北斗地基增強系統軟件(EarthNet2.0)及其應用

楊 徉，潘樹國，汪登輝，喻國榮，王勝利

(1.東南大學交通學院，江蘇南京210096;2.東南大學儀器與工程學院，江蘇南京210096)

一、引 言

北斗衛星導航系統是我國自主建設、獨立運行并與世界其他衛星導航系統相兼容的全球衛星導航系統，目前系統已經實現亞太地區的覆蓋，為亞太地區提供導航定位及通信服務，并將在2020年形成全球覆蓋能力［1-3］。充分利用已有國家基礎設施開展北斗地基增強系統的建設，可為國家節約大量資金。借助這個時代契機，東南大學3S技術研發中心自主研發了北斗兼容GPS/GLONASS的GNSS定位地基增強系統，包括基站接收機S6535B及網絡 GNSS系統軟件 EarthNet2.0。EarthNet2.0是對EarthNet1.0［4］的升級和改造，軟件借鑒和吸收世界著名的網絡GPS系統軟件GPSNet及Spider等軟件的先進技術和算法，并融入具有自主知識產權的高水平算法與模型，形成的GNSS網絡增強與綜合服務系統。系統包括數據播發中心、數據處理中心、用戶管理中心、基站管理中心和數據存儲中心五大部分［5］。軟件系統已在江蘇北斗地基增強系統一期、天津國土北斗地基增強系統等項目工程中投入使用，效果優異。

二、EarthNet2.0 系統概述

北斗兼容GPS/GLONASS的GNSS定位地基增強系統軟件EarthNet2.0，為東南大學3S技術研發中心在EarthNet1.0基礎上，針對網絡差分技術及PPP增強技術，自主研發設計的一套擁有自主知識產權的全面支持Ntrip協議及RTCM標準差分協議，可分別為網絡RTK(real time kinematic)用戶提供實時厘米級定位服務的多星座地面增強綜合服務系統軟件。軟件主要界面如圖1、圖2所示。

圖1 EarthNet2.0站點星空圖

圖2 EarthNet2.0站點分布拓撲圖

系統共有5個子軟件組成:數據播發中心、數據處理中心、用戶管理中心、基站管理中心和數據存儲中心。本系統輸入數據主要有兩類:GNSS數據、用戶上傳信息。GNSS數據包括基站觀測電文、導航電文、實時數據流;用戶上傳信息主要包括用戶名、密碼、概略位置信息等。GNSS數據由數據處理中心接收并解析，綜合經數據播發中心連入的授權用戶上傳的概略位置信息，利用VRS技術、完備性監測技術、區域PPP增強技術多線程處理，生成改正定位信息、完備性監測信息，采用國際RTCM(radio technical commission for maritime services)差分數據編碼格式統一編碼后由數據播發中心播發［7］。用戶管理中心、基站管理中心和數據存儲中心功能相對獨立，主要負責用戶、基站及事后數據的管理。

三、EarthNet2.0 系統算法概述

系統軟件功能為獲取基準站衛星觀測信息、導航信息及移動終端用戶的坐標信息，通過一定的算法進行解算，最終提供移動終端用戶精確的RTK/RTD/PPP相關輔助定位信息。該軟件的算法主要有:

1.網絡RTK用戶定位服務

EarthNet 2.0利用Ntrip協議，支持用戶采用網絡RTK、網絡 RTD、RTK、RTD等接入方式，以及RTCM2.3、RTCM3.1 等差分數據協議類型，兼容不同流動站設備，并為不同流動站提供平面3 cm、高程5 cm的實時定位精度及1 cm的事后解算精度，同時也提供分米級、亞米及1～3 m多種精度差分服務。EarthNet2.0的厘米級網絡RTK是基于VRS的網絡差分系統，差分改正主要分為兩步:首先計算出虛擬參考站的偽距、載波相位觀測值;然后依據RTCM協議生成標準格式的載波相位差分改正數據，并通過系統數據通信鏈路發給移動站實現高精度定位［6］。

網絡RTK的VRS網絡差分基準站采用多頻多模GNSS接收機，至少由3個組成。因為基準站的精確坐標已知［7］，故站星距可以精確求得，虛擬載波相位觀測值最關鍵的內容是精確估計GNSS信號與虛擬參考站之間的大氣延遲值，通過結合參考站數據的大氣延遲和位置信息建立區域誤差模型，然后進行內插得到虛擬參考站的相位觀測值［8］

