北斗系統(tǒng)雙模網(wǎng)絡(luò)實時動態(tài)差分法組合定位性能初探

李成鋼，羅小軍，王長委，石曉春，劉文建

（1.廣東省國土資源測繪院，廣州 510500；2.西南交通大學，成都 600031；3.華南農(nóng)業(yè)大學，廣州 510061）

1 引言

隨著我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system，BDS）的迅速發(fā)展，如何基于北斗系統(tǒng)廣域或區(qū)域連續(xù)運行參考站系統(tǒng)（continuously operating reference stations，CORS），為中國及周邊大部分地區(qū)提供面向行業(yè)和大眾應用的實時分米級和厘米級位置服務，成為目前北斗系統(tǒng)研究和應用的熱點。北斗系統(tǒng)多模多頻載波實時動態(tài)差分法（real－time kinematic，RTK）技術(shù)的相關(guān)研究和應用表明，北斗系統(tǒng)具有與全球定位導航系統(tǒng)（global positioning system，GPS）同等級的厘米級實時定位性能，逐步進入成熟應用期［1-2］。但在網(wǎng)絡(luò)RTK（Network RTK或 NRTK）領(lǐng)域，由于缺乏北斗系統(tǒng)CORS系統(tǒng)等地面增強基礎(chǔ)設(shè)施支持，測繪、國土、水利及重大工程（如高鐵）等厘米級甚至毫米級精確定位領(lǐng)域仍只能采用原有 GPS 虛 擬 參 考 站 （virtual reference station，VRS）等技術(shù)［3-4］。因此采用類似于 GPS系統(tǒng)建立北斗系統(tǒng)兼容連續(xù)運行參考站系統(tǒng)，基于BDS多模網(wǎng)絡(luò)RTK定位服務，開展性能測試，掌握BDS多模網(wǎng)絡(luò)RTK組合定位的精度、靈敏度和定位速度等關(guān)鍵指標情況，對提高北斗系統(tǒng)高精度實時定位性能顯得極為重要。

本文首先主要提出了一種基于Ntrip的BDS多模網(wǎng)絡(luò)RTK組合定位服務的實現(xiàn)方法，通過數(shù)據(jù)實時分流和并行服務設(shè)計，基于惠州市北斗系統(tǒng)CORS示范系統(tǒng)（HZBCORS），實現(xiàn)了雙中心并行模式下的BDS/GPS雙模網(wǎng)絡(luò)RTK定位服務。該服務提供了BDS多模網(wǎng)絡(luò)RTK定位技術(shù)性能測試所需GPS、BDS和BDS/GPS雙模三種網(wǎng)絡(luò)RTK服務。開展科學試驗，以GPS為參考目標，對BDS雙模網(wǎng)絡(luò)RTK組合定位性能進行定量比對分析，通過均勻分布的11個網(wǎng)絡(luò)RTK野外測試樣本對試驗BDS雙模CORS網(wǎng)絡(luò)下的網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度和初始化效率指標進行定量評估。

2 基于Ntrip的BDS多模網(wǎng)絡(luò)RTK服務

2.1 總體設(shè)計

Ntrip（Networked Transport of RTCM via Internet Protocol）協(xié)議是一種基于超文本傳輸協(xié)議HTTP/1.1的應用層協(xié)議，支持大規(guī)模用戶（如數(shù)千）并發(fā)訪問和數(shù)據(jù)傳輸，是國際通用的全球衛(wèi)星導 航 系 統(tǒng) （global navigation satellite system，GNSS）實時數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)遠程傳輸標準［5］。以廣東省連續(xù)運行衛(wèi)星服務系統(tǒng)為例（如圖1），基于Ntrip的常規(guī)CORS網(wǎng)絡(luò)RTK服務系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括服務端（Ntrip Server）、播發(fā)端（Ntrip Caster）和客戶端（Ntrip Client）三部分，CORS系統(tǒng)內(nèi)包括RTCM、RTCA、RINEX格式在內(nèi)的各類實時數(shù)據(jù)均采用Ntrip架構(gòu)進行數(shù)據(jù)傳輸與服務分發(fā)設(shè)計，流動站用戶通過獲取CORS系統(tǒng)提供的各類服務對應的的資源列表（Source－table），并確保其對應的掛載點（Mount Point）的唯一性，采用本地加載和遠程索取兩種方式，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)RTK定位［6］。

