)施”的總體流程，重點(diǎn)研究并解決了設(shè)備選型測(cè)試、與已有天線的兼容性測(cè)試、差分?jǐn)?shù)據(jù)源格式測(cè)試、基準(zhǔn)站升級(jí)、坐標(biāo)基準(zhǔn)延續(xù)等問題。

1.2 系統(tǒng)建立

示范系統(tǒng)（試點(diǎn)工程）建成以來，在珠海區(qū)域得到了廣泛應(yīng)用， GDCORS升級(jí)于2015年進(jìn)入全面建設(shè)階段，完成了85個(gè)北斗/GNSS基準(zhǔn)站和1個(gè)控制中心的建設(shè)工作；建立了北斗網(wǎng)絡(luò)RTK、DGNSS、PPP、PPP-RTK服務(wù)平臺(tái)，可向廣東省各類用戶提供實(shí)時(shí)cm級(jí)、亞m級(jí)和m級(jí)導(dǎo)航定位服務(wù)。

基準(zhǔn)站的北斗/GNSS接收機(jī)采用并置升級(jí)方案，即充分利用原基準(zhǔn)站系統(tǒng)設(shè)備及通信鏈路，采用功分器將新天線（如原有天線不支持北斗信號(hào)）的數(shù)據(jù)流一 分為二，分別進(jìn)入原有的GPS接收機(jī)和升級(jí)后的北斗/ GPS/GLONASS接收機(jī)。升級(jí)后的基準(zhǔn)站結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 基準(zhǔn)站結(jié)構(gòu)圖

控制中心功能軟件主要包括北斗/GNSS基準(zhǔn)站管理系統(tǒng)、北斗/GNSS網(wǎng)絡(luò)RTK處理系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)了廣域/區(qū)域融合的快速實(shí)時(shí)精密定位和事后高精度定位等服務(wù)，總體軟件部署及功能如圖2所示。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)完備性監(jiān)測(cè)技術(shù)

為保障網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)服務(wù)時(shí)的完備性，在基準(zhǔn)站間模糊度固定完備性監(jiān)測(cè)時(shí)，采用統(tǒng)計(jì)量區(qū)別檢驗(yàn)法，成功率、失敗率指標(biāo)法和組合法對(duì)所固定的模糊度進(jìn)行正確性評(píng)估；在大氣誤差完備性監(jiān)測(cè)時(shí)，通過建立不同類型大氣誤差區(qū)域內(nèi)插模型的方式計(jì)算其完備性監(jiān)測(cè)指標(biāo)RIM及內(nèi)插不確定性指標(biāo)RIU；在用戶自主完備性監(jiān)測(cè)時(shí)，用戶在接收到各衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)后，利用最小二乘或卡爾曼濾波方法進(jìn)行差分定位。根據(jù)用戶接收機(jī)的多余觀測(cè)值，基于單位權(quán)中誤差進(jìn)行粗差探測(cè)。當(dāng)單位權(quán)方差在給定置信水平下大于特定限值時(shí)，采用卡方檢驗(yàn)對(duì)觀測(cè)值中存在的粗差進(jìn)行有效剔除，從而監(jiān)測(cè)用戶定位結(jié)果的完備性[5]。

圖2 控制中心主要軟件部署及功能

2.2 北斗/GNSS區(qū)域PPP-RTK技術(shù)

針對(duì)我國(guó)北斗系統(tǒng)在建設(shè)初期各類誤差改正模型尚未有效精化的現(xiàn)狀，采用北斗系統(tǒng)區(qū)域地基增強(qiáng)信息實(shí)時(shí)差分建模方法，綜合利用北斗三頻組合觀測(cè)值、精確已知的基準(zhǔn)站坐標(biāo)等多個(gè)條件，實(shí)現(xiàn)了基準(zhǔn)站網(wǎng)雙差三頻模糊度的快速固定；再通過加入適當(dāng)?shù)恼麛?shù)模糊度基準(zhǔn)，映射得到各基準(zhǔn)站與可視衛(wèi)星間的非差整數(shù)模糊度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)區(qū)域PPP-RTK增強(qiáng)信息的快速實(shí)時(shí)建模[6-7]。

