鄔凌智，黃永軍，呂瑛炯，王閏成

（交通運(yùn)輸部 北海航海保障中心，天津 300450）

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system， BDS）是我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，作為中國(guó)沿海 BDS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站系統(tǒng)（continuously operating reference stations， CORS）的一部分，渤海灣及煙大航路區(qū)域 BDS精密定位服務(wù)系統(tǒng)主要包括由曹妃甸、海河、天津港、黃驊港、黃白咀、北長(zhǎng)山、北隍城、龍口、煙臺(tái)、威海等 10個(gè)基準(zhǔn)站組成的基準(zhǔn)站網(wǎng)（如圖 1所示）、1個(gè)北方海區(qū)數(shù)據(jù)處理服務(wù)中心、由連接基準(zhǔn)站與海區(qū)數(shù)據(jù)處理服務(wù)中心的專網(wǎng)鏈路和連接用戶與海區(qū)數(shù)據(jù)處理服務(wù)中心的VPN無(wú)線虛擬通信網(wǎng)組成的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)等 4大部分[1]。數(shù)據(jù)處理及服務(wù)采用PANDA系列軟件。在系統(tǒng)正式對(duì)外提供服務(wù)前，為確保渤海灣及煙大航路水域的港航用戶能獲得高質(zhì)量、高可靠性的高精度導(dǎo)航定位服務(wù)，有必要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和精度評(píng)估，以確認(rèn)是否符合設(shè)計(jì)要求。

圖1 基準(zhǔn)站分布

1 系統(tǒng)測(cè)試

1.1 系統(tǒng)功能測(cè)試

1.1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能測(cè)試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能測(cè)試主要是測(cè)試系統(tǒng)的軟硬件功能是否達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，測(cè)試重點(diǎn)為運(yùn)營(yíng)管理、數(shù)據(jù)處理和信息服務(wù)等3項(xiàng)核心功能[2]。

運(yùn)營(yíng)管理功能測(cè)試主要包括：①能否支持接入國(guó)外內(nèi)主流的硬件；②是否能接收數(shù)據(jù)處理服務(wù)中心通過(guò)遠(yuǎn)程方式對(duì)基準(zhǔn)站進(jìn)行參數(shù)設(shè)定、運(yùn)行控制及狀態(tài)檢查；③能否監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)用戶和事后用戶的訪問(wèn)情況，防止未授權(quán)訪問(wèn)或惡意攻擊；④能否對(duì)區(qū)域電離層變化、基準(zhǔn)站坐標(biāo)位置進(jìn)行中短期監(jiān)測(cè)和評(píng)估，且在電離層活動(dòng)異常、基準(zhǔn)站坐標(biāo)發(fā)生較大變化等情況發(fā)生時(shí)提示操作者和用戶；⑤能否監(jiān)控實(shí)時(shí)和事后用戶使用情況，記錄各用戶的數(shù)據(jù)流量或使用時(shí)間，并以此為基礎(chǔ)結(jié)合政策法規(guī)建立運(yùn)營(yíng)機(jī)制；⑥能否正常實(shí)施用戶登記、注冊(cè)、撤消、查詢、權(quán)限管理；⑦能否在一定程度上適應(yīng)基準(zhǔn)站數(shù)量和用戶數(shù)量的增加，且滿足用戶管理數(shù)量≥3 000，同時(shí)在線數(shù)量≥1 000的設(shè)計(jì)要求。

