濱海新區(qū)連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)定位精度 可靠性分析

姚曉偉，房新玉*，喻國(guó)榮

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所,天津 300456;2.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院 天津水運(yùn)工程 測(cè)繪技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300456;3.東南大學(xué) 交通學(xué)院,南京 210018)

連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位基準(zhǔn)站網(wǎng)系統(tǒng)(Contimuously Operating Reference Stations,CORS)是城市衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展熱點(diǎn)之一，它是基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)、現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、實(shí)時(shí)定位技術(shù)形成的導(dǎo)航與定位服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)和維持著城市的坐標(biāo)框架。CORS系統(tǒng)全天候、多功能、多用途、應(yīng)用廣的特點(diǎn)，可全面提高地理空間三維基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的應(yīng)用效果。

圖1 BHCORS基準(zhǔn)站點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution diagram of BHCORS base station site

1 濱海新區(qū)CORS組成

濱海新區(qū)連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)(BHCORS)由8個(gè)連續(xù)運(yùn)行的參考站，1個(gè)數(shù)據(jù)中心組成，是一個(gè)高精度、三維、動(dòng)態(tài)、多功能的現(xiàn)代化測(cè)繪基準(zhǔn)體系。8個(gè)站點(diǎn)分別位于漢沽規(guī)劃展覽館樓頂，北塘塘沽測(cè)繪所樓頂，空港經(jīng)濟(jì)區(qū)科技大廈樓頂，塘沽營(yíng)口道財(cái)政局樓頂，水科所大型水動(dòng)力試驗(yàn)基地，規(guī)劃國(guó)土局大港三分局樓頂，南港邊防派出所樓頂，太平鎮(zhèn)派出所樓頂。數(shù)據(jù)中心在濱海塘沽站附近，位于規(guī)劃局信息中心(圖1)。

BHCORS系統(tǒng)在投入使用前，必須對(duì)系統(tǒng)定位精度可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)，以確保用戶能夠放心使用。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)值、靜態(tài)已知點(diǎn)檢測(cè)方法，后處理結(jié)果比較的檢測(cè)方法、動(dòng)態(tài)規(guī)則幾何軌跡檢測(cè)方法、固定基線長(zhǎng)度相對(duì)檢測(cè)方法[1-2]是常用的檢驗(yàn)比較方法。本文通過(guò)對(duì)CORS定位精度指標(biāo)測(cè)試方法進(jìn)行全面的分析，并利用其中的3種方法對(duì)BHCORS系統(tǒng)進(jìn)行分析，得出有益的結(jié)論。

2 CORS精度指標(biāo)測(cè)試方法

2.1 靜態(tài)已知點(diǎn)檢測(cè)方法

通過(guò)在系統(tǒng)服務(wù)的區(qū)域內(nèi)，在區(qū)域邊界、區(qū)域內(nèi)部選取均勻的坐標(biāo)精確的已知點(diǎn)，在已知點(diǎn)上架設(shè)用戶接收機(jī)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將處理結(jié)果與已知點(diǎn)進(jìn)行比較分析，統(tǒng)計(jì)內(nèi)符合精度、外符合精度，測(cè)試系統(tǒng)的定位精度指標(biāo)[1]。

靜態(tài)已知點(diǎn)檢測(cè)方法不能完全反應(yīng)其定位精度，主要原因有：①在測(cè)區(qū)內(nèi)無(wú)已知點(diǎn)時(shí)，該測(cè)試方法無(wú)法使用；②該測(cè)試方法不能反映RTK流動(dòng)站運(yùn)動(dòng)時(shí)定位精度；③不能正確反映測(cè)區(qū)不同外界條件下定位進(jìn)度情況。

2.2 與后處理結(jié)果比較的檢測(cè)方法

通過(guò)將實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)值與靜態(tài)后處理結(jié)果進(jìn)行比較，分析CORS動(dòng)態(tài)定位精度[1]。

該方法適用于無(wú)已知點(diǎn)時(shí)，CORS系統(tǒng)定位精度可靠性的檢驗(yàn)，但是，該方法有一定的局限性，檢測(cè)點(diǎn)的精度受到觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量、基線解算軟件的影響。

