BDS地基增強系統(tǒng)單雙模定位性能比較

尹子明，劉天恒，張樹為，周潤楊，閆建巧

(1.91431部隊， 廣東　湛江　524005；2.信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標工程學(xué)院，河南　鄭州　450001)

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BDS地基增強系統(tǒng)單雙模定位性能比較

尹子明1,2，劉天恒2，張樹為2，周潤楊2，閆建巧2

(1.91431部隊， 廣東湛江524005；2.信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標工程學(xué)院，河南鄭州450001)

為了進一步研究BDS地基增強系統(tǒng)，針對鄭州BDS地基增強系統(tǒng)的服務(wù)時效性、實時靜態(tài)定位精度、實時動態(tài)定位精度，在單GPS和BDS/GPS 2種模式下對定位測量精度、內(nèi)符合精度、外符合精度和初始化時間進行了測試分析。測試結(jié)果表明，相比較GPS地基增強系統(tǒng)而言，利用BDS/GPS差分數(shù)據(jù)的流動站初始化時間明顯縮短，定位精度也有一定程度的提高，實時精密定位水平精度達到2 cm，高程精度達到4 cm。

BDS；地基增強系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)RTK；定位精度

0　引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)能夠為中國及其周邊地區(qū)提供導(dǎo)航、定位、授時以及短報文通信服務(wù)。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (global navigation satellite system，GNSS)在個人導(dǎo)航定位、航空航天、測繪等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用；但目前衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性、可靠性、定位精度難以滿足用戶對導(dǎo)航系統(tǒng)日益增長的需求[1]。空基增強系統(tǒng)實時定位精度僅能達到m級至亞m級。連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)綜合系統(tǒng)(continuously operating reference stations，CORS)實時定位精度可以達到cm級，但也存在一些問題：應(yīng)用在國家高精度定位領(lǐng)域的安全隱患；服務(wù)行業(yè)有限，僅服務(wù)于測繪、城建、地震等專業(yè)行業(yè)。因此迫切需要建設(shè)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的BDS地基增強系統(tǒng)[2]。BDS地基增強系統(tǒng)(ground-based augmentation systems，GBAS)是利用地面增強站向用戶發(fā)送差分定位數(shù)據(jù)來提高導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航定位精度，提高了系統(tǒng)的可靠性，并增強了系統(tǒng)的完好性監(jiān)測[3]。

文獻[4]對地基增強系統(tǒng)在飛機著陸中的應(yīng)用做了仿真分析；文獻[5]等測試了單全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)模式下的長江干線連續(xù)運行參考站系統(tǒng)精度、可用性等；文獻[6]中研究了格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GLONASS)對法國國家CORS網(wǎng)的影響；文獻[7]也對GLONASS加入GPS CORS網(wǎng)是否提高了北美參考系精度進行了分析。

本文基于河南省地基增強實驗系統(tǒng)對單GPS和BDS+GPS 2種模式下的系統(tǒng)性能進行了測試，并比較分析河南省BDS地基增強系統(tǒng)的定位性能。

1　地基增強系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)簡介

河南省BDS地基增強系統(tǒng)由參考站網(wǎng)(含移動參考站)、數(shù)據(jù)處理與控制中心、用戶設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)組成。參考站網(wǎng)是系統(tǒng)基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)處理與控制中心是核心，用戶設(shè)備是關(guān)鍵[8-9]。系統(tǒng)目標是建立覆蓋全省的參考站網(wǎng)，系統(tǒng)能夠同時接收BDS、GPS的衛(wèi)星信號，能夠為用戶提供1～2 m、dm級的導(dǎo)航定位服務(wù)，以及cm級至mm級的精密定位服務(wù)。鄭州BDS地基增強實驗系統(tǒng)為河南省BDS地基增強系統(tǒng)的一期建設(shè)，包括由鄭州站、登封站、鞏義站、鳳泉站、博愛站、開封站組成的參考站網(wǎng)，覆蓋范圍為鄭州全市，系統(tǒng)實時定位精度在水平方向優(yōu)于5 cm，高程方向優(yōu)于10 cm。

