北斗地基增強系統(tǒng)框架下流動站定位精度分析

王濤,蔡東健,周旺輝,解雯

(1. 蘇州工業(yè)園區(qū)測繪地理信息有限公司,江蘇 蘇州 215027;2. 滁州學院,安徽 滁州 239000)

0 引 言

隨著北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)和全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)導航定位技術的不斷發(fā)展,基于BDS的網絡實時動態(tài)(RTK)技術已逐漸成為我國各省空間數(shù)據(jù)基礎設施建設的重要手段．北斗地基增強系統(tǒng)是利用若干個連續(xù)運行的參考站(CORS)組成一個網絡[1],各參考站通過網絡將北斗等觀測數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)處理中心,處理中心通過參考站及網絡建模數(shù)據(jù)解算出改正數(shù)信息,并將其通過GSM/GPRS公眾網絡發(fā)送給用戶,用戶根據(jù)接收到的實時差分改正信息獲得實時高精度的定位結果．網絡RTK實現(xiàn)了由傳統(tǒng)測量作業(yè)模式向數(shù)字技術的轉變,極大地提高了工作效率及精度,并廣泛應用于城市規(guī)劃、交通、水利、旅游、防災減災等領域．目前,各個省份都開始推出北斗地基增強系統(tǒng)框架網服務系統(tǒng),使每一用戶都能接收北斗衛(wèi)星信號,提升了北斗系統(tǒng)的影響力．

蘇州連續(xù)運行衛(wèi)星服務系統(tǒng)自2006年建設運行以來,已發(fā)展成為由8個參考站組成的網系統(tǒng),并于2017年支持北斗衛(wèi)星信號跟蹤CORS，可為用戶提供包含BDS的三種衛(wèi)星系統(tǒng)(GPS+GLONASS+BDS)組合模式(三星模式)服務信息．目前,國內外學者對CORS系統(tǒng)的定位精度、可靠性等做了大量研究[2-3],其中包括了對GPS+GLONASS+BDS三星導航衛(wèi)星系統(tǒng)定位精度的研究;但是其多數(shù)都是基于基準站所接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)或者是流動站在無遮擋環(huán)境下的定位結果進行研究,沒有針對流動站在各種復雜環(huán)境下的定位結果進行深入系統(tǒng)的研究．眾所周知隨著北斗三號系統(tǒng)的完善,天空中運行的衛(wèi)星數(shù)增多,衛(wèi)星空間分布也越來越好．基于虛擬參考站(VRS)技術的北斗地基增強系統(tǒng)對用戶提供服務時,流動站附近的虛擬參考站的數(shù)據(jù)是由CORS網差分生成具有與基準站同等級的數(shù)據(jù)質量,則影響用戶定位結果的原因主要是環(huán)境因素．本文主要目的是對流動站在不同環(huán)境下連接不同源節(jié)點的定位結果進行分析,得出一些有意義的結論．

1 蘇州北斗地基增強系統(tǒng)簡介

北斗地基增強系統(tǒng)是利用BDS、計算機、數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網絡等技術,在一個城市、一個地區(qū)或一個國家根據(jù)需求按一定距離建立的長年連續(xù)運行的由若干固定北斗參考站組成的網絡系統(tǒng)[4]．江蘇CORS蘇州分中心北斗地基增強系統(tǒng)框架網由8個基準站組成, 相鄰站點的平均距離為47 km,基準站的分布如圖1所示;控制中心軟件采用天寶Pivot軟件,版本為3.10.5;基準站北斗接收機設備均采用天寶接收機;用戶可以基于單星模式RTCM23(GPS)、雙星模式RTCM3和CMRPlus(GPS/GLONASS)、三星模式RTCM32和CMRx(BDS/GPS/GLONASS)實現(xiàn)用戶高精度的定位,各種模式類型包括的衛(wèi)星種類如表1所示．

天寶Pivot軟件應用VRS技術[5],利用各個參考站的觀測信息,通過建立精確的誤差模型,在流動站附近產生一個物理上并不存在的VRS,由于VRS位置是通過流動站接收機的單點定位解來確定,所以與流動站的距離只有幾米到十幾米,結合載波相位觀測值和整周模糊度來計算參考站間的綜合殘差．流動站表面上與VRS差分進行差分定位,其實流動站解算依然是與主參考站進行差分相對定位,VRS只是起到傳遞數(shù)據(jù)的作用,保持以前RTK模式與現(xiàn)在網絡RTK模式一致．

圖1 蘇州CORS北斗地基增強系統(tǒng)框架網

模式數(shù)據(jù)源GNSS種類單星模式RTCM23GPS雙星模式CMRPlus RTCM31GPS+GLONASS三星模式RTCM32 CMRxGPS+GLONASS+BDS

