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        三家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的高精度定位服務(wù)性能對(duì)比分析

        2022-07-06 14:41:02史俊波歐陽(yáng)晨皓岳金廣郭際明
        關(guān)鍵詞:多路徑歷元北斗

        史俊波 歐陽(yáng)晨皓 岳金廣 陳 明 郭際明

        1 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院,武漢市珞喻路129號(hào),430079 2 國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心,北京市蓮花池西路28號(hào),100830

        北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)最早由各省市的測(cè)繪部門組織建設(shè)并提供服務(wù),隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”業(yè)務(wù)范圍的逐漸擴(kuò)大,目前我國(guó)已出現(xiàn)了多家覆蓋全國(guó)的商用北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng),包括2016年推出的千尋位置、2020-07推出的六分科技和2020-10推出的中國(guó)移動(dòng)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng),其中千尋位置提供的網(wǎng)絡(luò)RTK是國(guó)內(nèi)最早的商用北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng),已有學(xué)者對(duì)其服務(wù)進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究[1-3]。

        3家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)性能對(duì)于高精度“北斗+”的推廣應(yīng)用具有重要意義,但目前尚未有對(duì)其較系統(tǒng)的比較分析。本文從3家網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)提供商對(duì)北斗三號(hào)新衛(wèi)星和新信號(hào)的支持情況、北斗原始觀測(cè)值的數(shù)據(jù)質(zhì)量及高精度定位性能等方面進(jìn)行詳細(xì)分析,給北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTK用戶提供使用建議。

        1 北斗原始觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析指標(biāo)

        本文選取數(shù)據(jù)完整率、多路徑誤差、信噪比、周跳比這4項(xiàng)指標(biāo)對(duì)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的北斗原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析,各指標(biāo)的具體含義為:

        1)數(shù)據(jù)完整率為實(shí)際觀測(cè)歷元數(shù)與理論觀測(cè)歷元數(shù)的百分比,計(jì)算公式如下:

        (1)

        式中,α為數(shù)據(jù)完整率,Ni為實(shí)際觀測(cè)歷元數(shù),N0為理論觀測(cè)歷元數(shù)。

        2)多路徑誤差MPij為觀測(cè)信號(hào)第i頻率相對(duì)于第j頻率上多路徑效應(yīng)的影響,MPij的值越小,抗多路徑效應(yīng)的能力越強(qiáng)。MPij的計(jì)算公式如下:

        (2)

        式中,Pi為第i頻率上的偽距觀測(cè)值,φi、φj分別為第i和第j頻率上的相位觀測(cè)值,α為第i和第j頻率fi、fj之比的平方,即α=(fi/fj)2。

        3)信噪比(SNR)為信號(hào)功率和噪聲功率之間的比率,SNR越高,信號(hào)質(zhì)量越好。SNR可以從觀測(cè)文件中直接獲取。

        4)周跳比是反映周跳情況的指標(biāo),公式如下:

        (3)

        式中,o/slip表示觀測(cè)值數(shù)num_of_all和周跳數(shù)num_of_slip的比值,比值越小,周跳情況越嚴(yán)重。

        2 北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)原始數(shù)據(jù)采集方案

        本文通過(guò)自編Ntrip客戶端軟件獲取千尋位置、六分科技及中國(guó)移動(dòng)3家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)的原始數(shù)據(jù)。需要指出的是,每個(gè)網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)都提供了多個(gè)掛載點(diǎn),每個(gè)掛載點(diǎn)對(duì)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)和觀測(cè)值信號(hào)的支持能力不一樣。為保證數(shù)據(jù)分析的一致性,本文選取官方推薦的掛載點(diǎn),分別為AUTO(千尋位置)、RTCM32_GRECJ2(六分科技)、RTCM33_GRCE(中國(guó)移動(dòng)),且均選擇CGCS2000坐標(biāo)框架對(duì)應(yīng)的端口號(hào)。

        依據(jù)Ntrip協(xié)議客戶端與服務(wù)端的交互邏輯,在2021-07-21~22以31°00′58.345″、109°27′55.891″模擬用戶近似坐標(biāo),分別實(shí)時(shí)接收8~9 h的網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)原始數(shù)據(jù),并按照RTCM V3.3給定的標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行解碼。由文獻(xiàn)[2-4]可知,目前北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)為虛擬格網(wǎng)模式,而非傳統(tǒng)虛擬基站模式,因此本文實(shí)際采集的3個(gè)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)是距用戶坐標(biāo)最近的虛擬格網(wǎng)點(diǎn)的虛擬觀測(cè)數(shù)據(jù),具體采集情況如表1所示。由表可見(jiàn),3家系統(tǒng)返回的虛擬格網(wǎng)點(diǎn)與用戶的距離小于58.4″ N、56.0″ E(約2.4 km),千尋位置與中國(guó)移動(dòng)虛擬格網(wǎng)點(diǎn)的橢球高差僅為4.2 cm,而與六分科技的橢球高差為779.808 m。