BDS地基參考站網(wǎng)主要由GNSS連續(xù)運行參考站和移動參考站組成，重點負責(zé)提供GNSS高精度實時數(shù)據(jù)流、原始觀測文件等導(dǎo)航應(yīng)用的基礎(chǔ)性、公共性、關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息。其中移動參考站提供臨時參考站的功能，是地基增強系統(tǒng)連續(xù)提供服務(wù)的一種必要備份手段，具有網(wǎng)點應(yīng)急加密、空白區(qū)域填補、緊急情況下替代固定站的作用。移動參考站可以快速機動地布設(shè)于需要的位置，發(fā)揮應(yīng)急機動的效能。

數(shù)據(jù)處理與控制中心作為系統(tǒng)應(yīng)用的數(shù)據(jù)交換、信息共享、產(chǎn)品生成、標準管理的樞紐平臺，是一個基于網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)航綜合服務(wù)平臺。數(shù)據(jù)處理與控制中心形成3類主要產(chǎn)品和服務(wù)：①提供北斗信息、精密定位差分信息、導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)產(chǎn)品；②根據(jù)建設(shè)步驟及合作戰(zhàn)略協(xié)議，匯集整理各行業(yè)各部門基于位置的信息，進行分類管理，并按照授權(quán)與協(xié)議，向指定用戶開放共享；③研究和制定基于本系統(tǒng)的BDS衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用標準和規(guī)范，為應(yīng)用服務(wù)規(guī)范提供參考，提高信息共享和互聯(lián)互通能力。

用戶設(shè)備主要指用戶終端接收設(shè)備，它是一個非固定的系統(tǒng)，是可以擴展的系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)處理與控制中心中加入相應(yīng)的服務(wù)計算即可擴展出一種新的用戶服務(wù)，用戶可根據(jù)需求不同，定制不同的應(yīng)用[10]。

網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)主要分為3部分：一部分用于連接參考站到服務(wù)中心的有線傳輸；一部分用于連接數(shù)據(jù)處理與控制中心到用戶的無線傳輸；另外部分用于連接分系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)處理與控制中心通過有線寬帶連接到互聯(lián)網(wǎng)，具有一個公網(wǎng)靜態(tài)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(internet protocol，IP)地址和域名，可以供實時用戶和事后用戶進行訪問、獲取服務(wù)和數(shù)據(jù)。

1.2誤差分析

地基增強系統(tǒng)差分定位技術(shù)就是利用參考站的觀測數(shù)據(jù)(包括衛(wèi)星原始觀測數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù))對參考站網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)的、與時間空間相關(guān)的各項誤差進行估計，然后移動用戶再利用這些誤差估計值與其原始觀測值進行差分定位，從而提高測量精度、縮短測量時間[11]。地基增強系統(tǒng)差分定位獲得固定解可靠性為95%～99%。地基增強系統(tǒng)差分定位對衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘差、電離層、對流層、固體潮、相對論效應(yīng)等誤差進行了有效的削弱；但同樣也引入了一些新的誤差，如參考站坐標誤差、數(shù)據(jù)通訊誤差、數(shù)據(jù)中心解算軟件誤差、流動站解算軟件誤差等[12]。

2　性能分析

2.1實時定位精度評估方法

實時定位精度測試可以分為定位測量精度評定、內(nèi)符合精度評定和外符合精度評定。測量精度反映用戶端使用差分數(shù)據(jù)后進行單次位置解算的精度，可以直接從實時相對定位 (real-time kinematic，RTK)設(shè)備的測量結(jié)果中獲??；內(nèi)符合精度可以反應(yīng)出定位結(jié)果的收斂情況；外符合精度直接反映出系統(tǒng)實時定位的精度[13]。

1)內(nèi)符合精度

(1)

2)外符合精度

(2)

將測點已知成果(2000國家大地坐標系)與各測點的RTK實時動態(tài)測量結(jié)果進行比較，按式(2)即可求出各測點系統(tǒng)外符合精度。在動態(tài)情況下，將事后動態(tài)基線解的結(jié)果代替觀測點坐標的真值，按式(2)即可求出外符合精度。

