北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)軟件(EarthNet2.0)及其應(yīng)用

楊 徉，潘樹國(guó)，汪登輝，喻國(guó)榮，王勝利

(1.東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇南京210096;2.東南大學(xué)儀器與工程學(xué)院，江蘇南京210096)

一、引 言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行并與世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相兼容的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，目前系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)亞太地區(qū)的覆蓋，為亞太地區(qū)提供導(dǎo)航定位及通信服務(wù)，并將在2020年形成全球覆蓋能力［1-3］。充分利用已有國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施開展北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的建設(shè)，可為國(guó)家節(jié)約大量資金。借助這個(gè)時(shí)代契機(jī)，東南大學(xué)3S技術(shù)研發(fā)中心自主研發(fā)了北斗兼容GPS/GLONASS的GNSS定位地基增強(qiáng)系統(tǒng)，包括基站接收機(jī)S6535B及網(wǎng)絡(luò) GNSS系統(tǒng)軟件 EarthNet2.0。EarthNet2.0是對(duì)EarthNet1.0［4］的升級(jí)和改造，軟件借鑒和吸收世界著名的網(wǎng)絡(luò)GPS系統(tǒng)軟件GPSNet及Spider等軟件的先進(jìn)技術(shù)和算法，并融入具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高水平算法與模型，形成的GNSS網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)與綜合服務(wù)系統(tǒng)。系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)播發(fā)中心、數(shù)據(jù)處理中心、用戶管理中心、基站管理中心和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心五大部分［5］。軟件系統(tǒng)已在江蘇北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)一期、天津國(guó)土北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)等項(xiàng)目工程中投入使用，效果優(yōu)異。

二、EarthNet2.0 系統(tǒng)概述

北斗兼容GPS/GLONASS的GNSS定位地基增強(qiáng)系統(tǒng)軟件EarthNet2.0，為東南大學(xué)3S技術(shù)研發(fā)中心在EarthNet1.0基礎(chǔ)上，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)差分技術(shù)及PPP增強(qiáng)技術(shù)，自主研發(fā)設(shè)計(jì)的一套擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全面支持Ntrip協(xié)議及RTCM標(biāo)準(zhǔn)差分協(xié)議，可分別為網(wǎng)絡(luò)RTK(real time kinematic)用戶提供實(shí)時(shí)厘米級(jí)定位服務(wù)的多星座地面增強(qiáng)綜合服務(wù)系統(tǒng)軟件。軟件主要界面如圖1、圖2所示。

圖1 EarthNet2.0站點(diǎn)星空?qǐng)D

圖2 EarthNet2.0站點(diǎn)分布拓?fù)鋱D

系統(tǒng)共有5個(gè)子軟件組成:數(shù)據(jù)播發(fā)中心、數(shù)據(jù)處理中心、用戶管理中心、基站管理中心和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心。本系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)主要有兩類:GNSS數(shù)據(jù)、用戶上傳信息。GNSS數(shù)據(jù)包括基站觀測(cè)電文、導(dǎo)航電文、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流;用戶上傳信息主要包括用戶名、密碼、概略位置信息等。GNSS數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)處理中心接收并解析，綜合經(jīng)數(shù)據(jù)播發(fā)中心連入的授權(quán)用戶上傳的概略位置信息，利用VRS技術(shù)、完備性監(jiān)測(cè)技術(shù)、區(qū)域PPP增強(qiáng)技術(shù)多線程處理，生成改正定位信息、完備性監(jiān)測(cè)信息，采用國(guó)際RTCM(radio technical commission for maritime services)差分?jǐn)?shù)據(jù)編碼格式統(tǒng)一編碼后由數(shù)據(jù)播發(fā)中心播發(fā)［7］。用戶管理中心、基站管理中心和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心功能相對(duì)獨(dú)立，主要負(fù)責(zé)用戶、基站及事后數(shù)據(jù)的管理。

三、EarthNet2.0 系統(tǒng)算法概述

系統(tǒng)軟件功能為獲取基準(zhǔn)站衛(wèi)星觀測(cè)信息、導(dǎo)航信息及移動(dòng)終端用戶的坐標(biāo)信息，通過一定的算法進(jìn)行解算，最終提供移動(dòng)終端用戶精確的RTK/RTD/PPP相關(guān)輔助定位信息。該軟件的算法主要有:

1.網(wǎng)絡(luò)RTK用戶定位服務(wù)

EarthNet 2.0利用Ntrip協(xié)議，支持用戶采用網(wǎng)絡(luò)RTK、網(wǎng)絡(luò) RTD、RTK、RTD等接入方式，以及RTCM2.3、RTCM3.1 等差分?jǐn)?shù)據(jù)協(xié)議類型，兼容不同流動(dòng)站設(shè)備，并為不同流動(dòng)站提供平面3 cm、高程5 cm的實(shí)時(shí)定位精度及1 cm的事后解算精度，同時(shí)也提供分米級(jí)、亞米及1～3 m多種精度差分服務(wù)。EarthNet2.0的厘米級(jí)網(wǎng)絡(luò)RTK是基于VRS的網(wǎng)絡(luò)差分系統(tǒng)，差分改正主要分為兩步:首先計(jì)算出虛擬參考站的偽距、載波相位觀測(cè)值;然后依據(jù)RTCM協(xié)議生成標(biāo)準(zhǔn)格式的載波相位差分改正數(shù)據(jù)，并通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信鏈路發(fā)給移動(dòng)站實(shí)現(xiàn)高精度定位［6］。

