北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)測試及精度分析

楊建科,莫懦

(南寧市勘察測繪地理信息院,廣西 南寧 530022)

0　引　言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)是我國自行研制的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng),是繼GPS和GLONASS之后第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),由空間段、地面段和用戶段組成[1-2]。北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng),通過北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星信號增強(qiáng),改善導(dǎo)航衛(wèi)星的幾何分布,增加可見衛(wèi)星數(shù),削弱衛(wèi)星定位誤差影響,保障了RTK定位的可靠度與穩(wěn)定性,提高了連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(簡稱CORS)的可用性。

南寧北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)項(xiàng)目,通過升級改造已有5個連續(xù)運(yùn)行的地面基準(zhǔn)站,新建4個基準(zhǔn)站,建設(shè)1個控制中心,形成覆蓋面積達(dá)6 900 km2兼容BDS/GPS/GLONASS的三系統(tǒng)多頻多模北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng),系統(tǒng)采用虛擬參考站技術(shù)(VRS)技術(shù)進(jìn)行動態(tài)服務(wù)。本文對該系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的測試與數(shù)據(jù)分析,總結(jié)低緯度地區(qū)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),以利于其他類似項(xiàng)目的借鑒和參考。

1　南寧北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)測試

2014年底建成南寧北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng),系統(tǒng)包括9個基準(zhǔn)站、1個控制中心、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)與用戶子系統(tǒng),基準(zhǔn)站間最長距離117.928 km,最短距離30.212 km,平均間距55.5 km,本文主要對系統(tǒng)的RTK定位精度、時間可用性、空間可用性以及系統(tǒng)覆蓋范圍進(jìn)行測試。

1.1　系統(tǒng)RTK定位精度及時間可用性測試

測試目的:得到系統(tǒng)實(shí)時RTK定位精度;得到系統(tǒng)服務(wù)的空間范圍及其時間可用性。

在系統(tǒng)覆蓋區(qū)域及周邊選擇有坐標(biāo)的已知點(diǎn),進(jìn)行RTK實(shí)時動態(tài)測試。采用三角架設(shè)站,

數(shù)據(jù)采樣率為1 s.記錄不同儀器在檢測點(diǎn)上獲得固定解的時間、衛(wèi)星數(shù)、坐標(biāo)值,統(tǒng)計(jì)內(nèi)符合精度和外符合精度。

1) 空曠環(huán)境下

以徠卡系統(tǒng)GPS導(dǎo)航接收機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測和處理。觀測時間為2014年8月22日13:04:02至2014-8-23 13:04:01,理論觀測值個數(shù)應(yīng)為86 400個。精度統(tǒng)計(jì)如下:

a) 平面收斂精度設(shè)為3 cm的觀測值平面內(nèi)符合精度計(jì)算

與平均位置較差距離小于等于2倍中誤差即6 cm的觀測值70 914個,占測試時間的81.14%,70 914個較差計(jì)算平面位置中誤差為±0.013 m.

b) 大地高收斂精度為5 cm的大地高內(nèi)符合精度計(jì)算

與大地高平均值較差絕對值小于等于2倍收斂中誤差即的觀測值為69 841個,占測試時間的 79.92%,這69 841個較差計(jì)算大地高中誤差內(nèi)符合精度為±0.024 m.

聯(lián)系人: 楊建科 E-mail: 1021632944@qq.com

同時滿足與平均位置較差距離小于等于2倍中誤差即6 cm,與大地高平均值較差絕對值小于等于2倍收斂中誤差即0.1 m的觀測值為69459個,占測試時間的79.48%.

2) 隱蔽環(huán)境下

定義:本文的隱蔽環(huán)境定義為GPS接收機(jī)180°范圍內(nèi),衛(wèi)星截止高度角90°以下有障礙物的環(huán)境。為測試北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)對作業(yè)范圍可用性的優(yōu)化情況,在某村選取搜星環(huán)境比較惡劣的測點(diǎn)(測點(diǎn)一邊緊靠兩層樓房),進(jìn)網(wǎng)絡(luò)RTK測試。

測試時間:2014-10-27日5:00:11至28日4:59:38.