2.2動態(tài)網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度

分別于2015-09-28和2015-10-09進行系統(tǒng)實時動態(tài)精度測試。在作業(yè)車上裝載中海達H32接收機與南方銀河1接收機，采樣率設(shè)為5s，利用車載行駛作業(yè)獲取固定解，車速為30～70km/h，根據(jù)測試結(jié)果統(tǒng)計分析導(dǎo)航定位精度。本次測試分為2組：第一組只接收GPS差分信息；第二組接收BDS+GPS差分信息，并對定位解算精度進行統(tǒng)計。在測試中還通過關(guān)閉登封站的數(shù)據(jù)服務(wù)對參考站網(wǎng)外的精度進行了測試。圖1為動態(tài)網(wǎng)絡(luò)RTK測試的行進路線在數(shù)據(jù)中心用戶服務(wù)軟件上的軌跡顯示。

圖1　動態(tài)測量軌跡圖

經(jīng)統(tǒng)計計算，動態(tài)測量中平面測量精度平均值，單GPS模式為0.021m，BDS+GPS模式為0.014m；高程測量精度均值，單GPS模式為0.030m，BDS+GPS模式為0.026m。利用GrafNav軟件和原始觀測數(shù)據(jù)計算移動站位置，再根據(jù)式(2)計算動態(tài)測量中平面外符合精度，單GPS模式為0.031m，BDS+GPS模式為0.025m；高程外符合精度：單GPS模式為0.033m，BDS+GPS模式為0.036m。在動態(tài)測量精度上，BDS+GPS模式比單GPS模式的平面精度略高，而高程精度大致相當(dāng)。

在10月9日8∶00—13∶00動態(tài)網(wǎng)絡(luò)RTK測試中，中海達H32的BDS+GPS模式測量精度及位置精度因子(positiondilutionofprecision，PDOP)變化如圖 2和圖 3所示。測試是在市區(qū)以及環(huán)城高速路上進行的，由于建筑物的遮擋，在1 500～2 500歷元期間出現(xiàn)頻繁失鎖現(xiàn)象。從圖 2和圖 3可以看出，網(wǎng)絡(luò)RTK測量時x、y、H方向上的精度與測量時的衛(wèi)星分布，即PDOP，具有很高的相關(guān)性。

圖2　動態(tài)測試測量精度變化圖(BDS+GPS)

圖3　動態(tài)測試PDOP變化圖(BDS+GPS)

2.3靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度

2015-10-10 UTC 11∶00—17∶00，在鄭州市GNSS基線場中選取2個點分別安放網(wǎng)絡(luò)RTK H32設(shè)備和南方銀河1設(shè)備，采樣率設(shè)為5 s，采用單GPS模式和BDS+GPS模式進行觀測。

經(jīng)統(tǒng)計計算，靜態(tài)測量中平面測量精度平均值：單GPS模式為0.020 m，BDS+GPS模式為0.016 m；高程測量精度均值：單GPS模式為0.025 m，BDS+GPS模式為0.028 m。與動態(tài)測量精度相比，靜態(tài)測量精度無明顯變化，BDS+GPS模式仍優(yōu)于單GPS模式。

通過式(1)和式(2)計算，靜態(tài)測量中平面內(nèi)符合測量精度，單GPS模式為0.013 m，BDS+GPS模式為0.008 m；高程內(nèi)符合精度，單GPS模式為0.017 m，BDS+GPS模式為0.011 m；靜態(tài)測量中平面外符合精度，單GPS模式為0.023 m，BDS+GPS模式為0.016 m；高程外符合精度，單GPS模式為0.018 m，BDS+GPS模式為0.028 m。無論是單GPS模式還是BDS+GPS模式，靜態(tài)外符合精度明顯優(yōu)于動態(tài)外符合精度。

圖 4和圖 5為中海達H32的GPS+BDS模式靜態(tài)測量結(jié)果與真值之差以及PDOP的分布情況。

圖4　靜態(tài)測量與真值偏差變化(BDS+GPS)

圖5　靜態(tài)測量PDOP變化圖(BDS+GPS)