網(wǎng)絡(luò)RTK的VRS網(wǎng)絡(luò)差分基準(zhǔn)站采用多頻多模GNSS接收機(jī)，至少由3個(gè)組成。因?yàn)榛鶞?zhǔn)站的精確坐標(biāo)已知［7］，故站星距可以精確求得，虛擬載波相位觀測(cè)值最關(guān)鍵的內(nèi)容是精確估計(jì)GNSS信號(hào)與虛擬參考站之間的大氣延遲值，通過結(jié)合參考站數(shù)據(jù)的大氣延遲和位置信息建立區(qū)域誤差模型，然后進(jìn)行內(nèi)插得到虛擬參考站的相位觀測(cè)值［8］

根據(jù)式(1)就能求出虛擬參考站的載波相位觀測(cè)值，其中，電離層采用VETC多項(xiàng)式模型估計(jì)，對(duì)流層采用天頂對(duì)流層延遲模型估計(jì)。數(shù)據(jù)處理中心將虛擬參考站的載波相位觀測(cè)值單差處理后，將其和虛擬站的坐標(biāo)進(jìn)行RTCM編碼，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至流動(dòng)站。因?yàn)樘摂M參考站與流動(dòng)站之間距離很短，所以利用虛擬觀測(cè)值與流動(dòng)站觀測(cè)值進(jìn)行常規(guī)RTK方法定位時(shí)，可以達(dá)到厘米級(jí)定位結(jié)果。

2.兼容北斗的多星座基站數(shù)據(jù)融合方法

兼容北斗的GNSS多星座衛(wèi)星導(dǎo)航定位中，根據(jù)測(cè)距原理與方法的不同，根據(jù)所需的精度，采用不同的定位方式。EarthNet2.0中采用的是載波雙差法，其雙差觀測(cè)方程為

式中，η=40.28 TEC，TEC 為信號(hào)傳播路徑上的總電子含量;f表示頻率;為雙差對(duì)流層延遲;H為接收機(jī)儀器高;h為接收機(jī)天線相位改正;E為衛(wèi)星高度角;為雙差衛(wèi)星軌道誤差;為雙差偽距硬件延遲;為雙差衛(wèi)星多路徑效應(yīng)影響;為其他與頻率無關(guān)的誤差雙差值，包括地球自轉(zhuǎn)、相對(duì)論效應(yīng)、潮汐改正等;為觀測(cè)噪聲雙差;λ 為各衛(wèi)星的載波波長(zhǎng)值;i為參考星;j為觀測(cè)衛(wèi)星;為參考星的站間單差模糊度;為需要求解的站間星間雙差模糊度項(xiàng)。

將觀測(cè)方程線性化后，各個(gè)系統(tǒng)分別選取參考衛(wèi)星后，并線性化，得到誤差方程［9］

式中，kGRC為不同星座的參考衛(wèi)星;ZTD為站點(diǎn)天頂對(duì)流層延遲;ΔMF為站點(diǎn)的單差ZTD投影函數(shù)，常用的有 Neill模型［10］和 GMF 模型［11］;

誤差方程寫成矩陣形式為

引入天頂對(duì)流層參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，當(dāng)考慮天頂對(duì)流層模型時(shí)，方程無法用單歷元解算。因此需要多歷元解算，解算方法可以使用序貫最小二乘或使用Kalman 濾波模型［12］。

EarthNet2.0中，采用多星座融合實(shí)現(xiàn)定位，有效地增多了衛(wèi)星數(shù)，改善了點(diǎn)位幾何精度因子，在長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)中一直處于1～2之間，解決了部分時(shí)段GPS、GLONASS衛(wèi)星少及北斗分布不均勻等缺點(diǎn)。針對(duì)不同系統(tǒng)選擇適當(dāng)?shù)臋?quán)值，彌補(bǔ)了北斗和GLONASS偽距精度的不足，提高了定位精度。

3.CORS完備性監(jiān)測(cè)

EarthNet V2.0具有一套完整的CORS系統(tǒng)完備性監(jiān)測(cè)參數(shù)體系，從數(shù)據(jù)播發(fā)中心、數(shù)據(jù)處理中心、用戶管理中心、基站管理中心和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心5個(gè)方面出發(fā)，根據(jù)各方面監(jiān)測(cè)內(nèi)容，結(jié)合CORS系統(tǒng)自身特點(diǎn)，對(duì)CORS系統(tǒng)完備性參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)及發(fā)布。提出一套完備性監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系、監(jiān)測(cè)技術(shù)、參數(shù)播發(fā)機(jī)制。構(gòu)建一套完整的CORS系統(tǒng)完備性監(jiān)測(cè)參數(shù)體系及各項(xiàng)參數(shù)量化指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了電離層的絕對(duì)變化、相對(duì)變化監(jiān)測(cè)。提出了基線解算中一種基于觀測(cè)常量的粗差探測(cè)方法。實(shí)現(xiàn)了基于抗差估計(jì)的RAIM算法［13-14］。構(gòu)建大規(guī)模GNSS定位地面增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性參數(shù)量化指標(biāo)體系;突破參考站坐標(biāo)框架監(jiān)測(cè)技術(shù)，參考站坐標(biāo)平面精度≤2 cm，高程精度≤3 cm;攻克了實(shí)時(shí)反映電離層變化情況的電離層模型，精度≤1 TEC。

