利用北斗連續(xù)運行參考站系統(tǒng)提高導(dǎo)航定位精度的試驗

潘國富，鮑志雄

（廣州中海達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司，廣州 511400）

1 引言

目前全國各省市已經(jīng)建立了很多連續(xù)運行參考站系統(tǒng)（continuous operational reference system，CORS）用于高精度衛(wèi)星定位測量工作，測繪人員可以全天候接入CORS系統(tǒng)獲取差分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行高精度定位，一般使用雙頻接收機(jī)進(jìn)行實時載波相位差分（real time kinematic，RTK）定位［1］，精度能達(dá)到厘米級。但是在民用導(dǎo)航領(lǐng)域，針對消費級的導(dǎo)航運用的定位需求，采用低成本的天線及衛(wèi)星接收芯片在CORS覆蓋區(qū)域內(nèi)利用實時碼差分（real time code differential，RTD）定位，使得精度提高到亞米級，則可以大大提高CORS系統(tǒng)的運用價值。

隨著中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system，BDS）的建成和完善，利用多系統(tǒng)帶來的衛(wèi)星數(shù)量優(yōu)勢可以解決城市導(dǎo)航的問題，從而給CORS帶來更廣泛的的運用價值?；诟呔鹊腂DSCORS系統(tǒng)來開發(fā)面向民用導(dǎo)航的差分服務(wù)系統(tǒng)到需要考慮解決多星座融合、差分定位技術(shù)方案選型、硬件成本條件限制、終端設(shè)備集成、系統(tǒng)多用戶并發(fā)等關(guān)鍵問題［2］。本文將介紹民用導(dǎo)航差分定位系統(tǒng)的基本定位原理及軟件體系的分布式架構(gòu)設(shè)計，結(jié)合實際系統(tǒng)的建設(shè)及測試數(shù)據(jù)，驗證相關(guān)算法的精度和系統(tǒng)可靠性。

2 民用導(dǎo)航差分定位系統(tǒng)的定位原理

民用導(dǎo)航差分定位系統(tǒng)采用RTD方法作為原型，這種方法采用衛(wèi)星的偽距觀測值進(jìn)行定位，因此采用導(dǎo)航芯片級的接收機(jī)及天線即可，對接收機(jī)的硬件要求較低，由于不存在周跳探測和模糊度固定的問題［3］，解算模型原理較為簡單［4］。

RTD定位通常使用國際通用的RTCM2.x標(biāo)準(zhǔn)格式中的1號電文進(jìn)行差分?jǐn)?shù)據(jù)傳播［5］，該電文主要提供了各個衛(wèi)星的偽距改正數(shù)（pseudo range correction，PRC）及偽距改正數(shù)的變化率（range rate correction，RRC）。移動端對每一顆公共衛(wèi)星進(jìn)偽距觀測值的改正

式（1）中，PRC（t0）為參考站系統(tǒng)提供的t0時刻的偽距改正數(shù)，RRC是t0時刻的偽距改正數(shù)速率。根據(jù)式（1）可以對任意衛(wèi)星的觀測值PRM（t）進(jìn)行改正，改正公式為

式（2）中，PR（t）代表改正后的衛(wèi)星觀測值，移動端解算程序按照式（1）和式（2）對衛(wèi)星觀測值進(jìn)行改正后再進(jìn)行單點定位過程，即可獲得RTD定位結(jié)果，單點定位的具體公式這里不再贅述，需要注意的是：由于PRC改正值已經(jīng)包含了對流層和電離層的改正信息，移動站在單點定位時不需要再進(jìn)行相關(guān)信息的模型改正，以免重復(fù)計算造成系統(tǒng)誤差。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)RTD定位差分電文格式的BDS擴(kuò)展

最新的RTCM3.02標(biāo)準(zhǔn)里面，已經(jīng)添加了對BDS差分電文的支持［6］，但是目前國內(nèi)外僅有少數(shù)廠家完成了升級，預(yù)計真正推廣使用還需要一定的時間。考慮到民用導(dǎo)航領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)鏈路的通訊成本要求，本文采用RTCM2.x電文進(jìn)行差分?jǐn)?shù)據(jù)傳播，由于RTCM2.x標(biāo)準(zhǔn)里面缺少對北斗系統(tǒng)的支持，因此移動設(shè)備端和差分服務(wù)軟件需要自定義BDS的數(shù)據(jù)交換格式，本文按RTCM2.x標(biāo)準(zhǔn)自定義了61號電文，其格式除了電文編號不同，其它內(nèi)容與1號電文的格式保持一致。對于自制的新設(shè)備可以同時采用美國全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）加BDS進(jìn)行RTD組合定位，而對于舊設(shè)備也可以同樣接入系統(tǒng)獲得基于單GPS的RTD定位服務(wù)，這樣就實現(xiàn)了設(shè)備的兼容，對新型北斗接收機(jī)和傳統(tǒng)的單GPS接收機(jī)都可以提供服務(wù)。

