基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法的網(wǎng)絡(luò)RTK精度分析

吳海樂(lè)

( 交信北斗科技有限公司, 北京 101318 )

0 引 言

基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)的連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)服務(wù)因其高精度、高效率、實(shí)時(shí)性的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域研究及工程應(yīng)用的熱點(diǎn)，為測(cè)繪、智能交通、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、電網(wǎng)、城市建設(shè)、變形監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域提供了高精度位置服務(wù)支撐[1-6]. 目前，工程應(yīng)用中絕大部分CORS系統(tǒng)采用基于虛擬參考站(VRS)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位(RTK)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)區(qū)域基準(zhǔn)站網(wǎng)高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)[7-9]. 但因該技術(shù)需要在數(shù)據(jù)處理中心承擔(dān)大量計(jì)算工作以及采用雙向交互方式，受到網(wǎng)絡(luò)帶寬、主控站計(jì)算能力等限制[10-12]. 針對(duì)這些不足，有學(xué)者研究提出了基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法[7-8,13-14]，并逐步推廣到工程應(yīng)用中，隨著GNSS在各行業(yè)應(yīng)用以及互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，各省市CORS在升級(jí)改造中得到了諸多應(yīng)用[8,15]，提升了計(jì)算能力及用戶交互能力.

目前，針對(duì)基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法性能指標(biāo)研究主要停留在對(duì)定位結(jié)果的判斷[7-8,16-17]，而不同格網(wǎng)劃分分辨率對(duì)網(wǎng)絡(luò)RTK精度影響的研究較少. 為了研究不同格網(wǎng)劃分分辨率對(duì)網(wǎng)絡(luò)RTK精度影響，以及常規(guī)格網(wǎng)劃分條件下，動(dòng)態(tài)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)RTK精度，本文首先介紹基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，然后測(cè)試并分析了格網(wǎng)劃分分辨率不同對(duì)網(wǎng)絡(luò)RTK精度的影響，最后在常規(guī)格網(wǎng)劃分條件下，選取動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的應(yīng)用數(shù)據(jù)，分析了基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法的網(wǎng)絡(luò)RTK動(dòng)態(tài)應(yīng)用精度.

1 基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法

基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法，將虛擬觀測(cè)量解算與用戶交互模塊分開(kāi)，可分布式部署，不受單個(gè)網(wǎng)絡(luò)帶寬、主控站計(jì)算能力限制，得到多方應(yīng)用，提升了計(jì)算能力及用戶交互能力.

1.1 基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法原理與流程

基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法是對(duì)傳統(tǒng)VRS方法的改進(jìn)[7-8]，實(shí)現(xiàn)了用戶交互模塊與虛擬觀測(cè)量解算模塊分離，各模塊可單獨(dú)部署. 虛擬觀測(cè)量解算模塊部署在數(shù)據(jù)處理中心，接收區(qū)域基準(zhǔn)站原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)先劃分的區(qū)域虛擬格網(wǎng)點(diǎn)位置信息，采用常規(guī)VRS方法分別計(jì)算區(qū)域內(nèi)所有格網(wǎng)點(diǎn)的虛擬觀測(cè)量. 在虛擬格網(wǎng)點(diǎn)劃定后，數(shù)據(jù)處理中心計(jì)算量相對(duì)固定，資源開(kāi)銷(xiāo)變化不大，再通過(guò)單向傳輸?shù)哪Ｊ桨l(fā)送到用戶交互模塊. 該模式下，可設(shè)置安全的單向傳輸策略，保證數(shù)據(jù)處理中心基準(zhǔn)站等數(shù)據(jù)的安全訪問(wèn). 用戶交互模塊接收所有格網(wǎng)點(diǎn)的虛擬觀測(cè)量，同用戶通過(guò)雙向通信的方式，根據(jù)用戶概略位置判斷并選擇最近格網(wǎng)點(diǎn)的虛擬觀測(cè)量并轉(zhuǎn)發(fā)給用戶[7]. 用戶交互模塊可根據(jù)用戶量分布式部署，不受單個(gè)網(wǎng)絡(luò)帶寬、主控站計(jì)算能力限制，能夠?yàn)榇蟛l(fā)用戶服務(wù)[7,9]. 綜上所述，基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法改進(jìn)項(xiàng)如表1所示.

表1 基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法改進(jìn)項(xiàng)

基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法是對(duì)常規(guī)VRS方法的改進(jìn)，該方法工作流程為：首先根據(jù)區(qū)域大小和預(yù)設(shè)的格網(wǎng)分辨率，劃分虛擬格網(wǎng)點(diǎn)，生成格網(wǎng)點(diǎn)三維坐標(biāo)；然后，數(shù)據(jù)處理中心接收并進(jìn)行基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)預(yù)處理，選取每個(gè)虛擬格網(wǎng)點(diǎn)附近3個(gè)及以上的基準(zhǔn)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)計(jì)算虛擬格網(wǎng)點(diǎn)的虛擬觀測(cè)量，生成區(qū)域增強(qiáng)數(shù)據(jù)信息；最后，將所有格網(wǎng)點(diǎn)的虛擬區(qū)域增強(qiáng)數(shù)據(jù)信息全部單向推送至用戶交互模塊，用戶交換模塊再通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)向通過(guò)認(rèn)證的終端用戶推送用戶請(qǐng)求的增強(qiáng)數(shù)據(jù)信息. 基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法工作流程如圖1所示.