圖1 基于Ntrip的CORS網(wǎng)絡(luò)RTK服務系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖2，現(xiàn)有CORS系統(tǒng)提供BDS多模網(wǎng)絡(luò)RTK服務可以采用以下兩種更新升級模式：

（1）單中心模式

如圖2（a），建立一個Ntrip Server直接實現(xiàn)BDS/GPS雙模參考站系統(tǒng)組合網(wǎng)絡(luò)RTK服務，包 括 GPS NRTK，BDS NRTK 及 BDS/GPS NRTK，原有GPS CORS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTK服務停止工作。單中心模式是對原有GPS CORS系統(tǒng)軟硬件設(shè)施和服務的一種全面替代更新的升級模式，需要將參考站接收機和天線、計算中心處理軟件等均更換為BDS兼容系統(tǒng)［7-9］。隨著BDSCORS系統(tǒng)的不斷完善，單中心模式將成為未來BDS多模網(wǎng)絡(luò)RTK服務的主要模式。以下為如圖2（a）某單中心模式GPS NRTK，BDS NRTK及BDS/GPS NRTK三種服務所對應Ntrip資源列表的主要內(nèi)容設(shè)計實例：

（2）雙中心并行模式

在目前大部分CORS系統(tǒng)仍采用GPS Ntrip Server提供網(wǎng)絡(luò)RTK服務，而BDS多模網(wǎng)絡(luò)RTK定位技術(shù)仍未得到充分驗證的情況下，單中心模式顯然難以滿足應用需求。基于此，本文提出了雙中心并行的BDS多模RTK更新升級模式。

如圖2（b），雙中心并行模式是在不影響原有GPS NRTK服務的前提下，通過硬件數(shù)據(jù)實時分流和并行服務設(shè)計，首先提供GPS NRTK backup服務，用于提高原有GPS網(wǎng)絡(luò)RTK服務完備性。同時提供BDS NRTK和BDS/GPS NRTK服務，并采用統(tǒng)一的Ntrip Caster，向用戶提供并發(fā)式BDS多模網(wǎng)絡(luò)RTK服務。

圖2 基于Ntrip的并發(fā)式BDS多模網(wǎng)絡(luò)RTK服務

采用雙中心模式GPS，BDS及BDS/GPS三種NRTK服務所對應Ntrip資源列表可采用如下設(shè)計：

說明：其中RTCM＿GPSBU為GPS NRTK的備份服務：

雙中心并行模式設(shè)計采用兼容性設(shè)計最大限度的利用現(xiàn)有CORS系統(tǒng)的參考站設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備和計算中心軟硬件設(shè)施，流動站用戶采用標準的網(wǎng)絡(luò)RTK定位流程，只需要采用BDS兼容RTK設(shè)備，即可獲得具有服務備份的并行式BDS雙模組合網(wǎng)絡(luò)RTK服務，具有更強的可行性和系統(tǒng)完備性，是目前BDSCORS系統(tǒng)更新升級，實現(xiàn)BDS雙模組合網(wǎng)絡(luò)RTK定位服務較優(yōu)方案。

