大范圍礦區(qū)場(chǎng)景下的BDS精密單點(diǎn)定位研究進(jìn)展

高井祥

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

礦區(qū)場(chǎng)景下的煤礦建設(shè)、開采和形變監(jiān)測(cè)離不開GNSS技術(shù)的支持。早期的GNSS用戶主要依靠標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位(Standard Point Positioning，SPP)和相位差分定位技術(shù)來(lái)獲取定位結(jié)果。SPP僅由單臺(tái)接收機(jī)就能獲取用戶的位置信息，但定位精度只能達(dá)到m級(jí)，是低精度用戶(如航海)的主要定位手段。差分定位是通過(guò)觀測(cè)量差分的方式來(lái)大幅消除相關(guān)的定位誤差項(xiàng)，以此來(lái)獲得精確的量測(cè)信息，由于其高精度和高可靠性，是目前應(yīng)用最為廣泛的GNSS(Global Navigation Satellite System，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))定位技術(shù)[1]。但是差分定位技術(shù)也存在一定的技術(shù)局限性，如必須聯(lián)系國(guó)家高等級(jí)的基準(zhǔn)信息；在高精度實(shí)現(xiàn)和時(shí)效性上存在應(yīng)用瓶頸。煤炭安全生產(chǎn)是產(chǎn)煤企業(yè)的工作重點(diǎn)，需要GNSS提供高精度、高可靠的位置信息服務(wù)以供生產(chǎn)與指揮決策之便。煤炭開采會(huì)導(dǎo)致礦區(qū)地表發(fā)生沉陷變形，對(duì)礦產(chǎn)區(qū)域人民的生產(chǎn)生活帶來(lái)巨大的影響。針對(duì)小范圍礦區(qū)，可以在礦區(qū)之外地質(zhì)構(gòu)造堅(jiān)固的地區(qū)架設(shè)GNSS基站，通過(guò)差分定位技術(shù)手段獲取高精度相對(duì)位置信息服務(wù)于礦區(qū)形變監(jiān)測(cè)與生產(chǎn)工作；但在大范圍礦區(qū)，難以在近區(qū)域建立穩(wěn)定的基準(zhǔn)站，且長(zhǎng)基線將大大降低差分定位的精度，難以滿足安全生產(chǎn)的基本要求。精密單點(diǎn)定位(PPP，Precise Point Positioning)技術(shù)首次由Zumberge提出[2]，它是通過(guò)外部高精度的產(chǎn)品或模型對(duì)相應(yīng)誤差項(xiàng)進(jìn)行改正，獲取地球參考框架下的高精度的位置坐標(biāo)。PPP無(wú)需GNSS基站，操作簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的高精度定位，因此面向大范圍礦區(qū)開展精密單點(diǎn)定位模型的研究工作具有重要意義，可以在無(wú)基站情況下滿足大范圍礦區(qū)定位需求。中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Beidou Navigation Satellite System，BDS)發(fā)展至今，相關(guān)技術(shù)手段發(fā)展日漸成熟，已于2020年7月完成了全球組網(wǎng)工作。利用中國(guó)自主建設(shè)的BDS在大范圍礦區(qū)場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)精密單點(diǎn)定位應(yīng)用研究，有利于提升礦區(qū)的生產(chǎn)效率，在提升北斗系統(tǒng)技術(shù)水平的過(guò)程中維護(hù)國(guó)家安全與核心利益。

