基于北斗的三星單基站CORS定位效果研究

劉艷春

（1.福建省測(cè)繪院，福建 福州 350003）

基于北斗的三星單基站CORS定位效果研究

劉艷春1

（1.福建省測(cè)繪院，福建 福州 350003）

介紹了影響CORS定位效果的因素，借鑒已有的檢測(cè)CORS定位效果的方法，從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)整理與數(shù)據(jù)分析等方面對(duì)北斗的三星和雙星單基站CORS進(jìn)行了比對(duì)。實(shí)驗(yàn)表明，三星單基站CORS在定位精度、固定時(shí)間、固定率以及穩(wěn)定性等方面均優(yōu)于雙星單基站系統(tǒng)。

單基站CORS；BDS/GPS/GLONASS；網(wǎng)絡(luò)RTK；定位效果

影響CORS定位效果的主要因素有：系統(tǒng)基準(zhǔn)精度、同步觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)、電離層狀態(tài)、設(shè)備條件的好壞[1,2]。對(duì)于影響CORS定位效果的部分誤差，可以利用差分技術(shù)進(jìn)行消除或削弱。

CORS動(dòng)態(tài)定位精度測(cè)試有靜態(tài)已知點(diǎn)檢測(cè)法、反算基線長(zhǎng)度檢測(cè)法、動(dòng)態(tài)規(guī)則幾何軌跡檢測(cè)法等[3]。

1 靜態(tài)已知點(diǎn)檢測(cè)法

靜態(tài)檢測(cè)方法是在CORS所能覆蓋區(qū)域內(nèi)選擇有代表性的、環(huán)境因素有一定差異、有精確坐標(biāo)的檢測(cè)點(diǎn)，將動(dòng)態(tài)RTK接收機(jī)架設(shè)在已知檢測(cè)點(diǎn)上，分別采用雙星系統(tǒng)（GPS+GLONASS）和三星系統(tǒng)（BDS+GPS+GLONASS） 的實(shí)時(shí)定位功能進(jìn)行測(cè)量并作記錄，然后對(duì)實(shí)時(shí)定位結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[4]。

內(nèi)符合精度是單次觀測(cè)值均方根誤差，可以反映定位結(jié)果的收斂情況。本文在CGCS2000高斯平面坐標(biāo)系下，計(jì)算每一測(cè)點(diǎn)所有測(cè)量值的平均值，再將每一測(cè)量值與平均值相減。統(tǒng)計(jì)所有差值的分布情況，并對(duì)差值在不同區(qū)間的概率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時(shí)根據(jù)式（1）分別計(jì)算各個(gè)點(diǎn)X、Y方向的內(nèi)符合精度[5,6]：

外符合精度計(jì)算公式為[5,6]：

式中，n為該點(diǎn)的測(cè)量值總數(shù)，即剔除粗差觀測(cè)值后全部RTK測(cè)量值的總數(shù)；v為該點(diǎn)所有的觀測(cè)值與其平均值之差；σ為系統(tǒng)的內(nèi)符合精度。

本文基于長(zhǎng)基線的條件，分別在空曠環(huán)境和非完全隱蔽環(huán)境下，就靜態(tài)已知點(diǎn)檢測(cè)法進(jìn)行三星系統(tǒng)和雙星系統(tǒng)的測(cè)試，見表1和表2。

表1 三星系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 雙星系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表1、表2可以得出以下結(jié)論：

1） 空曠環(huán)境。三星系統(tǒng)的精度比雙星系統(tǒng)約高2倍；三星系統(tǒng)的平均固定時(shí)間比雙星系統(tǒng)快約20 s；三星系統(tǒng)的固定率接近100%，比雙星系統(tǒng)高出約20%。

2）非完全隱蔽環(huán)境。三星系統(tǒng)的精度與雙星系統(tǒng)相差不大；三星系統(tǒng)的平均固定時(shí)間比雙星系統(tǒng)快約40 s；三星系統(tǒng)的固定率比雙星系統(tǒng)高出約45%。

2 反算基線長(zhǎng)度檢測(cè)法

反算基線長(zhǎng)度檢測(cè)法是在CORS覆蓋范圍內(nèi)選擇距離很近且通視的3個(gè)點(diǎn)（A、B、C），先使用GPS的靜態(tài)測(cè)量模式，對(duì)靜態(tài)測(cè)量的數(shù)據(jù)使用第三方軟件解算出3個(gè)點(diǎn)兩兩之間的基線長(zhǎng)作為基準(zhǔn)。然后在不移動(dòng)儀器的條件下，改用三星、雙星系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量，根據(jù)坐標(biāo)求出各兩點(diǎn)之間的基線長(zhǎng)度，將最終得到的數(shù)據(jù)與靜態(tài)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，見表3。

