王海濤 王 維 成夏葳 楊夢佳 樊康堯

(1. 自然資源部大地測量數(shù)據(jù)處理中心 陜西 西安 710054;2. 自然資源部第二地形測量隊 陜西 西安 710054)

0 引言

衛(wèi)星導航定位連續(xù)運行參考站系統(tǒng)(Conti-nuously Operating Reference Stations,CORS)能夠提供高精度、網(wǎng)格化、自動化、快速、可靠、有效的位置信息服務,廣泛應用于基礎測繪、交通運輸、環(huán)境監(jiān)測、地理信息更新和國土資源調(diào)查、災害預警、氣象預報等[1-3]。隨著中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)-3完成全球組網(wǎng),與全球定位系統(tǒng)(global position-ing system,GPS)、格洛納斯衛(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GLONASS)、伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Galileo satellite navigation system,GALILEO)共同組成全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS),CORS可以使用的衛(wèi)星星座和衛(wèi)星數(shù)的增加,提升了系統(tǒng)的固定率和穩(wěn)定性[4-6]。劉洋洋從解算策略角度評估了BDS-3的B1C/B2a雙頻實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)(real-time kinematic,RTK)的定位性能,模糊固定率優(yōu)于99%[7]。張亮通過實驗分析BDS/GPS組合相對于單GPS、BDS,在高高度角下依然能夠提供大于8顆可見衛(wèi)星數(shù),使得全天候連續(xù)高精度定位得到保證[8]。糜曉龍對BDS-3和GALILEO組合的RTK定位性能分析顯示BDS-3和GALILEO組合的RTK定位性能相對于單BDS-3和GALILEO在模糊度固定成功率和定位精度上都有10%以上的提升[9]。眾多學者研究北斗三號對RTK定位精度和收斂時間影響大部分是根據(jù)實驗網(wǎng)和測試站進行實驗分析,表明BDS-3的加入定位精度具有明顯提高[10-12]。陜西北斗CORS系統(tǒng)通過軟硬件升級,已全面支持BDS-3和其他GNSS衛(wèi)星系統(tǒng),本文基于陜西北斗CORS設計控制點測量和長時間連續(xù)測量方案,同時對單北斗系統(tǒng)定位性能進行測試分析,全面評估陜西北斗CORS定位性能和BDS-3對系統(tǒng)的影響,系統(tǒng)的評估方法可為系統(tǒng)運行提供技術(shù)支持和運維指導。

1 方案設計與概況

1.1 系統(tǒng)概況與資料

陜西省北斗衛(wèi)星導航定位基準站系統(tǒng)簡稱陜西北斗(SHX-BDCORS),共建設136座基準站,已為多家企事業(yè)單位、行業(yè)部門和科研機構(gòu)提供了公益性、全天候、高精度實時位置服務,極大提升了陜西省衛(wèi)星定位測量保障服務能力。2020年4月,系統(tǒng)完成軟硬件升級,整網(wǎng)支持BDS-2、BDS-3衛(wèi)星信號的全部頻點(B1I、B1C、B2a、B2b、B3I),是我國首個支持全星座、全頻點、全北斗的高精度定位服務系統(tǒng)。系統(tǒng)運行初期布設4個測試點,采集8 h靜態(tài)觀測數(shù)據(jù),靜態(tài)解算獲得高精度坐標,坐標精度如表1所示,N、E方向精度在1 mm左右,U方向在8 mm以內(nèi)。

表1 靜態(tài)解算坐標精度統(tǒng)計 單位：mm

1.2 評估方法

1.2.1 陜西北斗CORS系統(tǒng)定位性能評估方案

根據(jù)RTK使用場景,本研究設計2類測試方式,一類是控制點測試包括方案一、方案二、方案三(表2),另一類是連續(xù)性測試為方案四、方案五(表3),方案間比較可以分析系統(tǒng)不同采樣間隔、不同歷元數(shù)量、不同星座系統(tǒng)與不同CORS系統(tǒng)間差異,綜合評估陜西北斗CORS系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、易用性。