數(shù)據(jù)處理功能測(cè)試主要包括：①能否正常進(jìn)行基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收、同步處理、實(shí)時(shí)基線解算，求解電離層、對(duì)流層等實(shí)時(shí)延遲量和基線殘差；②能否對(duì)區(qū)域電離層、對(duì)流層進(jìn)行正常建模模，并對(duì)基準(zhǔn)站接收機(jī)鐘差進(jìn)行估計(jì)；③能否在收到流動(dòng)站概略位置后計(jì)算出改正數(shù)據(jù)，并編碼發(fā)送給用戶；④能否對(duì)基準(zhǔn)站精密坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)對(duì)基準(zhǔn)站坐標(biāo)的監(jiān)控[3]。此外，還包括：①能否全天候 24 h連續(xù)實(shí)時(shí)采集 BDS三頻、全球定位系統(tǒng)（global positioning system， GPS）三頻、格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GLONASS）雙頻3系統(tǒng)信號(hào)的載噪比、碼偽距、載波相位值、多普勒頻移、導(dǎo)航電文等數(shù)據(jù)，并將觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行本地存儲(chǔ)；②能否按約定的數(shù)據(jù)格式與數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī)制，傳輸觀測(cè)數(shù)據(jù)、星歷數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、告警及故障數(shù)據(jù)或與之對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)文件。

信息服務(wù)功能測(cè)試主要包括：①能否通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)等方式向用戶提供實(shí)時(shí)定位服務(wù)；②能否通過(guò)文件傳輸協(xié)議（file transfer protocol，F(xiàn)TP）等方式在內(nèi)網(wǎng)上提供基準(zhǔn)站原始數(shù)據(jù)下載服務(wù)。

1.1.2 連續(xù)自動(dòng)運(yùn)行能力測(cè)試

作為一個(gè)自動(dòng)連續(xù)運(yùn)行的定位服務(wù)系統(tǒng)，自動(dòng)控制、恢復(fù)和管理能力是系統(tǒng)的重要指標(biāo)。自動(dòng)運(yùn)行能力測(cè)試主要包括基站自動(dòng)運(yùn)行能力測(cè)試和控制中心自動(dòng)運(yùn)行能力測(cè)試?；咀詣?dòng)運(yùn)行能力測(cè)試主要包括設(shè)備檢查、數(shù)據(jù)傳輸、不間斷電源（uninterruptible power supply，UPS）測(cè)試、站點(diǎn)熱備冗余測(cè)試等?？刂浦行淖詣?dòng)運(yùn)行能力測(cè)試主要包括控制中心系統(tǒng)軟件的初始化時(shí)間等。系統(tǒng)初始化時(shí)間測(cè)試的方法是通過(guò)操作數(shù)據(jù)處理服務(wù)軟件，統(tǒng)計(jì)從斷開各基準(zhǔn)站間的連接到系統(tǒng)完全恢復(fù)功能并開始生成差分信息的時(shí)間。站點(diǎn)熱備冗余測(cè)試的方法是通過(guò)斷開基準(zhǔn)站利用功分器共用天線的2臺(tái)接收機(jī)中的一臺(tái)，查看另一臺(tái)能否繼續(xù)正常工作，以滿足站點(diǎn)熱備冗余要求。UPS不間斷電源測(cè)試的方法是斷開市電，查看 UPS能否繼續(xù)供電，且持續(xù)時(shí)間超過(guò)24 h。

1.2 系統(tǒng)性能測(cè)試

1.2.1 基準(zhǔn)站坐標(biāo)框架網(wǎng)解算與測(cè)試

為確保提供穩(wěn)定可靠的高精度服務(wù)，必須獲得基準(zhǔn)站精確坐標(biāo)并持續(xù)確保其精確性，即需進(jìn)行坐標(biāo)框架網(wǎng)解算與定期檢核修復(fù)，具體方法就是將基準(zhǔn)站網(wǎng)與國(guó)際 GPS服務(wù)組織（International GPS Service， IGS）跟蹤站進(jìn)行聯(lián)測(cè)，用高精度基線解算軟件進(jìn)行長(zhǎng)基線解算，得到基準(zhǔn)站的最新坐標(biāo)[4]。本次測(cè)試委托國(guó)家測(cè)繪地理信息局大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行解算，數(shù)據(jù)處理采用連續(xù)3 d的觀測(cè)數(shù)據(jù)。最終結(jié)果表明，基于2000國(guó)家大地坐 標(biāo) 系 （ China geodetic coordinate system 2000，CGCS2000），CORS站南北分量的中誤差平均值為±0.7 mm，最大值為±0.9 mm，東西分量的中誤差平均值為±0.6 mm，最大值為±0.9 mm，高程分量的中誤差平均值為±2.6 mm，最大值為±4.0 mm，基線相對(duì)中誤差平均值為5.55×10-9，最大值為1.61×10-8，符合地心坐標(biāo)的坐標(biāo)分量絕對(duì)精度優(yōu)于0.05 m，基線向量的坐標(biāo)分量絕對(duì)精度優(yōu)于3.00×10-8的設(shè)計(jì)要求。