2.3 北斗/GNSS廣域區(qū)域融合的PPP技術(shù)

在綜合分析比較現(xiàn)有非差、歷元間差分、混合差分等函數(shù)模型優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用一種兼容多系統(tǒng)、多類型參數(shù)一步法估計(jì)的嚴(yán)密函數(shù)模型，并基于對(duì)各類導(dǎo)航系統(tǒng)星載原子鐘特性的分析，建立了相應(yīng)的鐘差隨機(jī)模型，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域多系統(tǒng)的實(shí)時(shí)鐘差解算；采用對(duì)每顆北斗/GNSS可視衛(wèi)星進(jìn)行實(shí)時(shí)電離層估計(jì)的方法，在一個(gè)先驗(yàn)電離層模型的基礎(chǔ)上，為每顆衛(wèi)星在每個(gè)歷元提供一個(gè)額外的電離層延遲改正，從而有效反映電離層延遲小的局域性空間和時(shí)間變化特征；通過對(duì)多系統(tǒng)實(shí)時(shí)PPP的數(shù)學(xué)模型與數(shù)據(jù)處理方法的研究，提高了多系統(tǒng)實(shí)時(shí)PPP的精度和收斂速度。

3 系統(tǒng)性能測(cè)試及分析

在GDCORS系統(tǒng)改造升級(jí)項(xiàng)目試運(yùn)行過程中進(jìn)行了大量的野外測(cè)試工作，以驗(yàn)證各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求，主要包括動(dòng)態(tài)參考基準(zhǔn)、事后精密定位、區(qū)域?qū)崟r(shí)定位（網(wǎng)絡(luò)RTK）、廣域PPP實(shí)時(shí)定位等性能與精度的測(cè)試。

3.1 動(dòng)態(tài)參考基準(zhǔn)精度分析

為檢驗(yàn)靜態(tài)基線解算精度，利用GDBDAS中所有站點(diǎn)連續(xù)5 d的北斗與GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用武漢大學(xué)自主研制的Panda軟件，分別得到北斗及GPS的單天解算結(jié)果，其RMS統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 BDS各天所有點(diǎn)站點(diǎn)與均值的RMS統(tǒng)計(jì)/mm

由表1可知，北斗與GPS解算結(jié)果的重復(fù)性精度，平面方向均優(yōu)于高程方向；北斗解算結(jié)果在北方向精度最佳，與GPS相當(dāng)；東方向在某些天稍差于GPS，但處于同一量級(jí)；高程方向整體差于GPS解算結(jié)果，重復(fù)性精度有所提高，這可能與北斗系統(tǒng)的精密軌道與鐘差產(chǎn)品以及天線相位中心改正等相關(guān)。

3.2 事后精密定位精度分析

選取GDBDAS不同長(zhǎng)度的基線，利用Panda基線解算軟件進(jìn)行單基線解算：采用LC無電離層組合雙差解算模式，并加入接收機(jī)天線相位中心改正；采用法方程疊加的方式，進(jìn)行最小二乘參數(shù)估計(jì)，對(duì)超過50 km的長(zhǎng)基線需增加一組天頂對(duì)流層延遲參數(shù)。解出方程的浮點(diǎn)解后，采用Lambda算法先固定寬巷模糊度，再固定L1模糊度，從而得到模糊度固定解。對(duì)于相對(duì)較短基線直接采用廣播星歷，長(zhǎng)基線（＞50 km）則采用精密星歷及鐘差以提高數(shù)據(jù)解算精度。