2.2 BDS/GPS雙模CORS系統(tǒng)更新升級的實現(xiàn)

如圖2（b）中，采用雙中心模式進行BDS多模CORS系統(tǒng)更新升級時，為滿足兩套NTrip服務并行服務的需要，進行BDS多模天線信號分流工作，實現(xiàn)BDS多模CORS數(shù)據(jù)實時分流。如圖3，采用功率分配器（簡稱功分器，Power divider），安裝在BDS多模天線后端，利用功分器一路輸入信號能量，兩路或多路信號輸出的能力，將BDS多模天線接收到的信號一分為二，一路進入GPS接收機保證現(xiàn)有GDCORS的正常運行，另一路進入BDS多模接收機，供新的BDS多模NTrip服務器系統(tǒng)使用，且信號分流后的功率損耗不能影響B(tài)DS和GPS信號的質(zhì)量。

圖3 數(shù)據(jù)分流實際測試圖

本文對Trimble Zephyr 2天線數(shù)據(jù)分流前后，三款國產(chǎn)BDS雙模接收機設(shè)備的觀測數(shù)據(jù)可用性進行了測試，測試時長120h，采樣歷元1s，截止高度角10°，結(jié)果如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)分流前后數(shù)據(jù)質(zhì)量測試表

測試結(jié)果表明，采用數(shù)據(jù)分流技術(shù)后，包括GPS和BDS數(shù)據(jù)可用性和多路徑指標（MP）均無明顯變化，信號分流對GNSS的信號觀測質(zhì)量基本不產(chǎn)生影響，但不同型號接收機對BDS兼容天線的接收表現(xiàn)出的指標具有一定差異。

2.3 BDS雙模網(wǎng)絡(luò)RTK并行服務的實現(xiàn)

對惠州市GPS連續(xù)運行參考站系統(tǒng)（HZCORS）進行了BDS雙模CORS系統(tǒng)更新升級。由于HZCORS系統(tǒng)主要采用Trimble Zephyr Geodetic II天線，兼容BDS信號，因此僅在GDLM、BLGT、HZGT、GTGT基準站等4處未安裝BDS兼容天線的參考站位置更換BDS兼容天線，并采用數(shù)據(jù)實時分流和雙中心模式建立了BDS雙模CORS試驗網(wǎng)。參考站網(wǎng)參考站分布及聯(lián)網(wǎng)運行圖如圖4所示，最長站間距離98km（GDLM－GTGT），平均距離約52km。

圖4 BDS/GPS雙模CORS試驗示意圖

3 BDS雙模網(wǎng)絡(luò)RTK性能測試

3.1 試驗基本情況

如圖5所示，網(wǎng)絡(luò)RTK野外性能試驗主要選擇惠州市東部 YHGT（永漢）、GDLM（龍門）、BLGT（博羅）、HZHZ（湖鎮(zhèn)）基站站形成的四邊形區(qū)域內(nèi)，測區(qū)范圍約1 200km2。野外網(wǎng)絡(luò)RTK測試點11個，測試時間為2013－07－01—02。每個測試點依次采用Trimble NetRS接收機進行GPS RTK、采用司南M300BDS雙模接收機進行BDS RTK和BDS/GPS雙模RTK共三種模式的初始化時間和定位精度測試。初始化時間和精度測試三種模式各測試4個時段。其中精度測試每組120歷元，共480歷元，采樣歷元1s。

圖5 測試區(qū)域及測試點分布

3.2 衛(wèi)星通視條件分析

已有BDS衛(wèi)星可視情況仿真研究表明，對于亞太地區(qū)的觀測者，BDS衛(wèi)星星座可視條件比GPS系統(tǒng)更好［4，10］。對網(wǎng)絡(luò)RTK野外試驗期間實際GPS、BDS和BDS/GPS雙模三種情況下的衛(wèi)星通視條件的可見衛(wèi)星數(shù)量和平均幾何精度衰減因子（geometric dilution of precision，GDOP）進行統(tǒng)計，如表2所示。