1.2.2 兼容性測(cè)試

兼容性測(cè)試主要包括 3個(gè)方面的內(nèi)容，即：衛(wèi)星兼容性測(cè)試、通訊兼容性測(cè)試和接收機(jī)兼容性測(cè)試。衛(wèi)星兼容性測(cè)試主要是驗(yàn)證系統(tǒng)能否兼容 BDS B1、B2、B3，GPS L1、L2，GLONASS L1、L2等波段。通訊兼容性測(cè)試主要是驗(yàn)證通過(guò)移動(dòng)、聯(lián)通和電信等3大主流ISP的網(wǎng)絡(luò)是否均能接收系統(tǒng)服務(wù)。接收機(jī)兼容性測(cè)試主要是驗(yàn)證系統(tǒng)能否兼容國(guó)內(nèi)外主流廠商的設(shè)備，本次共測(cè)試了華測(cè)I80、南方銀河6、中海達(dá)IRTK3、天寶R10等4種國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的主流接收機(jī)。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，系統(tǒng)兼容性良好，符合兼容主要導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)和主流廠商接收機(jī)的設(shè)計(jì)要求。為簡(jiǎn)化測(cè)試工作、提高工作效率，后續(xù)測(cè)試均采用華測(cè)I80接收機(jī)。

1.2.3 空間可用性測(cè)試

考慮到本系統(tǒng)的建設(shè)目的和服務(wù)對(duì)象，空間可用性測(cè)試分為陸上車載全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system， GNSS)動(dòng)態(tài)定位測(cè)試和海上船載GNSS動(dòng)態(tài)定位測(cè)試2個(gè)部分。通過(guò)統(tǒng)計(jì)定位結(jié)果的固定解和浮動(dòng)解比例，可以有效評(píng)價(jià)系統(tǒng)的空間可用性[5]。

1）陸上車載GNSS動(dòng)態(tài)定位測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

測(cè)試路線（如圖2所示）分為渤海灣線（曹妃甸—天津—黃驊）、山東線（龍口—蓬萊—煙臺(tái)—威海）、遼東線（旅順—大連），均處在系統(tǒng)設(shè)計(jì)覆蓋范圍內(nèi)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示，各線空間可用性均超過(guò)95 %，符合可用性優(yōu)于95 %的設(shè)計(jì)要求。

圖2 陸上車載測(cè)試設(shè)備安裝及測(cè)試軌跡

圖3 渤海灣線、山東線、遼東線統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2）海上船載GNSS動(dòng)態(tài)定位測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

測(cè)試路線（如圖4所示）分為曹妃甸—天津港線、蓬萊—北隍城線、煙大航路線，均處在系統(tǒng)設(shè)計(jì)覆蓋范圍內(nèi)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果（煙大航路部分水域因缺乏網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋而無(wú)法獲得服務(wù)，不納入統(tǒng)計(jì)）如圖5所示，各線空間可用性均超過(guò)95 %，符合可用性優(yōu)于95 %的設(shè)計(jì)要求。

圖4 海上船載測(cè)試設(shè)備安裝及軌跡

圖5 曹妃甸—天津港線、蓬萊—北隍城線和煙大航路線統(tǒng)計(jì)結(jié)果

1.2.4 時(shí)間可用性測(cè)試

時(shí)間可用性分為全天可用性和全年可用性，統(tǒng)計(jì)前者可得到后者[5-11]。由于系統(tǒng)初建，本次測(cè)試只對(duì)全天可用性進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試方法是在渤海灣區(qū)域和煙大航路區(qū)域各選擇 1個(gè)控制點(diǎn)以 GPS+BDS+GLONASS定位模式連續(xù)觀測(cè)24 h，然后對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)，比較定位的穩(wěn)定性及可靠性。測(cè)試結(jié)果如圖6所示，可用性超過(guò)95 %，符合可用性優(yōu)于95 %的設(shè)計(jì)要求。