2 實驗測試及分析

為驗證系統(tǒng)改造升級后三星模式的穩(wěn)定性,實驗將從用戶連接數(shù)據(jù)類型次數(shù)、基準站數(shù)據(jù)質量、流動站定位精度、不同環(huán)境測試等進行測試分析．本文通過網絡RTK技術對流動站在不同復雜環(huán)境下進行測試,并就不同模式的測試結果進行對比分析．

2.1 數(shù)據(jù)類型連接次數(shù)及數(shù)據(jù)質量

目前,蘇州CORS基于北斗地基增強系統(tǒng)框架網絡正式對300多個用戶提供實時服務已有一段時間,通過用戶反饋的概略位置坐標文件獲知用戶所用的數(shù)據(jù)類型[6],統(tǒng)計2018年8月-10月3個月用戶所用的各個源節(jié)點次數(shù)占總數(shù)的比例如圖2所示．在這3個月中每個月連接的次數(shù)都有數(shù)萬條,而且每個月連接三星模式次數(shù)所占百分比均在80%以上．從8月到10月各種模式變化為:單星模式減少了0.76%、雙星模式基本保持不變、三星模式增長了0.73%．雖然三星模式使用次數(shù)增長比例不足1%,但是乘以每月連接的數(shù)萬條總數(shù),其增長也是幾千次．因此,BDS的發(fā)展和北斗地基增強系統(tǒng)的應用正處于穩(wěn)步上升的趨勢．

為保證流動站在不同環(huán)境下測試結果不受基準站播發(fā)數(shù)據(jù)質量的影響,實驗驗證了基準站所解算數(shù)據(jù)的質量,對CORS站觀測數(shù)據(jù)進行質量分析,從而了解站點周邊環(huán)境對觀測站的影響情況[7]．

圖2 源節(jié)點連接次數(shù)比例

基準站觀測數(shù)據(jù)的質量分析普遍采用TEQC軟件,該軟件可用于檢查雙頻GNSS接收機的動態(tài)和靜態(tài)數(shù)據(jù)質量[8],在快速評定GNSS數(shù)據(jù)質量方面具有極大優(yōu)勢,能分別從數(shù)據(jù)利用率、多路徑效應、周跳比三個方面反映基準站觀測數(shù)據(jù)質量[9]．利用TEQC軟件對8個CORS站觀測數(shù)據(jù)進行分析,觀測數(shù)據(jù)的日期為流動站測試的當天觀測數(shù)據(jù),結果如表2所示．

表2 基準站數(shù)據(jù)質量分析

由表2可知,8個CORS站的觀測數(shù)據(jù)完好率均在96%以上,L1、L2多路徑效應在0.2～0.46均小于0.5,說明L1、L2載波上的多路徑效應對偽距觀測值和相位觀測值影響較小,觀測數(shù)據(jù)與周跳比例高,說明該系統(tǒng)具有良好的周跳探測和修復能力．綜上所述,可知蘇州北斗地基增強系統(tǒng)CORS站的數(shù)據(jù)質量比較穩(wěn)定,基準站周圍觀測環(huán)境較好,滿足網絡RTK的工作需求．

2.2 RTK精度測試

基準站數(shù)據(jù)質量良好,本文測量儀器選用具備接收BDS衛(wèi)星信號能力的Trimble R10設備[10]．測試區(qū)域主要包括三種,分別是無遮擋測試區(qū)域、樹蔭遮擋區(qū)域和建筑物遮擋區(qū)域;兩種遮擋區(qū)域包括一面遮擋和兩面遮擋．每種區(qū)域有2～3個已知測試點,每個測試點測試5 min,并記錄初始化時間、衛(wèi)星數(shù)、手簿記錄的水平精度及垂直精度．

測量完成后將測量結果文件導出,將每臺設備每個源節(jié)點下測量的結果、固定時的衛(wèi)星數(shù)和三維位置精度因子(PDOP)值取平均值進行分析,這里要分析的結果有:固定衛(wèi)星數(shù)、PDOP值、水平精度、垂直精度、外符合精度(測量值與真實值之差)、固定率和初始化時間[6-7]．

2.2.1 無遮擋環(huán)境下測試結果分析

流動站在衛(wèi)星通效果很好的兩個已知點測試,源節(jié)點分別選用單星模式RTCM23、雙星模式RTCM31和CMRPlus、三星模式CMR和RTCM32,測量方式和測量時間間隔分別為連續(xù)地形和5 s,每種源節(jié)點測試5 min,即全部固定情況下總點數(shù)為120個,外符合精度和RTK定位精度分析結果如表3所示,所有測量點數(shù)的固定衛(wèi)星平均數(shù)、PDOP平均值、固定率和初始化時間如表4所示．