2.3 動(dòng)態(tài)規(guī)則幾何軌跡檢測(cè)方法

動(dòng)態(tài)規(guī)則幾何軌跡檢測(cè)方法適用于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下GPS接收機(jī)的定位精度。該檢測(cè)方法將GPS接收機(jī)沿著軌跡已知的路線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)以一定的采樣率進(jìn)行測(cè)量，比較測(cè)量值的軌跡與已知軌跡之間的差值，從而分析運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下接收機(jī)的定位精度[2-3]。

2.4 固定(已知)基線長(zhǎng)度相對(duì)檢測(cè)方法

固定基線長(zhǎng)度相對(duì)檢測(cè)方法通過(guò)將多臺(tái)GPS接收機(jī)之間的相對(duì)位置關(guān)系固定，從而使接收機(jī)之間的基線長(zhǎng)度不變，然后在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，多臺(tái)GPS接收機(jī)同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，然后對(duì)GPS接收機(jī)之間的定位結(jié)果進(jìn)行分析，并與實(shí)際基線進(jìn)行比較，從而分析動(dòng)態(tài)定位的相對(duì)精度[2]。

2.5 其他檢測(cè)方法

其他檢測(cè)方法有常規(guī)儀器比較法，不同時(shí)段檢測(cè)法，不同高程檢測(cè)法[3-8]。常規(guī)儀器檢測(cè)法是將RTK測(cè)量?jī)赏ㄒ朁c(diǎn)之間的測(cè)距(高差)，與高精度全站儀(水準(zhǔn)儀)測(cè)量的測(cè)距(高差)進(jìn)行分析比較，評(píng)定CORS系統(tǒng)的定位精度。不同時(shí)段檢測(cè)法是通過(guò)將一天分為4個(gè)時(shí)段，各個(gè)時(shí)段在固定點(diǎn)上進(jìn)行RTK動(dòng)態(tài)測(cè)量，統(tǒng)計(jì)各個(gè)時(shí)段的精度，分析時(shí)段對(duì)CORS定位精度的影響；也可通過(guò)不同的季節(jié)在固定點(diǎn)上進(jìn)行RTK動(dòng)態(tài)測(cè)量，分析不同季節(jié)條件下CORS定位精度。不同高程檢測(cè)法通過(guò)不同高度的動(dòng)態(tài)測(cè)量，分析高程變化對(duì)CORS定位精度的影響。

3 BHCORS定位精度測(cè)試與分析

3.1 BHCORS精度測(cè)試方法

BHCORS系統(tǒng)定位精度測(cè)試要求其精度指標(biāo)能夠準(zhǔn)確反映其可靠性，這就要求測(cè)試方法簡(jiǎn)便易行，并能夠完整反映CORS的精度情況。而以上各種檢測(cè)方法中，動(dòng)態(tài)規(guī)則幾何軌跡檢測(cè)方法和固定(已知)基線長(zhǎng)度相對(duì)檢測(cè)方法檢測(cè)效果一致，但要求GPS嚴(yán)格沿著規(guī)定路線前進(jìn)，檢測(cè)方式不如固定(已知)基線長(zhǎng)度相對(duì)檢測(cè)方法靈活方便，故本次采用固定(已知)基線長(zhǎng)度相對(duì)檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)。常規(guī)儀器比較法，不同時(shí)段檢測(cè)法，不同高程檢測(cè)法僅能反應(yīng)時(shí)間、高程等分項(xiàng)的精度；而靜態(tài)已知點(diǎn)檢測(cè)方法、與后處理結(jié)果比較分析整體反映CORS的精度，故本次采用這兩種檢測(cè)方法。

3.2 靜態(tài)已知點(diǎn)檢測(cè)

1)測(cè)試區(qū)域及方法。

本次檢測(cè)是在測(cè)區(qū)選擇51個(gè)坐標(biāo)已知C級(jí)GPS點(diǎn)，動(dòng)態(tài)測(cè)量采用RTK撥號(hào)方式進(jìn)行。儀器設(shè)備采用TRIMBLE R8，測(cè)量模式采用控制點(diǎn)模式，采樣率為1 s，每180個(gè)歷元記錄一個(gè)定位結(jié)果，每點(diǎn)獨(dú)立觀測(cè)5次，每觀測(cè)一次后斷開(kāi)連接，重新初始化后進(jìn)行測(cè)量，并記錄初始化時(shí)間。

