基于北斗CORS 的網(wǎng)絡(luò)RTK 實(shí)時(shí)定位研究

范志平

（福建省測(cè)繪院，福建 福州 350001）

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Beidou Navigation Satellite System，BDS）是我國(guó)著眼于國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(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)航和授時(shí)服務(wù)的重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。隨著各地CORS系統(tǒng)北斗化改造完成，兼容北斗系統(tǒng)的CORS 網(wǎng)絡(luò)RTK 實(shí)時(shí)定位服務(wù)已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。學(xué)者對(duì)北斗CORS 的應(yīng)用做了大量研究，葉方宇從固定基線檢測(cè)精度和實(shí)時(shí)定位精度兩方面分析，結(jié)果顯示經(jīng)過北斗增強(qiáng)的福建CORS 系統(tǒng)滿足高精度實(shí)時(shí)定位的要求［1］；張乙志等對(duì)浙江省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)在不同的模式下進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)RTK 測(cè)試，結(jié)果表明：浙江省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)試驗(yàn)網(wǎng)基本能達(dá)到厘米級(jí)精度［2］；王濤等對(duì)蘇州北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)在不同模式進(jìn)行檢測(cè)和對(duì)比分析得知，兼容北斗的“三星”模式可以提高CORS 系統(tǒng)的精度、時(shí)效性、空間可用性等［3］；韓紅超實(shí)測(cè)分析了兼容北斗的寧波市CORS 系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，結(jié)果顯示：三星系統(tǒng)可以大幅度提高初始化速度和服務(wù)可用性，在精度方面與傳統(tǒng)雙星系統(tǒng)相當(dāng)［4］。

本文主要研究在僅北斗系統(tǒng)可用的情況下，北斗CORS 在實(shí)際應(yīng)用中的可用性、實(shí)時(shí)定位精度是否滿足實(shí)時(shí)定位的要求。通過實(shí)地采集實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)，分析單北斗模式下的系統(tǒng)可用性、初始化時(shí)間、定位精度等指標(biāo)，并與雙星、三星模式進(jìn)行對(duì)比。

1 構(gòu)建測(cè)試網(wǎng)

福建省衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)服務(wù)系統(tǒng)（FJCORS）于2017 年完成升級(jí)改造，可以接收和處理北斗（北斗一號(hào)、北斗二號(hào)）數(shù)據(jù)。針對(duì)不同用戶，提供實(shí)時(shí)分米級(jí)、厘米級(jí)、后處理毫米級(jí)等多個(gè)層級(jí)的高精度位置服務(wù)，可為測(cè)繪、國(guó)土規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)、變形監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域提供高精度的位置服務(wù)，如控制測(cè)量、海堤海岸線測(cè)量、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)等。

本文從FJCORS 基準(zhǔn)站網(wǎng)中選取10 個(gè)基準(zhǔn)站組成測(cè)試網(wǎng)，同時(shí)提供單北斗模式（BDS）、雙星模式（GPS/GLONASS）、三星模式（GPS/GLONASS/BDS）等3 種模式的信號(hào)源節(jié)點(diǎn)，使用RTCM 格式播發(fā)差分?jǐn)?shù)據(jù)。所選基準(zhǔn)站周圍觀測(cè)環(huán)境良好、數(shù)據(jù)完整、質(zhì)量穩(wěn)定，滿足規(guī)范要求。測(cè)試網(wǎng)相鄰基準(zhǔn)站間平均距離54.1 km，最大站間距85.8 km，最小站間距29.4 km，站點(diǎn)分布如圖1 所示。

圖1 測(cè)試網(wǎng)基準(zhǔn)站分布圖

2 數(shù)據(jù)采集

本次實(shí)測(cè)的22 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)均勻分布，其中12 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)位于測(cè)試網(wǎng)內(nèi)，10 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)位于測(cè)試網(wǎng)邊界和網(wǎng)外20 km 內(nèi)。其中6 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)周圍觀測(cè)環(huán)境較為惡劣，建筑物或者樹木遮擋嚴(yán)重，其余觀測(cè)點(diǎn)周圍觀測(cè)環(huán)境良好，視野開闊或者只有少量遮擋物。