表3 流動站定位精度統(tǒng)計

由表3可知,在無遮擋環(huán)境下流動站連接三種數(shù)據(jù)模式定位結果的外符合精度為:X方向最大值均小于3 cm、Y方向最大值均小于2.5 cm、H方向最大值均小于7 cm;三星模式H方向的最大值小于4.1 cm且外符合精度三個方向的平均值也比其他兩種數(shù)據(jù)模式精度要好．對手簿記錄的水平精度和垂直精度比較結果為:三星模式最好,其次雙星模式,較差的是單星模式．綜上所述,在無遮擋環(huán)境下流動站R10連接三星模式源節(jié)點測得的定位結果精度更高,測量每一個點的穩(wěn)定性也更佳．

由表4所示,三星模式固定的衛(wèi)星數(shù)達到了18顆左右,比雙系統(tǒng)(GPS+GLONASS)模式固定衛(wèi)星數(shù)多了4～5顆,比單星模式多10～11顆;三星模式的PDOP值為0.9優(yōu)于其他兩種模式;在無遮擋條件下三星模式和雙星模式的固定率均能達到100%要優(yōu)于單星模式;三星模式的初始化時間也比雙星模式減少了2 s左右,因此,由表2和表3的測試結果可知在無遮擋環(huán)境下三星模式的定位精度更高、穩(wěn)定性更好、固定速度更快．

2.2.2 遮擋環(huán)境下測試結果分析

遮擋環(huán)境主要包括一面或者兩面的樹蔭遮擋區(qū)域和建筑物遮擋區(qū)域,共5個已知點,每個點位上測5 min．上述兩種遮擋區(qū)域包括一面遮擋和兩面遮擋,每個區(qū)域有2～3個已知測試點,測試點所在的遮擋環(huán)境如圖3所示;左上角和左下角分別為一面樹蔭遮擋的4和1號點,右上角和右側中間點分別為兩面樹蔭遮擋的5和3號點,右下角為一面建筑物遮擋一面樹蔭遮擋的2號點,樓高13 m,樹高4～6 m．

圖3 測試點位置分布

利用流動站在上述5個測試點進行測試,測量方式和測量時間間隔分別為連續(xù)地形和5 s,每種源節(jié)點測試5 min,即全部固定情況下總點數(shù)為300個,并記錄相關測試信息,具體的初始化時間、衛(wèi)星數(shù)平均值、手簿記錄的水平精度及垂直精度、外符合精度,如表5和表6所示．

表5 流動站定位精度統(tǒng)計

表6 流動站固定效果統(tǒng)計

由表5可知,在有遮擋情況下,流動站連接三種數(shù)據(jù)模式定位精度比較結果與無遮擋情況下測試的結果一致,均是三星模式的外符合精度、水平精度、垂直精度最好,單星模式最差;對比兩種環(huán)境下測試結果可知,流動站在有遮擋環(huán)境下連接三種數(shù)據(jù)模式的定位結果要比無遮擋環(huán)境下水平外符合精度要差1～3 cm,高程外符合精度要差1～5 cm,其中單星模式定位結果受到影響程度最大為2～5 cm,三星模式影響程度最小為1～2 cm,綜上所述,無論在無遮擋還是有遮擋環(huán)境下流動站R10連接三星模式源節(jié)點測得的的定位結果精度更高,測量每一個點的穩(wěn)定性也更佳．

如表6所示,在有遮擋環(huán)境下儀器固定的衛(wèi)星數(shù)為6～14顆,要比無遮擋環(huán)境下少2～5顆,而且儀器的固定率最好的是三系統(tǒng)模式的98.3%,最差的是單星模式的86.3%,查閱測量數(shù)據(jù)資料發(fā)現(xiàn)在有建筑物和樹蔭遮擋的2號點以及兩面樹蔭遮擋的5號點和3號點存在相對較多沒有固定的坐標或者是精度超限的坐標,通過表5和表6結果及數(shù)據(jù)資料可知,在有遮擋的情況下三系統(tǒng)模式的定位精度、穩(wěn)定性、固定速度都相對另外兩種模式更好,且受到的影響最小．

3 結束語

本文利用天寶流動站R10在無遮擋環(huán)境下和有遮擋環(huán)境下總共7個已知點進行測試,并結合Pivot軟件關于用戶使用數(shù)據(jù)類型的文件信息和分析的基準站數(shù)據(jù)質量情況,得出以下結論．

1)在通視的環(huán)境下,無論用戶連接任意一種數(shù)據(jù)模式都可以達到平面精度優(yōu)于5 cm,高程精度優(yōu)于10 cm的框架網設計標準．

2)在一面遮擋或者是部分雙面遮擋的環(huán)境下,三系統(tǒng)模式的測量精度仍然可以保持水平精度為3 cm以內,垂直精度5 cm以內,測量結果明顯好于單星模式和雙星模式的源節(jié)點．

3)分析用戶使用各種數(shù)據(jù)類型的連接次數(shù)和基準站數(shù)據(jù)質量可以得出,在保證基準站數(shù)據(jù)質量的情況下,用戶連接三系統(tǒng)模式的次數(shù)處于不斷增長狀態(tài),反映了我國BDS的不斷完善對測繪事業(yè)發(fā)展的貢獻正在逐步增大．