1.2　站間距設(shè)計(jì)之加密站點(diǎn)區(qū)域效果測試

通過加密參考站點(diǎn)應(yīng)對低緯度地區(qū)的南寧區(qū)域電離層影響,是本項(xiàng)目提高網(wǎng)絡(luò)RTK的時間可用性的重要方法。隨著參考站間距離的增加,空間環(huán)境特別是電離層的變化,致使參考站間模糊度固定難度不斷加大,空間相關(guān)誤差區(qū)域模型精度亦逐漸降低[3],項(xiàng)目開展了加密站點(diǎn)區(qū)域時間可用效果測試,為以后的擴(kuò)建改造提供技術(shù)依據(jù)。

關(guān)于參考站相鄰間平均邊長《衛(wèi)星定位城市測量規(guī)范》CJJ/T73-2010給出的是40 km,《全球?qū)Ш较到y(tǒng)連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)技術(shù)規(guī)范》GB/T28588-2012認(rèn)為厘米級實(shí)時定位精度要求參考站間平均距離≤70 km.日本GPS連續(xù)應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)(COSMOS)在最密的地區(qū)如關(guān)東、東京、京都等地區(qū)站間間距10～15 km.珠澳大橋GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)3個參考站之間的距離分別為16 km、28 km 和36 km[4].南寧區(qū)域原5個參考站相鄰間距NANN至JILG最近30.1 km, NACH至JILG最長58.1 km,平均站間距為40.8 km.考慮到五象新區(qū)為建設(shè)工程應(yīng)用測量需求密集的區(qū)域,項(xiàng)目組在那馬鎮(zhèn)加密了站參考站,加密后站點(diǎn)NAMA分布及測試位置如圖1所示。

起點(diǎn)終點(diǎn)基線長度/kmNAMANANN23.3NAMANACH23.5NAMANALU25.5

對加密那馬站后的空曠環(huán)境下進(jìn)行了測試。測試時間:2014-10-24日20:22:28至25日20:21:46,某村委樓頂。

1.3　系統(tǒng)空間可用性測試

系統(tǒng)的可用性包括時間可用性和空間可用性。系統(tǒng)的空間可用性主要參照在系統(tǒng)設(shè)備軟件采購測評階段測試數(shù)據(jù)作為依據(jù),采用網(wǎng)絡(luò)RTK進(jìn)行。

類型定義:網(wǎng)絡(luò)RTK覆蓋范圍是指用戶能夠得到RTK固定解的區(qū)域范圍[5]。

此項(xiàng)測試采用與網(wǎng)絡(luò)RTK實(shí)時定位精度測試相同的儀器設(shè)備、通訊連接方式,天線與手簿用有線連接,測試模式為網(wǎng)絡(luò)RTK測量模式,采樣率為1 s,在作業(yè)車輛上進(jìn)行連續(xù)定位,測試車輛按照時速30～90 km之間自網(wǎng)內(nèi)往網(wǎng)外行使,當(dāng)測試用戶終端設(shè)備無法獲取固定解后,車輛向網(wǎng)外連續(xù)5 km或測試車輛向網(wǎng)外走10分鐘以上后,原路返回出發(fā)點(diǎn)。測試僅選取在1條自中心城區(qū)直線延伸網(wǎng)外的道路進(jìn)行,測試方連續(xù)獲得固定解遠(yuǎn)點(diǎn)定義:定位軌跡結(jié)果往參考站網(wǎng)內(nèi)直伸5分鐘(統(tǒng)一扣除臨時停車時間),理論觀測值應(yīng)為300個,實(shí)際觀測記錄固定解分布均勻、有規(guī)律且不少于180個的最遠(yuǎn)點(diǎn)固定解坐標(biāo)位置。取固定解坐標(biāo)位置與內(nèi)外范圍線垂直距離為網(wǎng)絡(luò)RTK覆蓋范圍。

測試時間: 2014-8-21 10:43:26開始,2014-8-21 16:49:34結(jié)束。

測試線路:自南寧市茶花園路出發(fā),沿茶花園路-長湖路-秀廂大道-環(huán)城高速(二塘-安吉段)-南武城市大道——S107省道至武鳴縣靈馬鎮(zhèn)后,沿去路折回?？臻g可用性測試線路如圖2所示。

測試結(jié)果:網(wǎng)外可達(dá)到48.6 km,網(wǎng)絡(luò)RTK在行駛車中的固定解比例大于60%.