2)觀測(cè)成果的統(tǒng)計(jì)與分析。

(1)內(nèi)符合精度的統(tǒng)計(jì)。

(1)

在連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTK實(shí)時(shí)內(nèi)符合精度統(tǒng)計(jì)中，計(jì)算每一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)所有測(cè)量值的平均值，再將該平均值與每一測(cè)量值求差，進(jìn)行內(nèi)符合精度統(tǒng)計(jì)。其內(nèi)符合精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)量的數(shù)據(jù)內(nèi)符合精度進(jìn)行頻率和正態(tài)分布分析，并繪制DX、DY、DZ方向的頻率和正態(tài)分布圖，如圖2。

從表1中可看出，內(nèi)符合精度100%的測(cè)試點(diǎn)平面精度優(yōu)于±2.0 cm，100%的測(cè)試點(diǎn)高程精度優(yōu)于±2.0 cm。

從圖2可以看出，DX、DY、DZ3個(gè)方向的誤差均集中在±1 cm以內(nèi)，內(nèi)符合精度優(yōu)良。

表1 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)?nèi)符合精度分布區(qū)間統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Distribution interval statisticsTable of internal conforming accuracy for real time dynamic measurement

圖2 DX、DY、DZ方向頻率和正態(tài)分布圖Fig.2 Frequency and normal distribution diagram of DX，DY，DZ direction

(2)外符合精度統(tǒng)計(jì)

(2)

使用CGCS2000坐標(biāo)系下該測(cè)試點(diǎn)的坐標(biāo)為系統(tǒng)的最或然值，將各觀測(cè)值與最或然值求差，然后按式(2)進(jìn)行系統(tǒng)的外符合精度統(tǒng)計(jì)。

對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)量的數(shù)據(jù)外符合精度進(jìn)行頻率和正態(tài)分布分析，并分別繪制DX、DY、DZ方向的頻率和正態(tài)分布圖，如圖3。

表2 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量外符合精度分布區(qū)間統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Distribution interval statisticsTable of external conforming accuracy for real time dynamic measurement

圖3 DX、DY、DZ方向頻率和正態(tài)分布圖Fig.3 Frequency and normal distribution diagram of DX，DY，DZ direction

從圖3可以看出，DX、DY2個(gè)方向的誤差均集中在±2 cm以內(nèi)，DZ方向的誤差分布集中在±5 cm以內(nèi)，平面方向的外符合精度高于高程方向，外符合精度優(yōu)良。從整體上看，該地區(qū)的內(nèi)符合精度優(yōu)于外符合精度。

3.3 與后處理結(jié)果比較分析

1)測(cè)試區(qū)域及方法。

本次實(shí)驗(yàn)是在測(cè)區(qū)選擇18個(gè)坐標(biāo)已知的C級(jí)GPS點(diǎn)，進(jìn)行D級(jí)靜態(tài)觀測(cè)，數(shù)據(jù)采樣率為15 s，觀測(cè)時(shí)間為120 min，測(cè)量?jī)x器采用TRIMBLE R8，采樣完成后進(jìn)行靜態(tài)解算，將處理結(jié)果作為真值，與各點(diǎn)已知值進(jìn)行比較。

動(dòng)態(tài)測(cè)量采用RTK撥號(hào)方式進(jìn)行。儀器設(shè)備采用TRIMBLE R8，測(cè)量模式采用控制點(diǎn)模式，采樣率為1 s，每180個(gè)歷元記錄一個(gè)定位結(jié)果，每點(diǎn)獨(dú)立觀測(cè)5次，每觀測(cè)一次后斷開(kāi)連接，重新初始化后進(jìn)行測(cè)量，并記錄初始化時(shí)間。

2)觀測(cè)成果的統(tǒng)計(jì)與分析。

與后處理結(jié)果差值比較分析統(tǒng)計(jì)表如表3所示。

表3 與后處理結(jié)果比較精度分布區(qū)間統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Distribution interval statisticsTable of accuracy for comparison with the post-processing results