1 BDS精密單點(diǎn)定位

BDS是我國(guó)著眼于國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求，自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航與授時(shí)(PNT)服務(wù)的國(guó)家重要時(shí)空基礎(chǔ)設(shè)施[3-4]。我國(guó)BDS起步較晚，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于GNSS PPP的研究相對(duì)比較深入，主要呈現(xiàn)出如下幾個(gè)趨勢(shì)：① PPP技術(shù)在靜態(tài)條件下能夠提供cm級(jí)甚至mm級(jí)的定位服務(wù)，在動(dòng)態(tài)條件下能夠提供dm級(jí)甚至cm級(jí)的定位服務(wù)；② PPP整周模糊度技術(shù)的改正大幅度提高了定位的精度和可靠性，但是相關(guān)產(chǎn)品還處于實(shí)驗(yàn)階段；③ 多系統(tǒng)GNSS PPP能夠有效提高定位收斂速度，在困難條件下對(duì)精度的提高也起到了很大的作用；④ 事后PPP處理已經(jīng)不能滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枨?，?shí)時(shí)PPP技術(shù)研究已經(jīng)廣泛開展。發(fā)展至今，BDS PPP得益于BDS的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和性能，涵蓋以下幾方面的研究?jī)?nèi)容。目前，BDS系統(tǒng)共有8顆地球同步軌道衛(wèi)星(Geostationary Earth Orbit，GEO)、10顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星(Inclined Geosynchronous Orbit，IGSO)和27顆中軌道地球衛(wèi)星(Medium Earth Orbit，MEO)，其中北斗三號(hào)系統(tǒng)(BDS-3)星座包括24顆MEO衛(wèi)星、3顆IGSO衛(wèi)星和3顆GEO衛(wèi)星。不同類型的導(dǎo)航衛(wèi)星能夠增加BDS的全球覆蓋能力，特別是在一些復(fù)雜遮蔽區(qū)，但不同類型的衛(wèi)星具有不同的軌道穩(wěn)定性，為定位帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。有研究表明北斗二代系統(tǒng)(BDS-2) GEO衛(wèi)星軌道精度約為0.5～1 m，IGSO/MEO衛(wèi)星約為 10～30 cm[5]；而BDS-3軌道精度約為35 cm[6]。光壓模型構(gòu)建是限制BDS衛(wèi)星軌道的主要因素。Ge等人采用 ECOM(Empirical CODE Orbit Model)9參數(shù)光壓模型對(duì)BDS衛(wèi)星精密定軌，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 GEO衛(wèi)星軌道三維精度比IGSO衛(wèi)星低，分別為3 m和20 cm[7]。除此之外，BDS精密鐘差產(chǎn)品精度是制約BDS PPP應(yīng)用的另一關(guān)鍵因素。由于BDS-3配備了更加穩(wěn)定的星載原子鐘，新衛(wèi)星鐘以及與舊衛(wèi)星鐘的聯(lián)合處理還有待進(jìn)一步研究。趙齊樂(lè)等人采用非差模型實(shí)時(shí)估計(jì)了BDS衛(wèi)星鐘差，精度可達(dá)0.15 ns[8]。Wang等人對(duì)德國(guó)地學(xué)研究中心BDS MEO衛(wèi)星精密鐘差進(jìn)行擬合，擬合精度為0.1 ns；另外采用頻譜分析法對(duì)BDS-2和BDS-3衛(wèi)星鐘差進(jìn)行周期性分析，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)BDS-3穩(wěn)定性達(dá)10-15量級(jí)，遠(yuǎn)高于BDS-2衛(wèi)星鐘[9]。在同一系統(tǒng)中，不同類型衛(wèi)星鐘精度也不一樣。Ouyang等人分析了BDS-2衛(wèi)星的實(shí)時(shí)鐘差精度，其中GEO衛(wèi)星鐘差精度最低，IGSO和MEO衛(wèi)星鐘差精度相當(dāng)[10]。