圖6 時(shí)間可用性測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

1.2.5 定位服務(wù)時(shí)效性測(cè)試

一般通過(guò)統(tǒng)計(jì)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（real-time kinematic，RTK）初始化時(shí)間來(lái)評(píng)估定位服務(wù)的時(shí)效性[10-13]。各控制點(diǎn)實(shí)時(shí)RTK定位初始化時(shí)間見圖7，各控制點(diǎn)在 BDS、GPS+GLONASS和 BDS+GPS+GLONASS 3種定位模式下的平均初始化時(shí)間為4 s，最大值為 6 s，其中 BDS+GPS+GLONASS略優(yōu)于 GPS+GLONASS，而GPS+GLONASS又略優(yōu)于BDS，但3種模式均可為用戶提供正常的定位服務(wù)。

圖7 實(shí)時(shí)定位RTK平均初始化時(shí)間統(tǒng)計(jì)

1.2.6 流動(dòng)站用戶并發(fā)性測(cè)試

主要測(cè)試當(dāng)數(shù)據(jù)處理服務(wù)中心接入一定數(shù)量的用戶時(shí)，數(shù)據(jù)處理服務(wù)軟件能否穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，且有效地提供網(wǎng)絡(luò)RTK數(shù)據(jù)服務(wù)。測(cè)試過(guò)程中，同時(shí)接入總數(shù)為1001個(gè)的真實(shí)和虛擬用戶進(jìn)行壓力測(cè)試，系統(tǒng)能正常運(yùn)行，且用戶均能正常獲得固定解，表明系統(tǒng)滿足至少支持1000個(gè)用戶同時(shí)在線并發(fā)的設(shè)計(jì)要求。在這1001個(gè)用戶中：32個(gè)是真實(shí)用戶，使用的是不同廠家（華測(cè)、南方、中海達(dá)和天寶）的GNSS接收機(jī)；969個(gè)為電腦和手機(jī)端虛擬用戶，其中電腦端軟件為華測(cè)VRS計(jì)算機(jī)接收器，手機(jī)端軟件為華測(cè)測(cè)地通（LandStar）7.2版，從遼東半島、渤海灣或山東半島的不同沿海城市，通過(guò)電信、聯(lián)通或移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，使用傳輸控制協(xié)議(transmission control protocol，TCP)登陸系統(tǒng)。

2 精度評(píng)估

2.1 陸上靜態(tài)定位精度評(píng)估

陸上靜態(tài)精度評(píng)估采用靜態(tài)已知點(diǎn)檢測(cè)法。通過(guò)在系統(tǒng)定位覆蓋區(qū)域內(nèi)選擇具有代表性的坐標(biāo)精確已知的網(wǎng)內(nèi)和網(wǎng)外檢測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)RTK實(shí)時(shí)定位，對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到在檢測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)定位的內(nèi)、外符合精度情況，可對(duì)陸上靜態(tài)定位精度做出評(píng)估[14]。其中內(nèi)符合精度反映系統(tǒng)定位的穩(wěn)定性，外符合精度反映系統(tǒng)定位的準(zhǔn)確性[15]。

本次測(cè)試在系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)選擇20個(gè)點(diǎn)，其中10個(gè)網(wǎng)內(nèi)點(diǎn)、10個(gè)網(wǎng)外點(diǎn)。測(cè)試過(guò)程需要進(jìn)行2次重新連接和重新初始化，采樣率為1 s，得到固定解即開始記錄測(cè)量結(jié)果，連續(xù)記錄120個(gè)以上測(cè)量值和連接、初始化時(shí)間作為一組測(cè)試數(shù)據(jù)，然后網(wǎng)絡(luò)斷開重新連接并記錄另外一組數(shù)據(jù)，按此方法測(cè)試3次，共記錄3組數(shù)據(jù)。內(nèi)、外符合精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8所示，滿足平面優(yōu)于0.05、高程優(yōu)于0.10 m的設(shè)計(jì)要求。