        表1 3家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)原始數(shù)據(jù)采集情況

        3 結(jié)果與分析

        3.1 3家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)和信號(hào)的支持情況

        相較于GPS、GLONASS和Galileo系統(tǒng)相對(duì)固定的星座和信號(hào)結(jié)構(gòu),北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)遵循逐步建設(shè)、逐步完善的發(fā)展規(guī)律。由于北斗二號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)的正式宣布時(shí)間(2012-12)遠(yuǎn)早于3家網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)提供商的成立時(shí)間,這3家提供商的網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)支持所有北斗二號(hào)衛(wèi)星(C01-C16)。但是針對(duì)2020-07正式宣布的北斗三號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)[5-6],這3家提供商的支持能力各有不同。表2為3家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)北斗衛(wèi)星的支持情況,需要指出的是,原始RTCM數(shù)據(jù)的解析以標(biāo)準(zhǔn)RTCM V3.3協(xié)議為準(zhǔn)[7],3家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的基礎(chǔ)上自定義數(shù)據(jù)類型,例如北斗三號(hào)新信號(hào)B1C、B2a均不包括在本文分析中;本文對(duì)原始北斗觀測(cè)值的字符標(biāo)識(shí)以標(biāo)準(zhǔn)RINEX 3.04協(xié)議為準(zhǔn)[8]。由表2可知:1)北斗三號(hào)衛(wèi)星共30顆,包括24顆MEO衛(wèi)星、3顆IGSO衛(wèi)星和3顆GEO衛(wèi)星,其中千尋位置除C59、C60、C61三顆GEO衛(wèi)星外共支持27顆衛(wèi)星,六分科技除C61外共支持29顆衛(wèi)星,中國(guó)移動(dòng)僅支持C19~C30、C32~C37共18顆MEO衛(wèi)星;2)從信號(hào)類型來(lái)看,千尋位置和中國(guó)移動(dòng)支持3個(gè)頻率的偽距、相位和信噪比觀測(cè)值,而六分科技僅支持B1和B3兩個(gè)頻率的偽距、相位和信噪比觀測(cè)值;3)從具體的信號(hào)頻率來(lái)看,對(duì)于北斗二號(hào)衛(wèi)星,千尋位置和中國(guó)移動(dòng)支持B1I+B2I+B3I,六分科技支持B1I+B3I;對(duì)于北斗三號(hào)衛(wèi)星,3家服務(wù)提供商均支持B1I+B3I。

        表2 3家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)北斗系統(tǒng)的支持情況(2021-07-21~22)

        3.2 3家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)北斗原始數(shù)據(jù)質(zhì)量

        利用本文提供的數(shù)據(jù)完整率、多路徑誤差、信噪比、周跳比4項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算公式得到3家網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)提供商的基準(zhǔn)站北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量(表3和圖1)。結(jié)果表明:1)3家服務(wù)提供商的北斗數(shù)據(jù)完整率均為100%;2)六分科技不支持第二頻率,故沒(méi)有MP2和SNR2指標(biāo),3家服務(wù)提供商提供的北斗數(shù)據(jù)多路徑誤差都不超過(guò)0.13 m;3)3家服務(wù)提供商的信噪比為43.84~48.13 dB;4)中國(guó)移動(dòng)的周跳比最低,小于千尋位置和六分科技。

        表3 3家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)北斗原始數(shù)據(jù)質(zhì)量

        圖1 3家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)的北斗原始數(shù)據(jù)完整率、多路徑效應(yīng)、信噪比、周跳比Fig.1 Data integrity, multipath effect, signal-to-noise ratio and cycle slip ratio ofthree BDS ground-based augmentation system network RTK service

        3.3 3家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的高精度定位性能

        3.3.1 高精度定位解算方案

        取2021-07-22采集的數(shù)據(jù),按照2種解算模式對(duì)3家系統(tǒng)的定位性能進(jìn)行分析:1)從控制測(cè)量應(yīng)用的角度出發(fā),按照單基線解算模式計(jì)算3個(gè)虛擬基站之間的基線向量,并統(tǒng)計(jì)閉合差等指標(biāo);2)從變形監(jiān)測(cè)應(yīng)用的角度出發(fā),將3個(gè)虛擬站數(shù)據(jù)分別模擬為基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站,按照單歷元RTK模式解算,選取該虛擬站對(duì)應(yīng)的RTCM 1005報(bào)文中的虛擬格網(wǎng)坐標(biāo)作為定位結(jié)果的參考。以上2種解算模式均采用B1I單頻信號(hào),且設(shè)置了BDS-2和BDS-2+3進(jìn)行對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)。