根據式(1)就能求出虛擬參考站的載波相位觀測值，其中，電離層采用VETC多項式模型估計，對流層采用天頂對流層延遲模型估計。數據處理中心將虛擬參考站的載波相位觀測值單差處理后，將其和虛擬站的坐標進行RTCM編碼，通過網絡發送至流動站。因為虛擬參考站與流動站之間距離很短，所以利用虛擬觀測值與流動站觀測值進行常規RTK方法定位時，可以達到厘米級定位結果。

2.兼容北斗的多星座基站數據融合方法

兼容北斗的GNSS多星座衛星導航定位中，根據測距原理與方法的不同，根據所需的精度，采用不同的定位方式。EarthNet2.0中采用的是載波雙差法，其雙差觀測方程為

式中，η=40.28 TEC，TEC 為信號傳播路徑上的總電子含量;f表示頻率;為雙差對流層延遲;H為接收機儀器高;h為接收機天線相位改正;E為衛星高度角;為雙差衛星軌道誤差;為雙差偽距硬件延遲;為雙差衛星多路徑效應影響;為其他與頻率無關的誤差雙差值，包括地球自轉、相對論效應、潮汐改正等;為觀測噪聲雙差;λ 為各衛星的載波波長值;i為參考星;j為觀測衛星;為參考星的站間單差模糊度;為需要求解的站間星間雙差模糊度項。

將觀測方程線性化后，各個系統分別選取參考衛星后，并線性化，得到誤差方程［9］

式中，kGRC為不同星座的參考衛星;ZTD為站點天頂對流層延遲;ΔMF為站點的單差ZTD投影函數，常用的有 Neill模型［10］和 GMF 模型［11］;

誤差方程寫成矩陣形式為

引入天頂對流層參數進行估計，當考慮天頂對流層模型時，方程無法用單歷元解算。因此需要多歷元解算，解算方法可以使用序貫最小二乘或使用Kalman 濾波模型［12］。

EarthNet2.0中，采用多星座融合實現定位，有效地增多了衛星數，改善了點位幾何精度因子，在長時間觀測中一直處于1～2之間，解決了部分時段GPS、GLONASS衛星少及北斗分布不均勻等缺點。針對不同系統選擇適當的權值，彌補了北斗和GLONASS偽距精度的不足，提高了定位精度。

3.CORS完備性監測

EarthNet V2.0具有一套完整的CORS系統完備性監測參數體系，從數據播發中心、數據處理中心、用戶管理中心、基站管理中心和數據存儲中心5個方面出發，根據各方面監測內容，結合CORS系統自身特點，對CORS系統完備性參數進行監測及發布。提出一套完備性監測指標體系、監測技術、參數播發機制。構建一套完整的CORS系統完備性監測參數體系及各項參數量化指標，實現了電離層的絕對變化、相對變化監測。提出了基線解算中一種基于觀測常量的粗差探測方法。實現了基于抗差估計的RAIM算法［13-14］。構建大規模GNSS定位地面增強系統可靠性參數量化指標體系;突破參考站坐標框架監測技術，參考站坐標平面精度≤2 cm，高程精度≤3 cm;攻克了實時反映電離層變化情況的電離層模型，精度≤1 TEC。

EarthNet2.0 中，采用 I95 指數［15］監測電離層活動情況，I95指數反映了電離層活動的強度(式6)。I95值根據每小時所有網絡參考站跟蹤的所有衛星的電離層改正數來計算，而最差的5%的數據會被拒絕，最高的值將會保存下來。

根據EartnNet2.0網絡RTK中I95指數監測結果看出，在白天范圍內，電離層擾動變化較小，I95最大值出現在14∶00，如圖3所示。

圖3 電離層活動I95指數

四、系統應用及精度評估

EarthNet2.0在江蘇北斗地基增強一期項目工程中運行良好，與Spider系統并行運行。結果表明，系統運行穩定、兼容性強、定位精度高。精度測試分為內符合精度及外符合精度，共測試17個國家高等級控制點，5個靜態測試點，測試點位圖如圖4所示。

圖4 測試點位分布圖

精度評定公式為

式中，N為測量值總數，即剔除粗差觀測后全部RTK實時動態測量值總數;對于內符合精度Δ為測點測試值與相應測試平均值的差值，對于外符合精度Δ為測點測試值與相應真值(已知的、觀測精度相對較高的差值)的差值。在每一個測試點上，都給出不同接入模式下的以中誤差為指標的精度評定結果。對所有點位結果進行統計，平均各點位初始化時間、固定成功率、內符合外符合精度見表1。圖5和圖6為測試點YKLD在WGS-84平面坐標系下單北斗系統平面xy及高程h方向上的誤差分布圖。