2.2 RTD差分?jǐn)?shù)據(jù)生成算法

從RTD的定位原理可知，碼差分的理論前提假設(shè)偽距改正數(shù)包含了大氣誤差影響等綜合影響，在計算偽距改正數(shù)時需注意計算衛(wèi)星位置使用的星歷要一致（根據(jù)IODE判斷）及計算衛(wèi)星位置的算法一致（迭代次數(shù)一致），同時要對終端單點定位過程的鐘差消除、衛(wèi)星鐘差消除、相對論效應(yīng)消除、硬件延遲消除、電離層對流層模型改正等進(jìn)行統(tǒng)一。避免重復(fù)計算導(dǎo)致系統(tǒng)性的偏差，本文實際計算偽距改正數(shù)（PRC）的公式如下

式（3）中，P（t）為衛(wèi)星到基站或VRS站點的理論幾何距離（由衛(wèi)星位置和基站坐標(biāo)可以準(zhǔn)確求出），CA（t）為實際觀測值，dT（s）為衛(wèi)星鐘差（根據(jù)廣播星歷計算得到），Re為相對論效應(yīng)，c為光速。

3 民用導(dǎo)航差分定位系統(tǒng)的分布式架構(gòu)設(shè)計

面向民用導(dǎo)航差分定位系統(tǒng)的用戶群數(shù)量巨大，同時在線的用戶量對于系統(tǒng)服務(wù)的壓力較大，如果每個RTD用戶都采用類似RTK定位那樣的通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行RTCM網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膮f(xié)議標(biāo)準(zhǔn)（networked transport of RTCM via Internet protocol，NTRIP）協(xié)議登陸、則虛擬參考站（virtual reference station，VRS）觀測值生成計算與播發(fā)過程會造成系統(tǒng)阻塞崩潰。因此設(shè)計時必須對用戶連接請求進(jìn)行分流，算法層面則需考慮減少單個用戶的計算量。從以上兩個思路出發(fā)，本文設(shè)計了一套分布式架構(gòu)的CORS系統(tǒng)，可以實現(xiàn)大型CORS系統(tǒng)的組網(wǎng)，同時保證海量用戶的登陸服務(wù)。

3.1 基于CORS系統(tǒng)最近單站的RTD服務(wù)

RTD定位的精度主要受偽距碼精度及大氣誤差的影響，通常作業(yè)范圍可以達(dá)到數(shù)百千米，而現(xiàn)有的CORS系統(tǒng)因為兼顧到RTK用戶的高精度定位需求所以基站之間的距離通常小于100km（即基線短于100km）。所以對于RTD用戶而言，在精度無差異的前提下，沒有必要進(jìn)行虛擬參考站的偽距改正數(shù)的綜合生成，系統(tǒng)只需要找到距離用戶最近的實際基站進(jìn)行RTD差分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)即可，這樣就避免了每一個RTD用戶都進(jìn)行復(fù)雜的內(nèi)插計算和虛擬觀測值的生成計算［7－8］，從而減少了計算復(fù)雜度。

通過以上分析，實際上可以實時生成每一個站點每一個歷元對應(yīng)RTD差分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行廣播，這樣當(dāng)導(dǎo)航用戶登陸服務(wù)器，只需要根據(jù)用戶傳回的標(biāo)準(zhǔn)定位結(jié)果電文NMEA位置查找最近單站的RTD差分?jǐn)?shù)據(jù)源即可。當(dāng)用戶量增加到一定程度時，還可以通過架設(shè)多個服務(wù)單元并部署到不同的電腦上完成用戶分流。