使用的設(shè)備是華測(cè)中繪I90，支持三星GNSS 接收機(jī)在每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)上進(jìn)行多次觀測(cè)，每種模式下觀測(cè)3 組數(shù)據(jù)，每組觀測(cè)3 個(gè)測(cè)回，每測(cè)回采集50 個(gè)歷元數(shù)據(jù)，采樣間隔1 s。每組觀測(cè)需斷開網(wǎng)絡(luò)并間隔180 s 再重新連接，記錄連接時(shí)間、初始化時(shí)間、觀測(cè)環(huán)境等。若初始化時(shí)間超過300 s，則認(rèn)為該觀測(cè)點(diǎn)不能固定。

3 實(shí)時(shí)定位分析

3.1 可用性

可用性是衡量CORS 系統(tǒng)性能的重要內(nèi)容之一，影響RTK 固定速度和定位精度，根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)能否獲得固定解來評(píng)價(jià)可用性。對(duì)各觀測(cè)點(diǎn)所處測(cè)試網(wǎng)位置、觀測(cè)環(huán)境、是否固定等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果如表1 所示。

表1 RTK 在不同環(huán)境下的可用性結(jié)果

由表1 可知：從觀測(cè)環(huán)境看，在觀測(cè)環(huán)境良好的情況下，15 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)能夠獲取固定解，固定比例達(dá)到90% 以上；在障礙物遮擋較嚴(yán)重的環(huán)境下，只有33.3% 的觀測(cè)點(diǎn)能夠獲得固定解。從觀測(cè)點(diǎn)所處網(wǎng)位置來看，無法獲取固定解的觀測(cè)點(diǎn)離基準(zhǔn)站較遠(yuǎn)或者處于網(wǎng)外。結(jié)果表明：?jiǎn)伪倍纺Ｊ较拢C合固定比例（固定觀測(cè)點(diǎn)數(shù)與總觀測(cè)點(diǎn)數(shù)之比）為77.3%。

3.2 初始化時(shí)間

作為CORS 系統(tǒng)中的一個(gè)重要質(zhì)量指標(biāo)，初始化時(shí)間的長(zhǎng)短直接關(guān)系著外業(yè)測(cè)量定位的效率。初始化時(shí)間可以分為冷初始化時(shí)間和熱初始化時(shí)間，冷初始化時(shí)間是從GPRS 連接至CORS 數(shù)據(jù)中心算起，直到整周模糊度解算完成得到固定解，熱初始化時(shí)間僅包括整周模糊度的解算時(shí)間［5］。所有獲得固定解的觀測(cè)點(diǎn)的平均初始化時(shí)間如表2 所示。

表2 初始化時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果 單位：s

由表2 可知：?jiǎn)伪倍纺Ｊ较?，冷初始化時(shí)間82.4%集中在3～80 s，平均初始化時(shí)間為47.1 s。網(wǎng)絡(luò)RTK 冷初始化時(shí)間最短僅3 s，主要原因是BDS01點(diǎn)位周圍開闊無遮擋且離基準(zhǔn)站較近，可用衛(wèi)星數(shù)較多、差分信號(hào)精度高；最長(zhǎng)初始化時(shí)間為195 s，主要原因是BDS13 觀測(cè)環(huán)境較差導(dǎo)致可用衛(wèi)星數(shù)較少，同時(shí)衛(wèi)星信號(hào)接收受阻，延長(zhǎng)了整周模糊度的求解時(shí)間。熱初始化時(shí)間整體較短，全部集中在10 s 內(nèi)。

3.3 定位精度

通常，網(wǎng)絡(luò)RTK 實(shí)時(shí)定位的精度評(píng)定采用內(nèi)符合精度和外符合精度2 個(gè)指標(biāo)。內(nèi)符合精度計(jì)算的是觀測(cè)值的均方根，能夠反映實(shí)時(shí)定位的穩(wěn)定性；外符合精度統(tǒng)計(jì)觀測(cè)值與真值的差值，能夠反映實(shí)時(shí)定位的準(zhǔn)確性。

根據(jù)誤差理論，內(nèi)符合精度計(jì)算時(shí)，先計(jì)算每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)參與處理的所有觀測(cè)值的平均值，然后將觀測(cè)值與該平均值求差，最后統(tǒng)計(jì)差值分布概率，計(jì)算差值的均方根。計(jì)算各觀測(cè)點(diǎn)的X、Y、Z方向的內(nèi)符合精度如式（1）所示：