表1 各測試點的統計平均結果

圖5 測試點單北斗RTK內符合精度的誤差分布圖

圖6 測試點單北斗RTK外符合精度的誤差分布圖

五、結束語

EarthNet2.0是東南大學3S技術研發中心自主研發的具有自主知識產權的網絡GNSS系統軟件，界面友好，商品化程度高，能兼容國內外主流終端設備及基站設施。在江蘇地基增強系統項目工程中，與Spider軟件并行運行，結果證明其性能水平相當，并且在天津、長沙、重慶等地已投入實際運行，穩定性好。在江蘇北斗地基增強項目中，軟件主要性能指標達到了以下幾方面的要求:

1)流動站設備網絡GPS+BDS初始化平均時間為23 s，GPS初始時間35 s，BDS初始化時間52 s，其中固定成功率分別為100%、90%及81.8%。

2)在南京市北斗地基增強系統一期工程的有效覆蓋范圍內實時定位初始化時間優于30 s;內符合精度平面方向優于1 cm，高程方向優于2 cm;外符合精度平面方向精度為2 cm，高程方向精度為4 cm。

3)網絡RTK有效范圍為6個基準站網絡覆蓋區域和網外15 km之內的區域。

4)在觀測環境良好的區域，網絡RTK的時間可用性可以達到95%以上;在觀測環境較惡劣區域，使用多星座GNSS依然可以使用高精度快速RTK定位。

致謝:感謝項目合作方江蘇省北斗衛星應用產業研究院有限公司及江蘇省測繪工程院為項目提供的支持和幫助。

［1］寧津生，姚宜斌，張小紅.全球導航衛星系統發展綜述［J］.導航定位學報，2013，1(1):3-8.

［2］楊元喜.北斗衛星導航系統的發展及其應用［C］∥中國科學院第十六次院士大會第三屆學部學術年會論文集.北京:中國科學院，2012.

［3］施闖，趙齊樂，李敏，等.北斗衛星導航系統的精密定軌與定位研究［J］.中國科學:地球科學，2012，42(6):854-861.

［4］柯福陽，王慶，潘樹國，等.GNSS網絡RTK算法模型及測試分析［J］.東南大學學報:自然科學版，2009，39(4):763-768.

［5］江蘇省北斗衛星應用產業研究院有限公司，江蘇省測繪工程院，東南大學.江蘇北斗地基增強系統一期工程技術總結報告［R］.南京:［s.n.］，2013.

［6］潘樹國，王慶，毛薇.基于VRS的GPS網絡RTK差分改正方法［J］.中國慣性技術學報，2008，16(3):326-329.

［7］葛茂榮，劉經南.GPS定位中對流層折射估計研究［J］.測繪學報，1996，25(4):285-291.

［8］黃丁發，熊永良，袁林果.全球定位系統(GPS)—理論與實踐［M］.西安:西安交通大學出版社，2006:201-205.

［9］沈雪峰，高成發，潘樹國.一種序貫平差中長基線模糊度的解算方法［J］.測繪科學，2012，37(2):158-160.

［10］NIELL A E.Global Mapping Functions for the Atmosphere Delay at Radio Wavelengths［J］.Journal of Geophysical Research，1996，101(B2):3227-3246.

［11］BOEHM J，NIELL A，TREGONING P，et al.Global Mapping Function(GMF):A New Empirical Mapping Function Based on Numerical Weather Model Data［J］.Geophysical Research Letters，2006，33(7):L07304.

［12］楊元喜.自適應動態導航定位［M］:北京，測繪出版社，2006:186-187.

［13］閆志躍，喻國榮，潘樹國，等.穩健估計方法用于接收機自主完備性監測的比較［C］∥第四屆中國衛星導航學術年會論文集.北京:中國衛星導航系統管理辦公室，2013.

［14］秘金鐘，李毓麟.RAIM算法研究［J］.測繪通報，2001(3):7-9.

［15］WANNINGER L.Ionospheric Disturbance Indices for RTK and Network RTK Positioning［C］∥Proceedings of ION GPS 2004.Long Beach，USA:ION，2004:2849-2854.