圖1 基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法工作流程圖

1.2 基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法， 設(shè)計(jì)了高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)軟件，可提供區(qū)域高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)，軟件設(shè)計(jì)方法如下：

1)虛擬格網(wǎng)劃分，根據(jù)區(qū)域大小和預(yù)設(shè)的格網(wǎng)分辨率，劃分虛擬格網(wǎng)點(diǎn). 再根據(jù)區(qū)域地形分析和高程變化，對(duì)高程變化較大的區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)加密. 最后根據(jù)用戶在區(qū)域內(nèi)分布密度以及小區(qū)域用戶精度需求，對(duì)用戶分布密度較稀或精度需求較高的區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)加密. 最終形成虛擬格網(wǎng)點(diǎn)劃分后所有格網(wǎng)點(diǎn)的三維坐標(biāo).

2)虛擬觀測(cè)量解算模塊，執(zhí)行基準(zhǔn)站管理、基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)處理和虛擬觀測(cè)量生成工作. 因基準(zhǔn)站網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)站坐標(biāo)屬于秘密數(shù)據(jù)[18]，基準(zhǔn)站管理與基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)處理模塊部署在內(nèi)網(wǎng)受控環(huán)境，通過(guò)專(zhuān)線獲取基準(zhǔn)站原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)各基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流，對(duì)各基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)進(jìn)行周跳探測(cè)、粗差探測(cè)、模糊度解算、誤差分離等各項(xiàng)數(shù)據(jù)預(yù)處理工作. 然后，采用合適的基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)進(jìn)行格網(wǎng)點(diǎn)虛擬觀測(cè)值計(jì)算，單向推送至外網(wǎng)用戶交互模塊.

3)用戶交互模塊，執(zhí)行用戶管理與用戶鑒權(quán)，正常狀態(tài)的用戶才能使用增強(qiáng)服務(wù). 同用戶交互的每個(gè)輸出數(shù)據(jù)流獨(dú)立線程運(yùn)行，保證各用戶間互無(wú)影響.通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)向通過(guò)認(rèn)證的終端用戶推送距用戶請(qǐng)求概略位置最近的虛擬格網(wǎng)點(diǎn)的增強(qiáng)數(shù)據(jù)信息.

基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)軟件設(shè)計(jì)，軟件運(yùn)行流程如圖2所示.

圖2 基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)軟件運(yùn)行流程圖

2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為了評(píng)價(jià)格網(wǎng)劃分分辨率不同對(duì)網(wǎng)絡(luò)RTK精度影響，以及常規(guī)格網(wǎng)劃分條件下，動(dòng)態(tài)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)RTK精度，本文進(jìn)行了多項(xiàng)測(cè)試和分析，主要包括兩方面：格網(wǎng)劃分分辨率不同條件下，網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度分析；常規(guī)格網(wǎng)劃分條件下，動(dòng)態(tài)跑車(chē)場(chǎng)景應(yīng)用精度分析.

2.1 格網(wǎng)劃分分辨率不同對(duì)網(wǎng)絡(luò)RTK精度影響

本文以某省作為測(cè)試區(qū)域，測(cè)試格網(wǎng)劃分分辨率對(duì)網(wǎng)絡(luò)RTK精度影響. 選取1個(gè)靜態(tài)已知測(cè)試點(diǎn)，架設(shè)RTK GNSS接收機(jī)設(shè)備，型號(hào)為司南導(dǎo)航M300高精度定位GNSS接收機(jī)，采樣頻率為1 Hz，采用BDS+GPS雙系統(tǒng)雙頻定位. 分別按照2′×2′、4′×4′、6′×6′、8′×8′的格網(wǎng)分辨率劃分格網(wǎng)虛擬點(diǎn)，標(biāo)記為a、b、c、d測(cè)試，每項(xiàng)測(cè)試運(yùn)行3 h，測(cè)試點(diǎn)設(shè)備采用常規(guī)RTK解算方式進(jìn)行定位解算. 圖3為不同格網(wǎng)劃分分辨率測(cè)試的接收機(jī)設(shè)備定位偏差序列，(a)、(b)、(c)、(d)分別為四種模式下測(cè)試定位結(jié)果同真值比較的北(N)、東(E)、天頂(U)方向的偏差. 表2列出了格網(wǎng)劃分分辨率對(duì)網(wǎng)絡(luò)RTK影響測(cè)試精度統(tǒng)計(jì)，分別為四種模式下測(cè)試定位結(jié)果的偏差在N、E、U方向的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(1σ).