2 大范圍礦區(qū)場(chǎng)景下精密定位

基于BDS PPP的研究綜述，在大范圍礦區(qū)場(chǎng)景下，基于實(shí)時(shí)產(chǎn)品精化的非差非組合研究深受研究人員的青睞。針對(duì)BDS不同類別衛(wèi)星的性能差異以及為了降低冗余觀測(cè)，可以建立基于加權(quán)位置精度因子(PDOP)的非同類衛(wèi)星優(yōu)選模型。為了兼顧衛(wèi)星結(jié)構(gòu)和衛(wèi)星軌道精度，Liu等人構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)理模型，通過(guò)衛(wèi)星類型與定軌精度雙加權(quán)的PDOP進(jìn)行數(shù)據(jù)冗余度的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)BDS衛(wèi)星的優(yōu)選，確保在不損失定位精度的前提下提高非差非組合計(jì)算效率，形成健康的觀測(cè)數(shù)據(jù)空間分布狀態(tài)[11]。針對(duì)GEO衛(wèi)星定軌的不穩(wěn)定性，精化光壓模型。筆者基于太陽(yáng)光照和地球反照射對(duì)系統(tǒng)偏差進(jìn)行深層次的分離，分離出偶然誤差與系統(tǒng)誤差，構(gòu)建光壓模型誤差的時(shí)間序列，基于這種誤差時(shí)間序列，提出一種GEO衛(wèi)星的光壓誤差補(bǔ)償算法，應(yīng)用ALLAN理論對(duì)誤差時(shí)間序列進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上引入深入學(xué)習(xí)方法對(duì)GEO衛(wèi)星光壓誤差時(shí)間序列經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行學(xué)習(xí)，提取衛(wèi)星星體表面光學(xué)系數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)礦區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和緊急調(diào)度問(wèn)題，筆者提出一種新的BDS衛(wèi)星鐘差實(shí)時(shí)處理算法，該算法首先將所有歷元數(shù)據(jù)歸化到同一歷元時(shí)刻，采用基于殘差的均方根濾波建立衛(wèi)星鐘差實(shí)時(shí)解算和實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)的雙線性模型。針對(duì)BDS衛(wèi)星鐘差的不穩(wěn)定，Hu等人探索了BDS衛(wèi)星鐘長(zhǎng)期和短期變化的規(guī)律，建立了面向BDS的實(shí)時(shí)鐘差預(yù)報(bào)模型[12]。除了數(shù)據(jù)預(yù)處理和衛(wèi)星軌道與鐘差解算，電離層產(chǎn)品是制約PPP精度和效率提升的又一大因素。在大范圍礦區(qū)的應(yīng)用中，有研究人員提出基于長(zhǎng)距離RTK網(wǎng)絡(luò)多測(cè)站聯(lián)合提取衛(wèi)星的初始相位偏差和電離層延遲信息，利用電離層三維層析技術(shù)建立精確的區(qū)域電離層模型。在上述研究基礎(chǔ)之上，將實(shí)時(shí)衛(wèi)星軌道、鐘差以及電離層參數(shù)信息發(fā)播給礦區(qū)用戶，建立實(shí)時(shí)BDS非差非組合定位與導(dǎo)航模型和系統(tǒng)，為礦區(qū)安全生產(chǎn)服務(wù)。

3 礦區(qū)精密定位趨勢(shì)

