基于北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的區(qū)域CORS系統(tǒng)建立

張?jiān)郎?/p>

（湖北曉雲(yún)科技有限公司，湖北 武漢 437000）

1 概述

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) （BeiDou Navigation Satellite System，BDS）作為我國獨(dú)立自主研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家防御提供強(qiáng)有力保障，按照計(jì)劃，2020年左右將全面建成并覆蓋全球[1]，可以提供全世界范圍內(nèi)的短報(bào)文、授時(shí)、定位等功能。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有與GPS、GLONASS等全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)兼容的功能，研究基于BDS的多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)綜合應(yīng)用具有重要意義[2]。CORS是基于RTK技術(shù)和差分GPS技術(shù)發(fā)展起來的，它由GPS參考系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理中心，通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及用戶系統(tǒng)等組成[3]，CORS系統(tǒng)通過連續(xù)運(yùn)行的固定參考站獲取衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理自動(dòng)地向用戶發(fā)布不同類型的GPS原始數(shù)據(jù)和改正數(shù)據(jù)，用戶即可實(shí)現(xiàn)高精度的快速的或事后的導(dǎo)航定位[4]。目前，CORS系統(tǒng)在基準(zhǔn)站站址選擇、觀測(cè)墩建設(shè)、數(shù)據(jù)采集和傳輸方式等方面并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[5]。建設(shè)北斗多星CORS系統(tǒng)，推廣北斗CORS應(yīng)用，將使用戶享受到更優(yōu)質(zhì)的衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)和更好的體驗(yàn)[6]。本文對(duì)基于BDS的CORS技術(shù)進(jìn)行了深入研究，依托于CORS系統(tǒng)的建設(shè)項(xiàng)目，完成了BDS區(qū)域CORS系統(tǒng)的建設(shè)及系統(tǒng)的測(cè)試工作。

2 區(qū)域CORS系統(tǒng)建設(shè)

2.1 系統(tǒng)組成

CORS系統(tǒng)主要由GPS接收機(jī)、GPS天線、天線罩以及天線電纜等設(shè)備組成，區(qū)域CORS系統(tǒng)是CORS系統(tǒng)的一種因地制宜的簡化，它由幾臺(tái)臺(tái)永久性連續(xù)運(yùn)行參考站，幾臺(tái)臺(tái)負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)和控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)服務(wù)器及用戶接收機(jī)組成。系統(tǒng)通過參考站連續(xù)運(yùn)行，采集偽距和相位觀測(cè)數(shù)據(jù)，并且控制接收機(jī)定期下載文件數(shù)據(jù)和發(fā)布流動(dòng)站需要的數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)的用戶可以通過GPRS/CDMA上網(wǎng)登錄到服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)處理中心的改正數(shù)據(jù)，進(jìn)行測(cè)量或定位，對(duì)于事后用戶，可以通過FTP下載GPS參考站軟件服務(wù)器上的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[7]。

2.2 選址建設(shè)

由于受到GPS誤差源的影響，差分信號(hào)質(zhì)量受參考站所獲取的信號(hào)質(zhì)量影響巨大。因此，站址選擇通常是建立區(qū)域CORS站所面臨的一個(gè)重要問題。為了減弱信號(hào)源誤差的影響，盡量提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，采用了在建筑物頂部建站的形式，消除高壓線、無線電發(fā)射塔等電磁的干擾物；同時(shí)能夠有效避開了大部分高層建筑物，使得10°高度角以上的衛(wèi)星信號(hào)基本無干擾，并且建筑物頂部具有良好的防雷設(shè)施和CORS站相連。移動(dòng)端通過訪問服務(wù)器IP獲取差分?jǐn)?shù)據(jù)，所有基站設(shè)備均使用單位內(nèi)部電源供電，基站服務(wù)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

站址觀測(cè)數(shù)據(jù)分析主要包括觀測(cè)數(shù)據(jù)多路徑效應(yīng)分析有效率分析，多路徑效應(yīng)分析主要是反映L1和L2波段多路徑效應(yīng)的MP1和MP2數(shù)值[8]，MP1表示L1載波的多路徑效應(yīng)，MP2表示L2載波的多路徑效，MP1和MP2應(yīng)小于0.5m。站址的多路徑星空?qǐng)D和信噪比星空?qǐng)D可以輔助分析，選擇其中一個(gè)站址的分析圖（如圖2所示），從中可以看出L1，L2載波受到的多路徑影響只在10°高度角周邊，建站后數(shù)據(jù)觀測(cè)高度角可設(shè)為15°。有效數(shù)據(jù)觀測(cè)量為95.9%，該點(diǎn)完全滿足建站條件，可以在該點(diǎn)建立參考站進(jìn)行工作。據(jù)此完成了四個(gè)參考站的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析，均滿足建站要求。