EarthNet2.0 中，采用 I95 指數(shù)［15］監(jiān)測(cè)電離層活動(dòng)情況，I95指數(shù)反映了電離層活動(dòng)的強(qiáng)度(式6)。I95值根據(jù)每小時(shí)所有網(wǎng)絡(luò)參考站跟蹤的所有衛(wèi)星的電離層改正數(shù)來計(jì)算，而最差的5%的數(shù)據(jù)會(huì)被拒絕，最高的值將會(huì)保存下來。

根據(jù)EartnNet2.0網(wǎng)絡(luò)RTK中I95指數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果看出，在白天范圍內(nèi)，電離層擾動(dòng)變化較小，I95最大值出現(xiàn)在14∶00，如圖3所示。

圖3 電離層活動(dòng)I95指數(shù)

四、系統(tǒng)應(yīng)用及精度評(píng)估

EarthNet2.0在江蘇北斗地基增強(qiáng)一期項(xiàng)目工程中運(yùn)行良好，與Spider系統(tǒng)并行運(yùn)行。結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、兼容性強(qiáng)、定位精度高。精度測(cè)試分為內(nèi)符合精度及外符合精度，共測(cè)試17個(gè)國(guó)家高等級(jí)控制點(diǎn)，5個(gè)靜態(tài)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)位圖如圖4所示。

圖4 測(cè)試點(diǎn)位分布圖

精度評(píng)定公式為

式中，N為測(cè)量值總數(shù)，即剔除粗差觀測(cè)后全部RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量值總數(shù);對(duì)于內(nèi)符合精度Δ為測(cè)點(diǎn)測(cè)試值與相應(yīng)測(cè)試平均值的差值，對(duì)于外符合精度Δ為測(cè)點(diǎn)測(cè)試值與相應(yīng)真值(已知的、觀測(cè)精度相對(duì)較高的差值)的差值。在每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)上，都給出不同接入模式下的以中誤差為指標(biāo)的精度評(píng)定結(jié)果。對(duì)所有點(diǎn)位結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，平均各點(diǎn)位初始化時(shí)間、固定成功率、內(nèi)符合外符合精度見表1。圖5和圖6為測(cè)試點(diǎn)YKLD在WGS-84平面坐標(biāo)系下單北斗系統(tǒng)平面xy及高程h方向上的誤差分布圖。

表1 各測(cè)試點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果

圖5 測(cè)試點(diǎn)單北斗RTK內(nèi)符合精度的誤差分布圖

圖6 測(cè)試點(diǎn)單北斗RTK外符合精度的誤差分布圖

五、結(jié)束語

EarthNet2.0是東南大學(xué)3S技術(shù)研發(fā)中心自主研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的網(wǎng)絡(luò)GNSS系統(tǒng)軟件，界面友好，商品化程度高，能兼容國(guó)內(nèi)外主流終端設(shè)備及基站設(shè)施。在江蘇地基增強(qiáng)系統(tǒng)項(xiàng)目工程中，與Spider軟件并行運(yùn)行，結(jié)果證明其性能水平相當(dāng)，并且在天津、長(zhǎng)沙、重慶等地已投入實(shí)際運(yùn)行，穩(wěn)定性好。在江蘇北斗地基增強(qiáng)項(xiàng)目中，軟件主要性能指標(biāo)達(dá)到了以下幾方面的要求:

1)流動(dòng)站設(shè)備網(wǎng)絡(luò)GPS+BDS初始化平均時(shí)間為23 s，GPS初始時(shí)間35 s，BDS初始化時(shí)間52 s，其中固定成功率分別為100%、90%及81.8%。

2)在南京市北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)一期工程的有效覆蓋范圍內(nèi)實(shí)時(shí)定位初始化時(shí)間優(yōu)于30 s;內(nèi)符合精度平面方向優(yōu)于1 cm，高程方向優(yōu)于2 cm;外符合精度平面方向精度為2 cm，高程方向精度為4 cm。

3)網(wǎng)絡(luò)RTK有效范圍為6個(gè)基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域和網(wǎng)外15 km之內(nèi)的區(qū)域。

4)在觀測(cè)環(huán)境良好的區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)RTK的時(shí)間可用性可以達(dá)到95%以上;在觀測(cè)環(huán)境較惡劣區(qū)域，使用多星座GNSS依然可以使用高精度快速RTK定位。

致謝:感謝項(xiàng)目合作方江蘇省北斗衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)研究院有限公司及江蘇省測(cè)繪工程院為項(xiàng)目提供的支持和幫助。

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