圖8 實(shí)時(shí)定位RTK內(nèi)、外符合精度統(tǒng)計(jì)

2.2 事后靜態(tài)精密定位精度評(píng)估

觀測(cè)方法同2.1節(jié)，只是在內(nèi)業(yè)處理時(shí)將流動(dòng)站與相關(guān)基準(zhǔn)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)一起處理，通過(guò)對(duì)事后解算結(jié)果與控制點(diǎn)的已知坐標(biāo)的差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算外符合精度，即可對(duì)系統(tǒng)定位精度做出評(píng)定。本次測(cè)試共測(cè)設(shè)10個(gè)控制點(diǎn)，其中網(wǎng)內(nèi)點(diǎn)5個(gè)、網(wǎng)外點(diǎn)5個(gè)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖9所示（單位：m），控制點(diǎn)事后精密定位精度均滿足平面優(yōu)于0.02、高程優(yōu)于0.04 m的設(shè)計(jì)要求。

圖9 事后精密定位精度統(tǒng)計(jì)

2.3 動(dòng)態(tài)定位精度評(píng)估

采用固定基線長(zhǎng)度相對(duì)檢測(cè)方法，在作業(yè)車輛或船舶上架設(shè) 2個(gè)同一廠家同批次生產(chǎn)的用戶接收機(jī)，計(jì)算相同時(shí)間內(nèi)2臺(tái)接收機(jī)設(shè)備之間的基線長(zhǎng)度，其結(jié)果與事先通過(guò)鋼尺量測(cè)得到的2臺(tái)設(shè)備之間的距離的差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算內(nèi)外符合精度[16]。車載動(dòng)態(tài)定位精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖10（圖10(c)至圖10(e)中橫坐標(biāo)為固定解點(diǎn)序號(hào)），船載動(dòng)態(tài)定位精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖11（圖11(c)至圖11(e)中橫坐標(biāo)為固定解點(diǎn)序號(hào)），同時(shí)相對(duì)RTK內(nèi)、外符合精度均小于0.05 m，符合實(shí)時(shí)定位精度水平優(yōu)于0.05 m的設(shè)計(jì)要求。

圖10 車載動(dòng)態(tài)定位內(nèi)外符合定位精度統(tǒng)計(jì)

圖11 船載動(dòng)態(tài)定位內(nèi)外符合定位精度統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)束語(yǔ)

渤海灣及煙大航路區(qū)域 BDS精密定位服務(wù)系統(tǒng)的建成，標(biāo)志著中國(guó)沿海地區(qū)海上定位精度首次進(jìn)入厘米時(shí)代，是BDS在國(guó)際海事領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化和國(guó)際化發(fā)展的一個(gè)重要里程碑，對(duì)保障船舶航行安全、提高航運(yùn)效率、助推經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

本文論述了該系統(tǒng)功能測(cè)試、性能測(cè)試和精度評(píng)估的內(nèi)容、方法和結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)功能和性能水平進(jìn)行了論證，為下一步對(duì)外服務(wù)提供了科學(xué)保證。

由于系統(tǒng)建成時(shí)間不長(zhǎng)，運(yùn)行數(shù)據(jù)積累有限，加之測(cè)試時(shí)間有限，一些測(cè)試尚無(wú)法或未來(lái)得及開展，有待后續(xù)進(jìn)一步完善，如基準(zhǔn)站穩(wěn)定性測(cè)試（定期監(jiān)測(cè)和復(fù)測(cè)）、基準(zhǔn)站高等級(jí)水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)、更廣泛的邊界（有效服務(wù)范圍）測(cè)試和CORS服務(wù)年可用性評(píng)估等。