武軍酈，陳 明，王孝青

（國家基礎(chǔ)地理信息中心，北京 100083）

0 引 言

隨著GNSS技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，綜合應(yīng)用GNSS技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等建設(shè)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準站網(wǎng)已成為國家信息化建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，帶來了傳統(tǒng)測量技術(shù)手段的變革。廣域?qū)崟r精密定位是GNSS應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展的趨勢[1]。一些國家和地區(qū)紛紛建立了自己的廣域差分（增強）系統(tǒng)，如美國的廣域差分系統(tǒng)（WAAS）[2]、歐洲的靜止衛(wèi)星導(dǎo)航重疊服務(wù)系統(tǒng)（EGNOS）、日本的多功能衛(wèi)星星基增強系統(tǒng)（MSAS）以及印度的GPS輔助型對地靜止軌道擴增導(dǎo)航系統(tǒng)（GAGAN）以及NASA的全球差分系統(tǒng)GDGPS、Navcom公司的StarFire系統(tǒng)、Fugro公司的Omnistar系統(tǒng)等[3]。

當前，國家測繪地理信息局通過國家重大基礎(chǔ)設(shè)施項目建設(shè)，在全國范圍內(nèi)形成了均勻分布、總體規(guī)模達到410站的國家級衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準站網(wǎng)，并通過“資源統(tǒng)籌、共享服務(wù)、基準統(tǒng)一”與各省共同構(gòu)建了全國衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準服務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是在我國國家層面和?。ㄊ校用娼⑿l(wèi)星導(dǎo)航定位基準站“一張網(wǎng)”的基礎(chǔ)上建立的，是集國家坐標框架維持、高精度導(dǎo)航定位服務(wù)為一體的綜合系統(tǒng)。其中，廣域?qū)崟r精密定位服務(wù)系統(tǒng)是全國衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)系統(tǒng)的重要組成部分，是國家層面構(gòu)建的覆蓋全國范圍、面向社會大眾的導(dǎo)航定位服務(wù)系統(tǒng)[4-5]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

我國國家廣域?qū)崟r精密定位服務(wù)系統(tǒng)是在廣域差分定位技術(shù)基礎(chǔ)上，基于精密單點定位技術(shù)形成，對BDS、GPS、GLONASS等多系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理[6]，產(chǎn)出實時衛(wèi)星軌道、鐘差、電離層等產(chǎn)品[7-9]，實現(xiàn)全國范圍內(nèi)任何地點、任何時間的高精度定位，為全國范圍的各類用戶提供米級、分米級精度的導(dǎo)航和實時定位服務(wù)，以滿足全社會對高精度實時導(dǎo)航定位越來越高的要求。

系統(tǒng)是通過多種軟件實現(xiàn)，主要包括數(shù)據(jù)流傳輸分發(fā)、數(shù)據(jù)文件同步、數(shù)據(jù)下載、產(chǎn)品計算、產(chǎn)品生成、完好性分析與處理、產(chǎn)品播發(fā)等軟件，系統(tǒng)的設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖Fig.1 System fl owchart

2 系統(tǒng)功能

廣域?qū)崟r精密定位服務(wù)系統(tǒng)從系統(tǒng)組成上劃分，是由基準站、數(shù)據(jù)匯集網(wǎng)絡(luò)、國家數(shù)據(jù)中心硬件和軟件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)播發(fā)網(wǎng)絡(luò)和用戶構(gòu)成[10]。系統(tǒng)功能主要包括數(shù)據(jù)輸入、產(chǎn)品計算、產(chǎn)品播發(fā)以及用戶終端定位等。

2.1 數(shù)據(jù)輸入

廣域?qū)崟r精密定位服務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入包括數(shù)據(jù)文件和實時數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)文件通過外網(wǎng)下載，包括全球IGS站觀測數(shù)據(jù)、廣播星歷、天線相位中心改正模型、跳秒等文件。系統(tǒng)工作流程主要為：通過FTP協(xié)議從IGS數(shù)據(jù)中心和全國CORS數(shù)據(jù)中心下載數(shù)據(jù)到指定目錄，對下載數(shù)據(jù)進行自檢，并生成相應(yīng)日志文件，支持自動重新下載。

實時數(shù)據(jù)流接收主要實現(xiàn)國家基準站的實時數(shù)據(jù)流的接收、解析、時間同步和存儲。系統(tǒng)工作時，設(shè)置不同的網(wǎng)絡(luò)端口，實時接收基準站發(fā)送的數(shù)據(jù)，根據(jù)基準站IP和端口號區(qū)分不同站點的數(shù)據(jù)，先解析數(shù)據(jù)頭部分，然后解析數(shù)據(jù)體，完成后進行時間同步和存儲，支持的類型包括商家自己定義的數(shù)據(jù)格式、RTCM格式以及BINEX格式等。