圖4 DX、DY、DZ方向頻率和正態(tài)分布圖Fig.4 Frequency and normal distribution diagram of DX，DY，DZ direction

對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)外符合精度進(jìn)行頻率和正態(tài)分布分析，并分別繪制DX、DY、DZ方向的頻率和正態(tài)分布圖，如圖4。

從表3和圖4可以看出，X方向、Y方向的誤差主要集中在±3 cm之間；Z方向的誤差主要集中在±4 cm之間,且統(tǒng)計(jì)結(jié)果在99.99%均在6 cm以內(nèi)。外符合精度優(yōu)良。

3.4 固定(已知)基線長(zhǎng)度相對(duì)檢測(cè)

1)檢測(cè)方法。

固定基線長(zhǎng)度檢測(cè)將2臺(tái) GPS架設(shè)在一鋼管兩端固定點(diǎn)上，準(zhǔn)確測(cè)量2點(diǎn)之間的距離，作為真值。鋼架繞中間支點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)2臺(tái)儀器以采樣率1 s進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位，記錄定位結(jié)果，然后計(jì)算兩點(diǎn)間距離，與真值比較，得到觀測(cè)數(shù)據(jù)與真值的長(zhǎng)度差，此長(zhǎng)度反映了2臺(tái)接收機(jī)位置誤差的瞬時(shí)相關(guān)影響。

表4 固定基線長(zhǎng)度差值分布區(qū)間統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Distribution interval statisticsTable of difference for fixed baseline length

圖5 DS方向頻率和正態(tài)分布圖Fig.5 Frequency and normal distribution diagram of DS direction

2)觀測(cè)成果的統(tǒng)計(jì)與分析。

本次共測(cè)量197組數(shù)據(jù)，對(duì)各組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。由于2臺(tái)接收機(jī)采用RTK模式進(jìn)行測(cè)量，后處理時(shí)以秒為單位進(jìn)行同步，存在兩臺(tái)接收機(jī)沒(méi)有嚴(yán)格同步情況，并以2倍中誤差為限差，超過(guò)2倍中誤差的觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以認(rèn)為同步較差的數(shù)據(jù)作為觀測(cè)粗差剔除。剔除粗差后的數(shù)據(jù)為181組，對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，固定基線長(zhǎng)度檢測(cè)比較分析統(tǒng)計(jì)表如表4所示。

對(duì)固定基線長(zhǎng)度差精度進(jìn)行頻率和正態(tài)分布分析，繪制DS方向的頻率和正態(tài)分布圖(圖5)。

從表4和圖5 可以看出，長(zhǎng)度方向的中誤差主要集中在±3 cm之間，精度比較優(yōu)良。

固定基線長(zhǎng)度相對(duì)檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)：適用于CORS 覆蓋區(qū)域無(wú)固定檢測(cè)點(diǎn)定位精度檢測(cè)。但該檢測(cè)方法也有局限性，它只能夠反映固定基線邊長(zhǎng)相對(duì)位置關(guān)系，不能反映坐標(biāo)分量之間的相對(duì)關(guān)系，因此不能顯著反映CORS動(dòng)態(tài)定位各分量之間的精度。

4 結(jié)論

CORS系統(tǒng)定位精度指標(biāo)是CORS系統(tǒng)重要的考核指標(biāo)之一，本文通過(guò)CORS系統(tǒng)用戶精度檢測(cè)方法的研究和在BHCORS的實(shí)際應(yīng)用，可認(rèn)為本文的檢測(cè)方法對(duì)多數(shù)CORS系統(tǒng)精度測(cè)試具有參考應(yīng)用價(jià)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，BHCORS系統(tǒng)定位精度可靠性較高，平面坐標(biāo)內(nèi)符合精度為±1 cm之內(nèi)，高程內(nèi)符合精度在±1 cm之內(nèi)；平面坐標(biāo)外符合精度在±3 cm之內(nèi)，高程外符合精度在±4 cm之內(nèi)；長(zhǎng)度方向的精度在±3 cm之內(nèi)；且在該地區(qū)內(nèi)外符合精度均勻，可以提供cm級(jí)實(shí)時(shí)定位。