表2 控制點測試方案

表3 連續(xù)性測試方案

1.2.2單北斗系統(tǒng)定位性能評估方案

開闊環(huán)境使用天寶接R10收機在固定點位分別采用全星座系統(tǒng)、單BDS-2系統(tǒng)和單BDS-3系統(tǒng)連續(xù)采集多個測回和歷元坐標成果,對數(shù)據(jù)進行分析。

1.3 儀器與設置

根據(jù)規(guī)范中對儀器精度要求[13-14],選擇天寶R10接收機,網(wǎng)絡RTK精度,水平±10 mm+0.5×D×10-6,高程±20 mm+0.5×D×10-6;南方極點接收機的動態(tài)精度,水平±8 mm+1×D×10-6,高程±15 mm+1×D×10-6,D為基線長度,單位為毫米。采用三角支撐對中桿架設接收機,根據(jù)方案要求進行設置衛(wèi)星星座、采樣間隔,為了避免系統(tǒng)信號延遲和軟件初始化影響,操作斷開儀器與網(wǎng)絡RTK連接,實現(xiàn)測回間測量。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 陜西北斗CORS系統(tǒng)定位性能測試結(jié)果分析

2.1.1數(shù)據(jù)整理與不同采樣間隔分析

對方案一、二、三不同采樣間隔下各測回數(shù)據(jù)整理分析,計算每測回坐標平均值。根據(jù)規(guī)范要求[13],計算各測回間平均值較差最大值(3個測回中各方向最大值與最小值的差),如表4所示,在2 s、5 s、15 s測量間隔下,測回間N、E、U方向最大較差分別為1.6 cm、1.3 cm、3.4 cm均符合規(guī)范中各測回間平面和高程方向坐標較差應不大于4 cm的要求。3個測回的坐標平均值作為最終測量坐標結(jié)果。

表4 各方案不同采樣間隔測回間較差最大值統(tǒng)計 單位：cm

內(nèi)符合精度：內(nèi)符合精度是以估計最似然估值為比對基準,主要反映觀測值之間的離散度,即精密度,一般用標準差來度量[15]。極差是測量中最大值與最小值的差,是測量坐標序列中的最大波動量。計算方案一、二、三不同采樣間隔下極差和標準差以及不同采樣間隔平均值間互差最大值,因篇幅原因,只列出方案一統(tǒng)計結(jié)果如表5和表6所示。陜西北斗CORS系統(tǒng)網(wǎng)絡RTK性能設計指標：內(nèi)符合精度平面≤3 cm,高程≤5 cm;外符合精度平面≤5 cm,高程≤10 cm。標準差顯示內(nèi)符合精度符合陜西北斗CORS系統(tǒng)性能指標要求。平均值間較差最大值是2s、5s、15s間隔下N、E、U三個方向的平均值間最大差異值,可分析相同歷元數(shù),不同采樣間隔下的差值大小。根據(jù)方案一到方案三不同采樣間隔下N、E、U三個方向的標準差值分析,得到在3個測回,不同采樣間隔對坐標精度的影響較小,無顯著差異和規(guī)律性,說明采樣間隔對結(jié)果的影響較小。

表5 方案一不同采樣間隔下坐標統(tǒng)計 單位：mm

表6 方案一2 s、5 s和15 s采樣間隔下坐標平均值互差最大值 單位：mm

由各方案中不同采樣間隔標準差得出相同測回和歷元數(shù)下,水平N、E方向坐標內(nèi)符合精度均達到毫米級,由坐標序列圖可以看出在水平方向波動較小,結(jié)果穩(wěn)定。高程方向精度均在20 mm以內(nèi),相對水平方向精度稍低。水平方向極差在30 mm以內(nèi),高程方向最大極差74 mm,表明高程方向波動較大,采用多歷元、多測回觀測可有效減少偶然誤差影響。