2.2 產(chǎn)品計算

產(chǎn)品計算主要包括實時精密衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘差和電離層模型產(chǎn)品，今后將會支持實時對流層模型產(chǎn)品計算。

實時衛(wèi)星軌道產(chǎn)品解算主要利用IGS-MGEX基準站和國家基準站的觀測數(shù)據(jù)，解算實測精密衛(wèi)星軌道和預(yù)報衛(wèi)星軌道，并生成軌道改正數(shù)。系統(tǒng)首先調(diào)用準備文件及數(shù)據(jù)，檢查廣播星歷，剔除缺失衛(wèi)星，生成解算需要的初始衛(wèi)星軌道及衛(wèi)星鐘差，對原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理、軌道解算和改正數(shù)解算。

實時鐘差產(chǎn)品的解算是在精密衛(wèi)星軌道基礎(chǔ)上進行，通常是選定其中一個衛(wèi)星鐘或接收機鐘為基準鐘，然后確定其他接收機和衛(wèi)星鐘的相對于基準鐘的鐘差，即相對鐘差。相對鐘差加上基準衛(wèi)星的鐘差即為絕對鐘差。系統(tǒng)在實時鐘差解算過程中不使用IGS和iGMAS站，而是從210個國家站中選擇均勻分布的40個測站，所使用的數(shù)據(jù)類型為RTCM3.2和BINEX。

實時電離層產(chǎn)品生成主要利用IGS-MGEX基準站的觀測文件和廣播星歷，生成每小時的全球電離層格網(wǎng)文件以及每天的頻間偏差文件。電離層模型產(chǎn)品使用了210個國家站作為電離層計算基準站，滿足了衛(wèi)星與接收機信號連線的穿刺點在我國上空的分布，極大地提高了電離層建模的精度。

2.3 產(chǎn)品播發(fā)

在上述產(chǎn)品基礎(chǔ)上計算，系統(tǒng)向外播發(fā)實時衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘差和電離層模型產(chǎn)品。其中，實時衛(wèi)星軌道和鐘差一并播發(fā)，電離層模型產(chǎn)品單獨播發(fā)。產(chǎn)品播發(fā)考慮系統(tǒng)具有傳輸數(shù)據(jù)量大、實時傳輸、高速率、傳輸距離長、覆蓋面大等特點，差分改正信息的訊齡和時間差很小才能提高導(dǎo)航和定位精度，同時網(wǎng)絡(luò)的低誤碼率方能保證用戶定位的完備性。所以系統(tǒng)采用了基于Internet網(wǎng)絡(luò)的廣播模式，并以兩種數(shù)據(jù)格式播發(fā)，包括RTCM-SSR標準格式，以及在標準格式基礎(chǔ)上進行優(yōu)化升級后的自定義格式。

2.4 終端定位

用戶終端定位基于用戶手持終端獲取實時觀測數(shù)據(jù)和廣播星歷，同時接收系統(tǒng)播發(fā)的實時軌道、鐘差改正數(shù)以及電離層模型產(chǎn)品，在終端進行PPP解算，計算對流層延遲、接收機鐘差以及模糊度等參數(shù)，并在一定時間的收斂后，達到分米級或亞米級的定位精度。其中，雙頻終端采用無電離層組合，通過實時軌道和鐘差改正后，可在15～20min收斂后達到分米級精度；單頻終端通過實時軌道、鐘差和電離層模型等改正后，可達到亞米級精度。

3 系統(tǒng)特點

國家衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準服務(wù)系統(tǒng)集國家坐標框架維持、高精度實時導(dǎo)航定位服務(wù)于一體，不僅服務(wù)于國家坐標框架建立與維持，還面向其他政府部門、企業(yè)和社會大眾提供高精度導(dǎo)航定位服務(wù)，擴展了測繪地理信息服務(wù)范圍，提高了全國基準站網(wǎng)整體服務(wù)水平。系統(tǒng)具備以下特點：

1）覆蓋范圍大。系統(tǒng)基于410個國家級基準站資源，實現(xiàn)了全國范圍覆蓋，形成了兼容北斗、GPS、GLONASS、GALILEO多衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準站網(wǎng)。

2）定位速度快。與傳統(tǒng)測繪定位服務(wù)相比，系統(tǒng)可對基準站觀測數(shù)據(jù)進行實時數(shù)據(jù)處理，提供多種類型的高精度實時導(dǎo)航定位產(chǎn)品，定位效率大幅提高。