本次測(cè)試共包含5組基線，基線長(zhǎng)度為32～146 km，連續(xù)3 d（每2 h為一時(shí)段）解算結(jié)果的RMS見表2。

表2 連續(xù)3 d解算結(jié)果的RMS值（2h）

由表2可知，2 h快速靜態(tài)解算精度已基本滿足水平方向小于2 cm，垂直方向不大于5 cm的要求。

3.3 網(wǎng)絡(luò)RTK實(shí)時(shí)定位精度分析

本文選取梅州市、清遠(yuǎn)市、惠州市和茂名市4個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域觀測(cè)場(chǎng)地為20個(gè)；每個(gè)觀測(cè)場(chǎng)地選擇無遮擋、一面遮擋、兩面遮擋3個(gè)測(cè)試點(diǎn)；在每個(gè)點(diǎn)位上，按原GDCORS系統(tǒng)單GPS、GDBDAS的GPS+BDS等6種模式分別進(jìn)行觀測(cè)，總點(diǎn)數(shù)為4×20×3=240。在網(wǎng)絡(luò)RTK精度的測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)中，內(nèi)符合精度統(tǒng)計(jì)點(diǎn)數(shù)為240個(gè)，外符合精度統(tǒng)計(jì)點(diǎn)數(shù)為25個(gè)（表3）；初始化時(shí)間統(tǒng)計(jì)見表4。

表3 內(nèi)符合、外符合精度統(tǒng)計(jì)表/m

表4 網(wǎng)絡(luò)RTK定位初始化時(shí)間匯總統(tǒng)計(jì)表

由表3可知，區(qū)域網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)實(shí)時(shí)定位（GPS+BDS）的內(nèi)符合精度為平面0.008 m，高程0.016 m，外符合精度為平面0.031 m，高程0.044 m，與原GDCORS系統(tǒng)精度相當(dāng)，滿足一般測(cè)繪工程應(yīng)用需求；由表4可知，BDS、GPS+BDS模式固定率（含困難環(huán)境）較原GDCORS系統(tǒng)提升顯著，且初始化時(shí)間（含困難環(huán)境）與原GDCORS的單GPS（困難環(huán)境（未固定）未納入統(tǒng)計(jì)）水平一致。

3.4 廣域PPP實(shí)時(shí)定位精度分析

本文模擬進(jìn)行了基準(zhǔn)站網(wǎng)外300 km的廣域PPP實(shí)時(shí)定位精度測(cè)試，具體措施為：只選用粵西地區(qū)的部分基準(zhǔn)站，在廣州采用雙頻、單頻流動(dòng)站手持型接收機(jī)外接普通測(cè)量天線進(jìn)行靜態(tài)模擬動(dòng)態(tài)測(cè)試，流動(dòng)站距離最近基準(zhǔn)站的距離約300 km，定位結(jié)果見表5。

表5 雙頻流動(dòng)站定位精度統(tǒng)計(jì)/m

由表5可知，雙頻定位精度平面和高程均優(yōu)于10 cm，N、E、U方向平均RMS分別為0.02 m、0.038 m和0.053 m；單頻定位精度N、E、U方向平均RMS分別為0.526 m、0.712 m和1.046 m。

4 結(jié) 語

系統(tǒng)性能測(cè)試分析表明，GDBDAS建立了北斗/ GNSS網(wǎng)絡(luò)RTK、DGNSS、PPP、PPP-RTK服務(wù)平臺(tái)，可向廣東省各類用戶提供實(shí)時(shí)cm級(jí)、亞m級(jí)和1 m級(jí)導(dǎo)航定位服務(wù)。GDBDAS核心硬軟件設(shè)備集中了不同領(lǐng)域具有自主研發(fā)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高科技產(chǎn)品，為北斗產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用終端研制提供了完整的應(yīng)用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)支撐，將促進(jìn)廣東省乃至全國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新及北斗產(chǎn)業(yè)化研發(fā)的快速發(fā)展。

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P228.4

B

1672-4623（2017）07-0014-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.07.004

劉文建，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)镃ORS技術(shù)及其應(yīng)用。

2016-12-16。

項(xiàng)目來源：武漢大學(xué)自主科研資助項(xiàng)目（2042016kf0184）；廣東省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2013B020200009、2014A020219002）。