從圖中可以看出：整個測試過程衛(wèi)星可見性良好，未出現(xiàn)嚴重的失鎖現(xiàn)象；水平方向(x、y方向)相對真值的偏差變化趨勢具有一致性；y方向和H方向存在較為明顯的系統(tǒng)性偏差。

2種型號測試設(shè)備測試內(nèi)外符合精度如表 1所示。從測試結(jié)果中可以看出，無論是在靜態(tài)測量外符合精度還是在內(nèi)符合精度上，BDS+GPS模式比單GPS模式的平面精度略高，而高程精度大致相當(dāng)。

表1　定位精度統(tǒng)計表

2.4時效性

選取河南省鄭州市GNSS基線場中若干個點作為測試點，分別安放網(wǎng)絡(luò)RTK H32設(shè)備和南方銀河1設(shè)備。每個網(wǎng)絡(luò)RTK設(shè)備分別選取GPS和GPS+BDS模式，每種模式初始化10次，并記錄初始化時間。每個型號的設(shè)備都使用2臺進行測試。從表2中可以看出：GPS+BDS模式比GPS模式初始化速度快，固定時間約縮短5 s，說明測區(qū)范圍內(nèi)增加使用BDS差分信息、增加共用衛(wèi)星數(shù)量可使接收機初始化速度明顯加快。

表2　初始化時間　s

3　結(jié)束語

鄭州地基增強系統(tǒng)建立了覆蓋鄭州市的兼容BDS與GPS的參考站，能夠為河南省范圍內(nèi)的用戶提供1～2 m、dm級的導(dǎo)航定位服務(wù)以及cm級至mm級的精密定位服務(wù)。在定位精度方面，該系統(tǒng)采用多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)虛擬參考站(virtual reference station，VRS) 技術(shù)實時精密定位水平精度達到2 cm，高程精度達到4 cm，精度指標滿足設(shè)計要求。通過測試結(jié)果可以看出BDS+GPS的服務(wù)模式可以更加有效地利用衛(wèi)星資源，使衛(wèi)星星座構(gòu)成最佳的幾何結(jié)構(gòu)，從而滿足提高導(dǎo)航定位精度的需要。在全省范圍的地基增強系統(tǒng)完成后，還應(yīng)對系統(tǒng)的服務(wù)范圍、系統(tǒng)服務(wù)的穩(wěn)定性等內(nèi)容進行測試。

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Comparison of positioning performance of BDS ground-based augmentation system in different modes

YIN Ziming1，2，LIU Tianheng2，ZHANG Shuwei2，ZHOU Runyang2，YAN Jianqiao2

(1.Troops 524005，Zhanjiang，Guangdong 524005，China;2.College of Navigation and Aerospace Engineering，Information Engineering University，Zhengzhou，Henan 450001，China)

In order to further study on BDS GBAS，the location performance of BDS GBAS in Zhengzhou city，such as service timeliness，real-time static positioning accuracy and real-time dynamic positioning accuracy，was tested in the paper.The tests included positioning accuracy，inner accord precision，external accord accuracy and initialization time in the single GPS and BDS/GPS modes.Result showed that compared with GPS GBAS，the rover initialization time with differential data of BDS/GPS could be shortened and the positioning accuracy could be improved as the horizontal accuracy of 2 cm，and the altitude accuracy of 4 cm in the real-time high precision positioning.

BDS；GBAS；network RTK；positioning precision

2015-11-30

裝備預(yù)研基金項目(9140A24011314JB52001)。

尹子明(1990—)，男，河北定州人，碩士研究生，研究方向為基于地基增強系統(tǒng)的BDS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。

10.16547/j.cnki.10-1096.20160314.

P228

A

2095-4999(2016)03-0064-05

引文格式：尹子明，劉天恒，張樹為，等.BDS地基增強系統(tǒng)單雙模定位性能比較[J].導(dǎo)航定位學(xué)報，2016，4(3)：64-68.(YIN Ziming，LIU Tianheng，ZHANG Shuwei，et al.Comparison of positioning performance of BDS ground-based augmentation system in dfferent modes[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(3)：64-68.)