        3.3.2 單基線解算結(jié)果

        表4為3個(gè)虛擬基準(zhǔn)站之間基線向量組成的閉合差統(tǒng)計(jì)結(jié)果,其中閉合環(huán)長(zhǎng)度為8.19 km,基于BDS-2觀測(cè)數(shù)據(jù)的閉合差為10.2 mm,相對(duì)誤差為1.24×10-6;基于BDS-2+3觀測(cè)數(shù)據(jù)的閉合差為13.3 mm,相對(duì)誤差為1.62×10-6。

        表4 單基線解算結(jié)果的閉合差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

        3.3.3 單歷元RTK解算結(jié)果

        如表5所示,本文共進(jìn)行6組單歷元RTK解算實(shí)驗(yàn),取全時(shí)段最后30個(gè)歷元的結(jié)果,分別統(tǒng)計(jì)定位誤差的標(biāo)準(zhǔn)差STD和平均值mean。圖2為這6組定位結(jié)果誤差的標(biāo)準(zhǔn)差和平均值,結(jié)果表明:1)3個(gè)虛擬站之間的RTK誤差STD水平向均小于3 mm,垂直向均小于9 mm,且BDS-2+3的穩(wěn)定性優(yōu)于BDS-2;2)3個(gè)虛擬站之間RTK定位誤差均值存在cm~dm級(jí)的系統(tǒng)性偏差,其中六分科技和中國(guó)移動(dòng)虛擬站的解算組合RTK誤差均值最大,水平向高達(dá)13.67 cm,垂直向高達(dá)47.28 cm。這是六分科技虛擬格網(wǎng)點(diǎn)與中國(guó)移動(dòng)虛擬格網(wǎng)點(diǎn)的高差高達(dá)779.766 m所致(表1),在這種大高差情形下存在較大的雙差對(duì)流層殘差,進(jìn)而會(huì)引起定位結(jié)果的系統(tǒng)性偏差,特別是在高程方向[9],這同樣也能解釋千尋位置和六分科技之間在高程方向存在的44.80 cm偏差。因此,在利用北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)進(jìn)行高精度定位作業(yè)時(shí),建議不要使用不同的北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng),以避免不同北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)帶來(lái)的定位結(jié)果偏差。

        表5 單歷元RTK精度統(tǒng)計(jì)

        圖2 3個(gè)虛擬格網(wǎng)點(diǎn)之間的單歷元RTK結(jié)果Fig.2 Single-epoch RTK results between three virtual grid points

        4 結(jié) 語(yǔ)

        本文深入研究千尋位置、六分科技和中國(guó)移動(dòng)3家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng),分別采集了2021-07-21~22內(nèi)8~9 h的數(shù)據(jù),得到以下結(jié)論:

        1)千尋位置和中國(guó)移動(dòng)支持BDS-2三頻信號(hào)(B1I、B2I、B3I)和BDS-3雙頻信號(hào)(B1I、B3I),六分科技支持BDS-2和BDS-3雙頻信號(hào)(B1I、B3I)。3家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)都能提供100%的北斗數(shù)據(jù)完整率,六分科技的多路徑誤差和信噪比指標(biāo)最優(yōu),千尋位置的周跳比指標(biāo)最優(yōu)。

        2)單基線解算結(jié)果表明,3家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)虛擬基站組成的閉合環(huán)相對(duì)誤差均小于2×10-6。單歷元RTK解算結(jié)果表明,3家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)均能提供水平向優(yōu)于3 mm、垂直向優(yōu)于9 mm的內(nèi)符合精度,但不同北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)之間存在cm~dm級(jí)的定位結(jié)果系統(tǒng)性偏差,因此不建議在單歷元RTK作業(yè)時(shí)使用不同的北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)。

        需要指出的是,本文結(jié)論是基于2021-07-21~22采集數(shù)據(jù)得到的。隨著各服務(wù)提供商對(duì)BDS-3新衛(wèi)星/新信號(hào)兼容性的升級(jí)及虛擬格網(wǎng)生成算法的優(yōu)化,3家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)服務(wù)提供商之間的系統(tǒng)性偏差有望減小,并最終實(shí)現(xiàn)北斗高精度定位服務(wù)共享。

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