表2 衛(wèi)星通視條件統(tǒng)計表

如表2，整個試驗階段，BDS衛(wèi)星數(shù)量及GDOP指標均優(yōu)于GPS，可見衛(wèi)星數(shù)量提高28%，GDOP值下降8%，且隨時段波動小，表現(xiàn)更為穩(wěn)定。BDS/GPS雙模觀測通視條件遠高于單GPS系統(tǒng)，可見衛(wèi)星數(shù)量提高1.5倍，GDOP值下降44%，觀測條件的大幅提高對動態(tài)定位的初始化和精度性能提高會有極大促進作用［9］。

3.3 初始化效率分析

如表3和圖6所示，GPS、BDS和BDS/GPS雙模網(wǎng)絡(luò)RTK定位初始化最大時間分別為60s、30s和20s，平均初始化時間分別為30.9s、13.6s和10.4s。BDS和BDS/GPS雙模網(wǎng)絡(luò)RTK定位初始化時間與單獨GPS系統(tǒng)RTK定位相比，分別減少56%和66%，初始化效率有顯著提升。

3.4 網(wǎng)絡(luò)RTK組合定位精度測試

將各測試點4h的靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)和周邊4個CORS站聯(lián)合靜態(tài)后處理結(jié)果作為外符合參考值，將每個測試點4個時段的平均值作為定位精度測試值，各測試點網(wǎng)絡(luò)RTK組合定位精度結(jié)果及均值（Mean）、標準差（Std）、最大偏差（Max）等指標如表4所示。

表3 BDS雙模網(wǎng)絡(luò)RTK組合定位初始化時間

圖6 網(wǎng)絡(luò)RTK定位組合定位模式初始化時間差異柱狀圖/s

表4 BDS雙模網(wǎng)絡(luò)RTK組合定位精度測試結(jié)果

如表4和圖7所示，各測試點三種模式的NRTK定位精度主要保持平面1～2cm，高程3～4cm水平，且相比于GPS，BDS和BDS/GPS雙模NRTK在定位精度上沒有表現(xiàn)出顯著提高，基本保持同一精度水平。這同時也表明，BDS和BDS/GPS雙模NRTK技術(shù)已具備在國內(nèi)和亞太地區(qū)進行高精度定位服務的能力。

圖7 網(wǎng)絡(luò)RTK定位模式平面及高程定位精度差異柱狀圖/cm

4 結(jié)束語

本文利用惠州市GPS CORS系統(tǒng)進行了BDS雙模CORS更新升級試驗，采用基于Ntrip的雙中心并行模式設(shè)計和數(shù)據(jù)實時分流技術(shù)，實現(xiàn)了包括GPS、BDS、BDS/GPS雙模三種網(wǎng)絡(luò)RTK組合定位服務的區(qū)域覆蓋。BDS雙模CORS試驗網(wǎng)建設(shè)表明，雙中心并行模式相比單中心模式對于原有CORS系統(tǒng)軟硬件設(shè)備和服務，具有更好的利用效率，同時具有很好的系統(tǒng)完備性，是目前BDSCORS系統(tǒng)更新升級并實現(xiàn)BDS雙模組合網(wǎng)絡(luò)RTK定位服務的可行方案。

野外網(wǎng)絡(luò)RTK定位性能測試結(jié)果表明，與GPS相比，BDS網(wǎng)絡(luò)RTK定位在初始化時間方面提高56%，在定位精度方面基本達到相同水平；BDS/GPS雙模網(wǎng)絡(luò)RTK定位的可見衛(wèi)星數(shù)量提高1.5倍、GDOP值下降44%、初始化時間減少66%、定位精度水平也達到3～4cm水平。這表明BDS網(wǎng)絡(luò)RTK定位已具有與GPS同樣滿足應用的技術(shù)性能，而BDS/GPS雙模網(wǎng)絡(luò)RTK定位因為具有更強的衛(wèi)星觀測條件和環(huán)境適應性，將在城市、山區(qū)等在高精度動態(tài)測繪領(lǐng)域發(fā)揮巨大的潛力，得到廣泛應用。

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