圖1 基站服務(wù)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 分析圖

2.4 基站數(shù)據(jù)平差解算

CORS基站安裝完畢后，采用GAMIT軟件及CGO軟件進(jìn)行基線處理，基線解的相對(duì)精度能夠達(dá)到10-9左右。提取連續(xù)24h原始數(shù)據(jù)，歷元間隔30s，通過GAMIT v10.4軟件及CGO與IGS站聯(lián)合解算，得出各基站的精準(zhǔn)WGS-84坐標(biāo)。CORS基站平差后的空間直角坐標(biāo)見表1，二個(gè)方向的中誤差在0.05m以內(nèi)，精度指標(biāo)符合中誤差優(yōu)于0.1m的要求[9]。

表1 基站精度統(tǒng)計(jì)表（單位：m）

3 性能測(cè)試

在本次CORS系統(tǒng)建設(shè)完成后，需要對(duì)系統(tǒng)精度及穩(wěn)定性等性能進(jìn)行評(píng)價(jià)測(cè)試，測(cè)試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)24h正常運(yùn)行，通過連接流動(dòng)站觀測(cè)獲得固定解時(shí)間均小于2min，在一周后進(jìn)行了精度和距離的測(cè)試。

3.1 RTK定位精度測(cè)試

系統(tǒng)定位算法、可用衛(wèi)星分布、測(cè)站通信、流動(dòng)站性能等因素都會(huì)影響RTK定位精度，通過統(tǒng)計(jì)測(cè)試坐標(biāo)的內(nèi)符合精度和外符合精度確定真實(shí)作業(yè)條件下RTK的實(shí)時(shí)定位精度[10]。測(cè)試時(shí)，選擇了不同環(huán)境和不同觀測(cè)條件下的點(diǎn)位，測(cè)試能反映真實(shí)的定位精度水平。采用華測(cè)i80，通訊方式采用內(nèi)置GPRS通訊模塊或手機(jī)GPRS。測(cè)試經(jīng)過北斗增強(qiáng)前后系統(tǒng)總體內(nèi)、外符合精度，系統(tǒng)總體內(nèi)、外符合精度計(jì)算方法如下：

系統(tǒng)總體內(nèi)符合精度統(tǒng)計(jì)，采用如下公式：

其中：mi表示各個(gè)測(cè)試點(diǎn)在X、Y、H方向的內(nèi)符合精度；n表示測(cè)試點(diǎn)總數(shù)；M表示系統(tǒng)在X、Y、H方向的總體內(nèi)符合精度；

系統(tǒng)總體外符合精度統(tǒng)計(jì)，采用如下公式：

其中：τi表示各個(gè)測(cè)試點(diǎn)在X、Y、H方向的外符合精度；n表示測(cè)試點(diǎn)總數(shù)；T表示系統(tǒng)在X、Y、H方向的總體外符合精度；

測(cè)試點(diǎn)的內(nèi)符合精度、外符合精度統(tǒng)計(jì)全部基于1980西安坐標(biāo)系，結(jié)果見表2、表3。通過總體內(nèi)、外符合精度對(duì)比發(fā)現(xiàn)，CORS系統(tǒng)測(cè)試精度分布均勻，總體內(nèi)符合精度優(yōu)于3cm，總體外符合精度優(yōu)于4cm，其中經(jīng)過北斗增強(qiáng)后總體內(nèi)外符合精度都明顯提高。

表2 總體內(nèi)符合精度（單位：m）

表3 總體外符合精度（單位：m）

3.2 時(shí)間可用性測(cè)試

時(shí)間可用性RTK實(shí)時(shí)定位服務(wù)的重要指標(biāo)，容易受到衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)、大氣變化、天氣等因素影響，導(dǎo)致CORS系統(tǒng)無法提供有效的定位服務(wù)。測(cè)試時(shí)，根據(jù)實(shí)測(cè)歷元數(shù)統(tǒng)計(jì)丟失歷元和丟失率，在某12層高樓樓頂架設(shè)流動(dòng)站，采樣率設(shè)置為5s，連續(xù)12h采集RTK固定解。實(shí)際測(cè)試從早上8小時(shí)30分鐘21秒開始，止于當(dāng)日20小時(shí)50分鐘43秒，實(shí)際測(cè)試12小時(shí)20分鐘。應(yīng)記數(shù)據(jù)量8880個(gè)，實(shí)記數(shù)據(jù)量8588個(gè)，時(shí)間可用性為96.71%，時(shí)間可用性滿足95%以上的要求。