采集相同測回和歷元數(shù),采樣間隔越大則耗時越長,通過以上對比分析可知,在15 s的采樣間隔,耗時增加,但與精度提高并成正相關。比較不同采樣間隔下平均值間較差水平方向均在5 mm以內(nèi),高程方向均在11 mm以內(nèi),表明坐標成果內(nèi)符合精度較好,結(jié)果可靠。根據(jù)規(guī)范[13]要求采樣間隔應大于2 s,根據(jù)以上測試分析,表明采樣間隔設定在15 s內(nèi),在保證坐標精度的情況下,適當降低采樣間隔可以提高作業(yè)效率。

2.1.2歷元數(shù)量對坐標結(jié)果影響

方案一與方案二采用相同儀器和設置及衛(wèi)星系統(tǒng),采集3個測回,方案一每測回30個歷元,方案二每測回60個歷元,對比分析2 s、5 s、15 s采樣間隔下90個歷元和180個歷元的差異(圖1),可分析不同采樣間隔和歷元數(shù)量對定位結(jié)果的影響。統(tǒng)計兩種方案在水平和高程方向標準差差異,表明當90個歷元增加到180個歷元后部分點位的N、E、U方向測量標準差減小,說明內(nèi)符合精度有所提升,但部分測點的某個方向標準差稍微增大,均在毫米級,也符合設計和規(guī)范要求,表明當觀測歷元達到一定數(shù)量時,其精度與歷元增加數(shù)量不成正比關系。由平均值之差得到坐標間差異水平方向在1.5 cm以內(nèi),高程方向在2 cm以內(nèi)。綜上,在實際測量中我們根據(jù)規(guī)范進行控制測量時應不少于20個歷元,測量間隔大于2 s。

圖1 方案一中CHJ2點不同采樣間隔下N、E、U方向坐標變化

2.1.3不同星座組合定位結(jié)果分析

方案一采用三星系統(tǒng)(GPS+GLO+BDS),方案三采用雙星系統(tǒng)(GPS+BDS),比較分析三星系統(tǒng)與雙星系統(tǒng)的定位結(jié)果精度和差異。統(tǒng)計標準差和平均值差異如表7所示。由標準差之差可以看出雙星系統(tǒng)與三星系統(tǒng)在相同的觀測歷元和采樣間隔下坐標精度相差較小,水平方向最大為3.7 mm,高程方向最大為7.7 mm,均在毫米級,說明雙星系統(tǒng)與三星系統(tǒng)的測量精度相當,差異較小,測量過程中接收機顯示接收使用的GOLNASS系統(tǒng)衛(wèi)星只有3～4顆,其對整體精度貢獻較小。比較平均值之差水平方向最大差值為18.4 mm,高程方向為25.4 mm,其差異也符合規(guī)范要求和系統(tǒng)設計指標。說明系統(tǒng)在雙星系統(tǒng)時也可以穩(wěn)定運行并測得可靠坐標成果。

表7 方案一與方案三標準差之差統(tǒng)計表 單位：mm

2.1.4與高精度靜態(tài)成果比較分析

將方案一、二、三中不同采樣間隔的坐標平均值與靜態(tài)解算成果比較,顯示各點在N、E方向差異均小于4 cm,U方向均小于7 cm,外符合精度符合陜西北斗CORS設計精度指標要求。由于已知點的外業(yè)觀測是在2019年完成距本次測試已有2年時間,點位采用簡單的釘子標志,總體上各點位的外符合精度良好,具有一定的參考意義。

2.1.5不同CORS系統(tǒng)間比較

采用南方極點接收機在CHJ4點分別連接陜西北斗CORS系統(tǒng)和中國移動CORS系統(tǒng)連續(xù)觀測,設置采樣間隔1 s,理論上20 min可采集1200個歷元,實際存在歷元丟失情況,連接SHX-BDCORS賬號需要1211 s采集完成,連接中國移動CORS賬號需要1217 s采集完成。比較分析中國移動CORS與陜西北斗CORS成果差異和坐標時間序列波動以及易用性和可靠性。