式中：δX為內(nèi)符合精度；n為觀測(cè)值總數(shù)；Xi為第i個(gè)觀測(cè)值為所有觀測(cè)值的平均值。

外符合精度通過各觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)值與該點(diǎn)真值求差，然后計(jì)算差值的均方根，各觀測(cè)點(diǎn)的X、Y、Z向的外符合精度如式（2）所示：

式中：φX為外符合精度；n為觀測(cè)值總數(shù)；Xi為第i個(gè)觀測(cè)值；x為觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)真值。

FJCORS 可以直接獲得CGCS2000 坐標(biāo)，因此外符合精度統(tǒng)計(jì)的是CGCS2000 系統(tǒng)下的精度，各獲得固定解的觀測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)定位精度統(tǒng)計(jì)如表3 所示。

表3 實(shí)時(shí)定位精度統(tǒng)計(jì)表 單位：s

由表3 可知：內(nèi)符合精度在平面方向上達(dá)到了1.8 cm，高程方向88%以上優(yōu)于2.2 cm；外符合精度在平面方向上達(dá)到了3.4 cm，高程方向82%以上優(yōu)于3.7 cm，均滿足網(wǎng)絡(luò)RTK 實(shí)時(shí)定位作業(yè)要求（內(nèi)符合平面≤3.0 cm、高程≤5.0 cm，外符合平面≤5.0 cm、高程≤10 cm）。

3.4 多模式對(duì)比

經(jīng)過對(duì)3 種模式下采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，對(duì)各模式下的可用性、初始化時(shí)間、定位精度等指標(biāo)進(jìn)行比較，其結(jié)果如圖2 所示。

圖2 多模式下各指標(biāo)對(duì)比圖

圖2（a）表明：觀測(cè)環(huán)境良好時(shí)3 種模式固定比例均在90% 以上；惡劣環(huán)境下，三星模式固定比例最高為83.3%，單北斗為33.3%。綜合固定比例單北斗為77.3%，低于雙星和三星。圖2（b）表明：除了BDS01、BDS14 觀測(cè)點(diǎn)外，其余各觀測(cè)點(diǎn)單北斗初始化時(shí)間均大于雙星和三星；雙星和三星初始化時(shí)間相差不大。其可能的原因是觀測(cè)點(diǎn)周圍觀測(cè)環(huán)境良好且離基準(zhǔn)站較近，可用衛(wèi)星數(shù)量足夠解算整周模糊度，而多余的衛(wèi)星參與解算并不能明顯提高整周模糊度解算速度。圖2（c）、圖2（d）表明：內(nèi)外符合精度方面，三星與雙星基本相當(dāng)，略有提升，且均優(yōu)于單北斗。

4 結(jié)語

通過北斗CORS 網(wǎng)絡(luò)RTK 實(shí)時(shí)定位實(shí)測(cè)分析，得出以下結(jié)論：

1）單北斗模式下，實(shí)時(shí)定位綜合固定比例為77.3%，平均初始化時(shí)間為46.7 s。觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)環(huán)境、與基準(zhǔn)站的距離、處于CORS 網(wǎng)位置（網(wǎng)內(nèi)、網(wǎng)外）都明顯影響RTK 實(shí)時(shí)定位的固定比例和初始化時(shí)間。對(duì)于CORS 系統(tǒng)來說，可以通過加密基準(zhǔn)站、共享鄰省基準(zhǔn)站以擴(kuò)大CORS 網(wǎng)的覆蓋范圍來提高可用性和效率。

2）從定位精度來看，內(nèi)符合精度平面方向?yàn)?.8 cm，高程方向88%優(yōu)于2.2 cm；外符合精度平面方向?yàn)?.4 cm，高程方向82% 優(yōu)于3.7 cm，達(dá)到規(guī)范要求，完全可以滿足高精度實(shí)時(shí)定位的要求。

3）通過多種模式的對(duì)比分析，相較于單北斗，三星模式能夠提高系統(tǒng)的可用性、時(shí)效性（初始化時(shí)間）、定位精度。單北斗模式在各方面與雙星、三星模式還有一定差距，相信兼容北斗三號(hào)后，這些差距會(huì)縮小。