在碳中和的愿景之下，我國(guó)作為排放量全球最大的發(fā)展中國(guó)家，承諾在2030年前達(dá)到排放峰值，并在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[13]。作為為礦區(qū)生產(chǎn)保駕護(hù)航的精密定位技術(shù)也應(yīng)為早日實(shí)現(xiàn)這一愿景提供技術(shù)支持。為了應(yīng)對(duì)我國(guó)碳中和的莊嚴(yán)承諾，智慧礦山應(yīng)運(yùn)而生，它指的是在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等新興技術(shù)的助力下，實(shí)現(xiàn)煤炭開采、巷道掘進(jìn)及形變監(jiān)測(cè)等礦區(qū)主要工作高效智能的運(yùn)行。站在測(cè)繪工程專業(yè)的角度，測(cè)量工作為礦區(qū)生產(chǎn)開展提供主要的時(shí)間、位置基準(zhǔn)，礦區(qū)的測(cè)繪工作也向著數(shù)字化、智能化、和自動(dòng)化趨勢(shì)發(fā)展。綜上所述，精密定位在數(shù)據(jù)預(yù)處理、軌道鐘差以及電離層等方面的研究相對(duì)比較深入。在智慧礦山建設(shè)領(lǐng)域，精密定位正在朝著向多源融合、多技術(shù)交叉的方向發(fā)展。針對(duì)煤礦區(qū)域定位過(guò)程中環(huán)境復(fù)雜、GNSS受遮擋干擾嚴(yán)重以及場(chǎng)景切換頻繁的難題，基于煤礦區(qū)多源觀測(cè)信息，眾多學(xué)者研究了多源觀測(cè)信息融合的高精度定位理論與方法。李增科博士提出多源傳感器增強(qiáng)GNSS定位技術(shù)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜建筑區(qū)域的cm級(jí)定位以及井下區(qū)域m級(jí)定位，顯著拓寬了高精度定位的覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)了煤礦全區(qū)域無(wú)縫定位[14]。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研制的井下定位系統(tǒng)可進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度行人復(fù)雜活動(dòng)識(shí)別，有效識(shí)別13種復(fù)雜活動(dòng)，識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到99.5%以上，融合捷聯(lián)解算和航位推算信息的自適應(yīng)濾波算法，各項(xiàng)定位誤差優(yōu)于0.5 m。為了解決組合導(dǎo)航對(duì)信號(hào)的依賴性性強(qiáng)、在動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下定位收斂性與可靠性效果不好的缺點(diǎn)，圍繞精密單點(diǎn)定位和慣性測(cè)量組合導(dǎo)航成為研究熱點(diǎn)?；趹T性測(cè)量誤差頻譜特性，Li等人提出了基于Vondrak濾波的自對(duì)準(zhǔn)算法，將Vondrak濾波和遺傳算法結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高頻噪聲的自動(dòng)消除，提高對(duì)準(zhǔn)精度[15]。此外，Li等人利用里程計(jì)和UWB多源傳感器對(duì)精密單點(diǎn)定位和慣性測(cè)量組合導(dǎo)航進(jìn)行了增強(qiáng)，有效解決了半遮蔽、遮蔽區(qū)域衛(wèi)星信息不足導(dǎo)致的解算精度降低的問(wèn)題[16]。在山西地區(qū)，基于BDS PNT服務(wù)及其獨(dú)有的短報(bào)文功能，輔以遙感和地理信息系統(tǒng)，眾多煤礦企業(yè)研發(fā)了一個(gè)集數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)、分析及報(bào)警功能一體的礦山生產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[17]。該系統(tǒng)具有管理礦區(qū)建構(gòu)筑物地理信息，監(jiān)測(cè)工作區(qū)形變，定位進(jìn)行人員、車輛活動(dòng)，模擬礦區(qū)實(shí)際環(huán)境，指揮調(diào)度礦井生產(chǎn)等功能。智能化系統(tǒng)使得智慧礦山信息資源整合和數(shù)據(jù)分析處理工作更加高效與科學(xué)，使礦山開采更數(shù)字化、智能化與環(huán)?；?，為礦區(qū)及社會(huì)可持續(xù)發(fā)展注入新的動(dòng)力，助推我國(guó)早日實(shí)現(xiàn)碳中和愿景。

4 結(jié) 語(yǔ)

BDS作為四大全球定位系統(tǒng)之一，起步較晚，因此無(wú)論是從宏觀角度還是從微觀角度，研究BDS PPP在大范圍礦區(qū)場(chǎng)景下的應(yīng)用都具有非比尋常的意義。PPP自1997年被提出以來(lái)，相關(guān)研究層出不窮。數(shù)據(jù)預(yù)處理、衛(wèi)星軌道鐘差解算、模糊度固定、大氣模型約束等研究熱點(diǎn)構(gòu)成了PPP的整套理論方法。本文從這幾個(gè)研究點(diǎn)出發(fā)，系統(tǒng)全面地闡述了BDS PPP的研究進(jìn)展及其在大范圍礦區(qū)中位置服務(wù)中的應(yīng)用前景。總體而言，在BDS全球組網(wǎng)工作的帶動(dòng)下，BDS正在逐步成為我國(guó)礦區(qū)位置服務(wù)的主力軍，PPP技術(shù)升級(jí)應(yīng)用也呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)。

需要特別說(shuō)明的是有關(guān)BDS PPP的研究成為當(dāng)下的熱點(diǎn)，相關(guān)研究成果不勝枚舉，本文在總結(jié)的過(guò)程中，難免會(huì)有疏漏，請(qǐng)有關(guān)作者見諒。BDS PPP算法發(fā)展比較成熟，重點(diǎn)在于將其投入到實(shí)踐生產(chǎn)中去，配套的系統(tǒng)和硬件設(shè)施還需要進(jìn)一步優(yōu)化，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)服務(wù)，造福人民。