圖3 不同格網(wǎng)劃分分辨率下接收機(jī)設(shè)備定位偏差序列圖

由表2和圖3可知，基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法的精度為厘米級(jí)，格網(wǎng)劃分分辨率對(duì)網(wǎng)絡(luò)RTK有一定影響. 2′×2′和4′×4′格網(wǎng)劃分模式下，定位殘差序列除個(gè)別異常點(diǎn)外，幾乎都在厘米級(jí)內(nèi)，且精度統(tǒng)計(jì)相當(dāng). 隨著格網(wǎng)劃分距離增加，6′×6′和8′×8′格網(wǎng)劃分模式下，隨距離增加定位殘差統(tǒng)計(jì)精度稍降低.

表2 格網(wǎng)劃分分辨率對(duì)網(wǎng)絡(luò)RTK影響測(cè)試精度統(tǒng)計(jì) m

綜合測(cè)試結(jié)果分析，可以選擇4′×4′作為常規(guī)格網(wǎng)劃分，滿足少量相對(duì)固定的虛擬格網(wǎng)點(diǎn)觀測(cè)量計(jì)算，且定位精度維持在厘米級(jí).

2.2 動(dòng)態(tài)場(chǎng)景

常規(guī)格網(wǎng)劃分條件下，選取動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的應(yīng)用數(shù)據(jù)，分析基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法的網(wǎng)絡(luò)RTK動(dòng)態(tài)應(yīng)用精度.

將采集數(shù)據(jù)的RTK GNSS接收機(jī)用吸盤(pán)放在車(chē)頂，設(shè)備型號(hào)為司南導(dǎo)航T300 Plus GNSS接收機(jī)，采樣頻率為1 Hz，進(jìn)行動(dòng)態(tài)跑車(chē)測(cè)試，采用BDS+GPS雙頻雙系統(tǒng)RTK定位方式進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為30 min，GNSS天線安裝如圖4所示. 同時(shí)，用一臺(tái)SPAN設(shè)備同時(shí)作業(yè)，作為真值. RTK GNSS接收機(jī)同SPAN設(shè)備相對(duì)位置固定，N、E、U方向?yàn)楣潭ɑ€，通過(guò)兩臺(tái)設(shè)備基線間殘差作精度測(cè)算.

圖4 GNSS天線安裝

跑車(chē)路線如圖5所示，本次跑車(chē)在城市道路，約22 km，經(jīng)過(guò)多處高架橋、隧道等路段.

圖5 動(dòng)態(tài)跑車(chē)測(cè)試路線圖

RTK接收機(jī)采集頻率為1 Hz，本次測(cè)試多處因遮擋等原因?qū)е翿TK重新初始化，有的時(shí)段為浮點(diǎn)解，統(tǒng)計(jì)得到本次測(cè)試固定解比例為94.8%. 提取固定解結(jié)果跟SPAN結(jié)果比較，基線差在N、E、U三方向的殘差序列圖如圖6所示，動(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果N、E、U方向統(tǒng)計(jì)精度如表3所示.

由圖6和表3可知，常規(guī)格網(wǎng)劃分條件下，RTK動(dòng)態(tài)定位測(cè)試水平殘差序列為厘米級(jí)，高程殘差序列在分米級(jí)，精度統(tǒng)計(jì)為水平在2 cm以內(nèi)，高程在3 dm以內(nèi)，固定率為94.8%，能夠達(dá)到動(dòng)態(tài)應(yīng)用精度要求.

圖6 RTK與SPAN設(shè)備動(dòng)態(tài)定位測(cè)量結(jié)果偏差序列圖

表3 動(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果精度統(tǒng)計(jì) m

3 總 結(jié)

本文介紹了基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法原理與流程，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法軟件，然后測(cè)試分析了格網(wǎng)劃分分辨率不同對(duì)網(wǎng)絡(luò)RTK精度影響，最后在常規(guī)格網(wǎng)劃分條件下，選取動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的應(yīng)用數(shù)據(jù)，分析了基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法的網(wǎng)絡(luò)RTK動(dòng)態(tài)應(yīng)用精度.

測(cè)試結(jié)果表明，隨著格網(wǎng)劃分距離增加，網(wǎng)絡(luò)RTK精度隨距離增加會(huì)降低. 其中，2′×2′和4′×4′格網(wǎng)劃分模式下，定位殘差序列除個(gè)別異常點(diǎn)外，幾乎都在厘米級(jí)內(nèi)，且精度統(tǒng)計(jì)相當(dāng)，可以選擇4′×4′作為常規(guī)格網(wǎng)劃分，滿足相對(duì)固定的虛擬格網(wǎng)點(diǎn)觀測(cè)量計(jì)算，且定位精度維持在厘米級(jí). 常規(guī)格網(wǎng)劃分條件下，RTK動(dòng)態(tài)定位水平殘差序列為厘米級(jí)，高程殘差序列在分米級(jí)，能夠達(dá)到動(dòng)態(tài)應(yīng)用精度要求. 因此，基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法改進(jìn)的常規(guī)VRS方法，能夠支持為大并發(fā)用戶服務(wù)，精度為厘米級(jí).

本文基于靜態(tài)和短距離低速動(dòng)態(tài)場(chǎng)景對(duì)基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法精度進(jìn)行了測(cè)試和分析，長(zhǎng)距離以及復(fù)雜環(huán)境的格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法及性能驗(yàn)證是下一步需研究的問(wèn)題和方向.