3）導(dǎo)航精度高。系統(tǒng)以高精度、三維、動態(tài)、陸海統(tǒng)一的現(xiàn)代測繪基準體系為基礎(chǔ)，使全球?qū)Ш较到y(tǒng)在我國大陸的實時導(dǎo)航定位能力由10米級精度向分米級甚至厘米級精度邁進，大大提升了我國高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位能力。

4）應(yīng)用領(lǐng)域廣。系統(tǒng)可應(yīng)用于測繪領(lǐng)域的地理國情普查、應(yīng)急測繪保障，社會發(fā)展領(lǐng)域的國土資源調(diào)查、多規(guī)合一、生態(tài)文明建設(shè)等方面，在交通、氣象、地震、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、地質(zhì)災(zāi)害、國土執(zhí)法、管線監(jiān)測、大眾位置服務(wù)等領(lǐng)域，甚至科研方面的應(yīng)用也十分廣泛。

4 系統(tǒng)指標

國家衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準服務(wù)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標如下：

1）實時發(fā)布兼容BDS、GPS、GLONASS等系統(tǒng)的精密實時衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘差、電離層等產(chǎn)品；

2）精密衛(wèi)星鐘差數(shù)據(jù)更新頻率1 Hz，播發(fā)頻率1Hz；

3）精密衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)更新頻率3 h，播發(fā)頻率1 Hz；

4）電離層模型產(chǎn)品更新和播發(fā)頻率15min；

5）產(chǎn)品精度如下，BDS GEO衛(wèi)星軌道精度優(yōu)于60 cm，鐘差優(yōu)于0.8 ns；IGSO和MEO衛(wèi)星軌道精度優(yōu)于25cm，鐘差精度優(yōu)于0.5 ns。GPS衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)精度優(yōu)于5 cm，鐘差數(shù)據(jù)精度優(yōu)于0.2 ns；

6) 系統(tǒng)可持單頻終端定位精度可達米級，雙頻終端定位精度可達分米級。

5 系統(tǒng)測試

終端測試主要目的是測試使用系統(tǒng)提供的實時產(chǎn)品所能達到的精度與收斂時間[11]。為驗證在理想觀測環(huán)境下，廣域?qū)崟r定位服務(wù)系統(tǒng)終端定位能達到的效果，定點靜態(tài)測試選擇觀測及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境良好的地點進行測試。

測試流程如下：

1）測試準備。靜態(tài)測試選用一臺雙頻手持終端和一臺單頻手持終端分別測試，采樣率為1Hz，以動態(tài)單歷元模式處理；選擇觀測環(huán)境良好的測試地點，分別將雙頻手持終端與外接天線相連、單頻手持終端使用內(nèi)置天線，將其架在兩個已知點上，進行連續(xù)觀測；

2）測試過程。測試2 h為1組，測試4組，分別以GPS模式、GPS差分模式、GPS&BDS模式和GPS&BDS差分模式測試；將測試數(shù)據(jù)備份，將觀測文件、定位結(jié)果文件以及相應(yīng)記錄文件備份，用于事后結(jié)果分析；

3）結(jié)果分析。將未差分、接入差分數(shù)據(jù)等各種模式測試的定位結(jié)果與已知點坐標求差，作出NEU誤差時間序列圖，并分別統(tǒng)計RMS和STD，雙頻測試RMS和STD統(tǒng)計從收斂后開始統(tǒng)計，單頻測試RMS和STD從5 min后開始進行統(tǒng)計。對測試的定位結(jié)果進行分析，得出定位固定率，以及亞米級、分米級精度的定位結(jié)果所占的比例等。測量的同時記錄后處理所需數(shù)據(jù)，以便進行后處理比較分析，終端定位測試的結(jié)果如圖2所示。

圖2 終端定位精度Fig.2 Terminal positioning accuracy

采用雙頻終端測試結(jié)果表明，單BDS、單GPS以及BDS&GPS 3種模式進行定位，其定位精度均優(yōu)于0.3 m，其中，BDS&GPS模式平面精度0.03 m，高程精度0.04 m，達到了厘米級。采用單頻終端測試，單BDS模式精度最差，平面精度2.72 m，高程甚至達到4.38 m；單GPS模式優(yōu)于1 m。

6 結(jié)束語

國家廣域?qū)崟r精密定位服務(wù)系統(tǒng)的啟用和發(fā)布，是貫徹落實《測繪法》的一項重要舉措。系統(tǒng)形成了覆蓋全國的衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)“一張網(wǎng)”，實現(xiàn)了我國陸地國土以及近海領(lǐng)域全覆蓋，可向公眾提供免費開放的實時亞米級導(dǎo)航定位服務(wù)，并向?qū)I(yè)用戶提供厘米級、毫米級定位服務(wù)，實現(xiàn)了我國衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的歷史性跨越。