3.3 空間可用性測(cè)試

空間可用性測(cè)試主要目的是確定CORS系統(tǒng)中得到RTK固定解的區(qū)域范圍，先后在東、南、西、北、中間五個(gè)方位采用定點(diǎn)測(cè)試的方法進(jìn)行，得到固定解的距離統(tǒng)計(jì)見表4。從表中可以看出，32km處仍能獲得固定解，說明建立的CORS系統(tǒng)能得到固定解的區(qū)域可以覆蓋較大的范圍。

表4 固定解距離測(cè)試統(tǒng)計(jì)表

3.4 網(wǎng)絡(luò)RTK初始化時(shí)間測(cè)試

網(wǎng)絡(luò)RTK初始化時(shí)間，即網(wǎng)絡(luò)RTK定位所需從浮點(diǎn)解到固定解的時(shí)間。由浮動(dòng)解到固定解的時(shí)間稱為RTK收斂時(shí)間，衛(wèi)星分布、測(cè)站距離和觀測(cè)環(huán)境以及網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性等因素都會(huì)影響RTK收斂時(shí)間。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了一星（GPS）、雙星（GPS+GLONASS）、二星（BDS+GPS+GLONASS）的收斂時(shí)間，測(cè)試發(fā)現(xiàn)，一星RTK固定解收斂平均為9.5s，二星RTK固定解收斂平均為9.1s，二星RTK固定解收斂平均為8.9s，可以認(rèn)為，一般觀測(cè)條件下，經(jīng)過北斗增強(qiáng)后，區(qū)域CORS模式收斂時(shí)間更快。

3.5 應(yīng)用測(cè)試

試驗(yàn)測(cè)區(qū)選擇距基準(zhǔn)站約20km范圍，測(cè)區(qū)現(xiàn)有已經(jīng)布設(shè)完成的6個(gè)控制點(diǎn)，控制點(diǎn)點(diǎn)位間距平均為1km。測(cè)試當(dāng)天根據(jù)星歷預(yù)報(bào)發(fā)現(xiàn)，在設(shè)置截止高度角15度的情況下，衛(wèi)星個(gè)數(shù)8個(gè)，PDOP值為4。利用區(qū)域CORS RTK系統(tǒng)作業(yè)，選擇兩個(gè)校正點(diǎn)，并選擇第二個(gè)點(diǎn)作為檢核，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)X、Y、Z二個(gè)方向誤差均小于3mm，點(diǎn)校正滿足精度要求，RKT外業(yè)測(cè)量取3次所測(cè)平均值，測(cè)試結(jié)果與靜態(tài)結(jié)果比較見表5。

表5 CORS-RTK測(cè)量與靜態(tài)測(cè)量較差值（單位m）

通過對(duì)CORS-RTK測(cè)量的坐標(biāo)與靜態(tài)測(cè)量結(jié)果的比較分析，可以得出相對(duì)誤差最大17mm，最小1mm，均方根誤差X方向?yàn)?0mm，Y為方向誤差為9mm，這一精度能夠滿足該區(qū)域的導(dǎo)線測(cè)量、圖根控制、大比例尺數(shù)字化測(cè)圖和施工放樣的精度要求。

4 結(jié)束語

通過對(duì)CORS系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試以及應(yīng)用試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)，加入BDS星座后，測(cè)量過程中初始化時(shí)間顯著提升、測(cè)量結(jié)果各測(cè)回高程互差差值更小，更加收斂，信號(hào)更加穩(wěn)定。區(qū)域CORS系統(tǒng)可替代傳統(tǒng)基于基準(zhǔn)站的RTK技術(shù)作業(yè)，它可為半徑在30km以內(nèi)的區(qū)域提供不間斷服務(wù)，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，精度較高，在本地區(qū)具有較強(qiáng)的可行性。隨著BDS星座不斷完善，BDS組網(wǎng)成功，北斗CORS系統(tǒng)的定位精度和適用性將會(huì)得到進(jìn)一步的提高。