2　測試數(shù)據(jù)分析

2.1　系統(tǒng)RTK定位精度及時間可用性測試分析

1) 空曠環(huán)境下

根據(jù)測試數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)分析如表1所示。

表1　空曠環(huán)境系統(tǒng)測試

注 1:有效觀測是指符合網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度指標(biāo)為平面位置中誤差≤3 cm,大地高中誤差≤5 cm,限差為2倍中誤差精度要求的固定解觀測值[6]。2:時間可用性(%)是指固定解個數(shù)占測試?yán)碚撚^測個數(shù)的比例,測試觀測采集頻率1 s.以下測試表同。

從表1的結(jié)果來看,在空曠環(huán)境條件下:

① 加了北斗的GPS+BDS系統(tǒng)比較未加北斗的常規(guī)GPS系統(tǒng),固定解比例提高約4.7%,時間可用性有所提高;

② 內(nèi)符合精度基本一致,均符合規(guī)范限差要求。

2) 隱蔽環(huán)境下

測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析如表2所示。

表2　隱蔽環(huán)境系統(tǒng)測試

從表2的結(jié)果來看,在隱蔽環(huán)境條件下:

① 未加北斗的常規(guī)GPS系統(tǒng),固定解比例只有27%,難以滿足實(shí)際工作需要;

② 加密那馬基準(zhǔn)站(新建)之后,未加北斗的常規(guī)GPS系統(tǒng),固定解比例只有37%,固定解比例提高不明顯;

③ 加密那馬基準(zhǔn)站(新建)之后、GPS+BDS系統(tǒng)比較GPS系統(tǒng),固定解比例提高約51%,達(dá)到78.8%,固定解比例顯著提高,基本可以滿足日常工作需要;

④ 內(nèi)符合精度基本一致,均符合規(guī)范限差要求。

2.2　站間距設(shè)計(jì)之加密站點(diǎn)區(qū)域效果測試分析

測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析如表3所示。

表3　加密那馬站后的空曠環(huán)境系統(tǒng)測試(內(nèi)符合精度)

通過RTK測量結(jié)果與已知點(diǎn)的坐標(biāo)比較,可以得出RTK 測量的精度外符合精度,加密那馬站后的空曠環(huán)境系統(tǒng)測試的外符合精度如表4所示。

表4　加密那馬站后的空曠環(huán)境系統(tǒng)測試(外符合精度)

從表3、表4的結(jié)果來看,空曠環(huán)境條件下,加密那馬站后的系統(tǒng):

① 比較未加北斗、未加密站點(diǎn)的常規(guī)GPS系統(tǒng),固定解比例固定解比例自84.20%提高至97.43%,提高13.23%,得到明顯改善。

② 加北斗GPS+BDS系統(tǒng)相比未加北斗的常規(guī)GPS系統(tǒng),固定解比例基本一致;

③ 加北斗GPS+BDS系統(tǒng)比較未加北斗、未加密的常規(guī)GPS系統(tǒng),自84.20%提高至97.84%,提高13.64%,得到明顯改善。

④ 內(nèi)符合精度和外符合精度精度基本一致,均符合規(guī)范限差要求。

3　結(jié)束語

通過對南寧北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)時定位精度、系統(tǒng)可用性,空間可用性等測試,通過對測試數(shù)據(jù)的分析,結(jié)果表明:

1) 南寧市北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng),具備了融合GPS、BDS的高精度的時空地理位置信息動態(tài)獲取和服務(wù)能力,滿足全天候95%覆蓋南寧市厘米級RTK定位精度要求;

2) GPS+BDS組合較單GPS、單BDS在隱蔽環(huán)境下的RTK定位時間可用性得到明顯提高,這也驗(yàn)證了北斗增強(qiáng)系統(tǒng)的優(yōu)勢所在;

3) 參考站點(diǎn)的加密有助于提高系統(tǒng)的時間可用性。

[1]田建波,陳剛,陳永祥.全球?qū)Ш蕉ㄎ患夹g(shù)及其應(yīng)用[J].中國地質(zhì)大學(xué)出版社,2013:152-185.

[2]唐金元.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)用綜述[J].全球定位系統(tǒng),2013,38(5):47-52.

[3]張乙志,金鍇,劉立,等.北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTK測試分析[J].全球定位系統(tǒng),2016,41(6):115-118.

[4]丁樂樂,戈樂樂,馮媛媛,等. 天津市北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)性能測試及分析[J].工程勘察,2017(3):64-67.

[5]于國良.天津市三系統(tǒng)衛(wèi)星定位地基增強(qiáng)系統(tǒng)及評價 [J].土地市場，2016(9):44-51.

[6]謝玉兵,王昌瀚,蔣明富,等.區(qū)域北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)動態(tài)服務(wù)精度分析[J].地理信息空間， 2016(11):12-13.