從表3可知，2個(gè)系統(tǒng)的觀測(cè)值與靜態(tài)觀測(cè)值相比，差值均在cm級(jí)，說明2個(gè)系統(tǒng)的定位效果都比較好。但三星系統(tǒng)比雙星系統(tǒng)的定位效果略好，更穩(wěn)定。

表3 反算基線長(zhǎng)度比較

3 動(dòng)態(tài)規(guī)則幾何軌跡檢測(cè)法[6,7]

動(dòng)態(tài)規(guī)則幾何軌跡檢測(cè)法的基本思想是將用戶接收機(jī)沿著固定的規(guī)則軌跡以一定的速度運(yùn)動(dòng)，比較獲得的實(shí)測(cè)軌跡與真實(shí)軌跡之間的偏離值，衡量用戶定位精度。

如圖1，選擇一個(gè)規(guī)則的矩形軌跡，將不同系統(tǒng)下的2臺(tái)RTK接收機(jī)調(diào)節(jié)到自動(dòng)測(cè)量模式，從矩形軌跡任意一點(diǎn)開始測(cè)量，按順時(shí)針（也可以是逆時(shí)針）運(yùn)動(dòng)。當(dāng)?shù)竭_(dá)角點(diǎn)A、B、C、D時(shí)，作短暫停留并記錄停留的時(shí)間段。這樣不但能檢測(cè)用戶接收機(jī)在角點(diǎn)的定位精度，還能檢測(cè)出用戶接收機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡的偏差。這兩方面的精度共同反映接收機(jī)的動(dòng)態(tài)定位精度。

圖1 規(guī)則幾何軌跡

由于GPS動(dòng)態(tài)定位存在誤差，測(cè)出的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的位置可能會(huì)偏離直線，定位的點(diǎn)到直線的距離越大，精度越差。

設(shè)A、B兩點(diǎn)的平面坐標(biāo)分別為A（xA，yA），B（xB，yB），則通過A、B兩點(diǎn)的直線方程為：

同理，分別求出通過B、C，C、D，D、A的直線方程。其中，E點(diǎn)為動(dòng)態(tài)定位點(diǎn)，其平面坐標(biāo)為E（xE，yE），E點(diǎn)到直線AB的距離就是E點(diǎn)的平面誤差：

動(dòng)態(tài)規(guī)則幾何軌跡實(shí)際采取了20個(gè)散點(diǎn)來檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由圖2可以看出，三星系統(tǒng)的波動(dòng)性小于雙星系統(tǒng)，表4也說明了這一點(diǎn)，三星系統(tǒng)的中方差值為1.712 830 9，雙星系統(tǒng)為1.933 614 7。通過以上實(shí)驗(yàn)可知，三星系統(tǒng)的定位精度較高、定位穩(wěn)定性更好。

圖2 動(dòng)態(tài)定位點(diǎn)到已知直線距離偏差波動(dòng)圖

表4 動(dòng)態(tài)定位點(diǎn)到已知直線的距離偏差值及方差

[1] 余小龍,胡學(xué)奎.GPS RTK技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展前景[J].測(cè)繪通報(bào),2007 (10):39-44

[2] 徐紹銓,張華海,楊志強(qiáng),等.GPS測(cè)量原理及應(yīng)用[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2003

[3] 趙永強(qiáng),杜明成,孫國(guó)強(qiáng).關(guān)于CORS系統(tǒng)的布設(shè)及精度探討[J].測(cè)繪與空間地理信息,2011(4):1-3

[4] 史坷,夏天.昆明市衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)與測(cè)試[J].城市勘測(cè)，2009(6):49-51

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[6] 彭克浩,莊峻,國(guó)游文,等.單雙衛(wèi)星系統(tǒng)差分定位效果比較方案設(shè)計(jì)與分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2013(12):44-48

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1672-4623（2015）03-0039-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.03.014

劉艷春，碩士，工程師，主要從事CORS系統(tǒng)的建設(shè)與維護(hù)工作。

2014-05-04。

項(xiàng)目來源：福建省重大科技專題資助項(xiàng)目（2013HZ0002）。