3.2 大規(guī)模CORS系統(tǒng)的分布式設(shè)計

對于大規(guī)模的CORS系統(tǒng)，往往基站數(shù)量超過100個，構(gòu)造的三角網(wǎng)基線數(shù)量達(dá)到數(shù)百條，這樣對于服務(wù)器的基線解算壓力較大，會造成解算延遲和服務(wù)阻塞。因此要考慮對CORS系統(tǒng)的解算單元進(jìn)行分布式的設(shè)計。

本文將站點根據(jù)地域相鄰關(guān)系，劃分為多個子網(wǎng)，每一個子網(wǎng)作為一個獨立的解算單元運行在不同的電腦上，再統(tǒng)一的由服務(wù)單元進(jìn)行集成。當(dāng)用戶登錄時，服務(wù)器根據(jù)用戶位置查找最近的解算單元（子網(wǎng)），再判斷服務(wù)類型，如果是RTD用戶則直接轉(zhuǎn)發(fā)緩存的RTD數(shù)據(jù)包，如果是RTK用戶，則將鏈接轉(zhuǎn)交給相應(yīng)的子網(wǎng)服務(wù)器，系統(tǒng)總體運行原理圖如圖1所示。

圖1 分布式CORS系統(tǒng)架構(gòu)圖

從圖1可以看到，由于有多個解算單元的存在，基線的解算壓力被分?jǐn)偟讲煌挠嬎銠C(jī)上，誤差信息則統(tǒng)一匯總到了服務(wù)單元這里。實際系統(tǒng)還提供了網(wǎng)頁形式的信息管理平臺便于管理人員進(jìn)行日常維護(hù)和運營管理，這里不再贅述。

4 民用導(dǎo)航差分定位系統(tǒng)實現(xiàn)與測試分析

4.1 系統(tǒng)的實現(xiàn)

本文以中國東部某BDS CORS系統(tǒng)作為測試平臺，該CORS系統(tǒng)由11個基站組成，其中最長基線約60km，基站采用國產(chǎn)北斗三星七頻主機(jī)，移動站采用某國產(chǎn)導(dǎo)航芯片集成，全網(wǎng)站點分布示意圖如下：

圖2 測試CORS系統(tǒng)的站點分布圖

RTD服務(wù)軟件基于中海達(dá)ZNetVRS虛擬參考站軟件平臺實現(xiàn)，系統(tǒng)實時生成和對外播發(fā)一秒一次的RTD數(shù)據(jù)，終端設(shè)備通過GPRS網(wǎng)絡(luò)獲取RTD差分?jǐn)?shù)據(jù)。

4.2 測試分析

為了能檢測本文算法的精度及偽距差分的定位服務(wù)的穩(wěn)定性，測試采取實測方式進(jìn)行如下實驗：1）靜止開機(jī)后設(shè)置為RTD定位，按1s的采樣頻率連續(xù)記錄定位結(jié)果；2）事后統(tǒng)計精度計算方法：將坐標(biāo)投影成高斯平面坐標(biāo)，后按不同的方向統(tǒng)計內(nèi)符合中誤差，計算公式如下

式（4）中，N為測試點個數(shù)，Δi為各觀測值與平均值之差，本文進(jìn)行了3次測試，每次8h。精度統(tǒng)計結(jié)果如下：

表1 RTD定位中誤差統(tǒng)計（GPS＋BDS）

從測試結(jié)果可以看出：

1）采用GPS加BDS的RTD定位平面精度可以達(dá)到亞米級精度（1倍標(biāo)準(zhǔn)差），相比傳統(tǒng)的單點定位結(jié)果有明顯提高（廠家標(biāo)稱精度達(dá)5m）。

2）本文系統(tǒng)能夠連續(xù)的進(jìn)行RTD差分定位服務(wù)。

5 結(jié)束語

筆者將本文算法運用在實際BDS CORS系統(tǒng)中投入市場使用多年，測試表明相關(guān)技術(shù)方案正確可行，使用國產(chǎn)的導(dǎo)航芯片可以實現(xiàn)亞米級差分定位精度，隨著國產(chǎn)芯片技術(shù)的發(fā)展，將來導(dǎo)航芯片也能輸出載波觀測值時還可以進(jìn)一步優(yōu)化終端定位算法從而提高終端定位精度［9］。

［1］ 李征航，黃勁松.GPS測量與數(shù)據(jù)處理［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社.2005：71－74.

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［6］ RTCM Standard 10403.2，Differential GNSS（Global Navigation Satellite System）Service，Version 3［S］.

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