對1200個歷元坐標,計算標準差、平均值與靜態(tài)解算成果對比,如表8所示,水平方向差異較小,高程方向平均值之差13.6 mm,高程方向采用SHX-BDCORS測量結(jié)果更接近靜態(tài)解算成果。從標準差來看水平方向精度都達到毫米級,高程方向均小于10 mm,中國移動CORS測得的坐標標準差較小,坐標序列穩(wěn)定。測量過程中,南方極點接收機的手簿會因信號延遲超限停止采集數(shù)據(jù),延遲達標后,繼續(xù)采集數(shù)據(jù),結(jié)合其存在歷元缺失現(xiàn)象,推測在觀測過程中接收機會通過對信號質(zhì)量進行監(jiān)測來保證觀測結(jié)果的穩(wěn)定與可靠。

表8 坐標標準差與平均值之差統(tǒng)計 單位：mm

2.1.6長時間連續(xù)觀測結(jié)果分析

采用南方極點接收機連接中國移動CORS全星座賬號,天寶R10接收機連接陜西北斗CORS三星系統(tǒng),同時在空曠的樓頂連續(xù)觀測12 h以上,采樣間隔1 s,分析在同等環(huán)境下進行長時間測量的系統(tǒng)穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)采集見表9。

表9 數(shù)據(jù)采集情況

南方極點接收機的采集率只有92%存在明顯的歷元缺失,缺失時長最大13 s,同時存在1 s采集2個數(shù)據(jù)情況。天寶R10接收機采集率達到99%,不存在1 s采集多個數(shù)據(jù)情況,說明陜西北斗CORS系統(tǒng)運行穩(wěn)定。由各方向標準差和極差來看(表10),南方極點接收機連接中國移動CORS優(yōu)于天寶R10接收機連接陜西北斗CORS。

表10 極差和標準差統(tǒng)計 單位：mm

2.2 單北斗系統(tǒng)測試結(jié)果分析

開闊環(huán)境下在固定點位分別使用陜西北斗CORS系統(tǒng)的3星座系統(tǒng)、單BDS-2和單BDS-3系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集。分析歷元坐標序列顯示：單BDS-3系統(tǒng)與3星座系統(tǒng)在N、E方向定位精度相當,在U方向的精度略低,但較單BDS-2系統(tǒng)在U方向提升30%～40%。如圖2所示。在復雜困難觀測環(huán)境下,BDS-2系統(tǒng)無法單獨定位的區(qū)域,加入BDS-3可以獲取固定解,同時也能提升3星系統(tǒng)下定位能力,但單BDS-3系統(tǒng)的固定時間明顯大于3星座系統(tǒng)。

圖2 單BDS-3系統(tǒng)下坐標變化圖

3 結(jié)束語

通過控制點測量、連續(xù)測量、單北斗系統(tǒng)測試等多種方案,結(jié)合已有資料和規(guī)范要求,對結(jié)果綜合分析得出以下結(jié)論：

(1)陜西北斗CORS系統(tǒng)定位性能穩(wěn)定,結(jié)果可靠,使用方便,在實際測量中我們根據(jù)規(guī)范要求,進行控制測量時應不少于20個歷元,測量間隔大于2 s,既可得到符合要求的成果。

(2)陜西北斗CORS雙星系統(tǒng)與3星系統(tǒng),固定解下均可獲得可靠穩(wěn)定的坐標成果。單BDS-3系統(tǒng)與現(xiàn)行的3星系統(tǒng)進行RTK測量平面定位精度相當,高程方向精度略低,但相較于單BDS-2系統(tǒng)在高程方向精度具有明顯提升。

(3)中國移動CORS系統(tǒng)與陜西北斗CORS系統(tǒng)測量精度相當,SHX-BDCORS測量結(jié)果與靜態(tài)解算成果差異較小,在陜西省內(nèi)開展測繪作業(yè),建議使用陜西北斗CORS系統(tǒng)。