BDS地基增強系統單雙模定位性能比較

尹子明，劉天恒，張樹為，周潤楊，閆建巧

(1.91431部隊， 廣東　湛江　524005；2.信息工程大學 導航與空天目標工程學院，河南　鄭州　450001)

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BDS地基增強系統單雙模定位性能比較

尹子明1,2，劉天恒2，張樹為2，周潤楊2，閆建巧2

(1.91431部隊， 廣東湛江524005；2.信息工程大學 導航與空天目標工程學院，河南鄭州450001)

為了進一步研究BDS地基增強系統，針對鄭州BDS地基增強系統的服務時效性、實時靜態定位精度、實時動態定位精度，在單GPS和BDS/GPS 2種模式下對定位測量精度、內符合精度、外符合精度和初始化時間進行了測試分析。測試結果表明，相比較GPS地基增強系統而言，利用BDS/GPS差分數據的流動站初始化時間明顯縮短，定位精度也有一定程度的提高，實時精密定位水平精度達到2 cm，高程精度達到4 cm。

BDS；地基增強系統；網絡RTK；定位精度

0　引言

北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system，BDS)能夠為中國及其周邊地區提供導航、定位、授時以及短報文通信服務。全球導航衛星系統 (global navigation satellite system，GNSS)在個人導航定位、航空航天、測繪等領域得到廣泛應用；但目前衛星導航系統的完好性、可靠性、定位精度難以滿足用戶對導航系統日益增長的需求[1]。空基增強系統實時定位精度僅能達到m級至亞m級。連續運行衛星定位服務綜合系統(continuously operating reference stations，CORS)實時定位精度可以達到cm級，但也存在一些問題：應用在國家高精度定位領域的安全隱患；服務行業有限，僅服務于測繪、城建、地震等專業行業。因此迫切需要建設擁有自主知識產權的BDS地基增強系統[2]。BDS地基增強系統(ground-based augmentation systems，GBAS)是利用地面增強站向用戶發送差分定位數據來提高導航系統的導航定位精度，提高了系統的可靠性，并增強了系統的完好性監測[3]。

文獻[4]對地基增強系統在飛機著陸中的應用做了仿真分析；文獻[5]等測試了單全球定位系統(global positioning system，GPS)模式下的長江干線連續運行參考站系統精度、可用性等；文獻[6]中研究了格洛納斯衛星導航系統(global navigation satellite system，GLONASS)對法國國家CORS網的影響；文獻[7]也對GLONASS加入GPS CORS網是否提高了北美參考系精度進行了分析。

本文基于河南省地基增強實驗系統對單GPS和BDS+GPS 2種模式下的系統性能進行了測試，并比較分析河南省BDS地基增強系統的定位性能。

1　地基增強系統

1.1系統簡介

河南省BDS地基增強系統由參考站網(含移動參考站)、數據處理與控制中心、用戶設備、網絡通信系統組成。參考站網是系統基礎，數據處理與控制中心是核心，用戶設備是關鍵[8-9]。系統目標是建立覆蓋全省的參考站網，系統能夠同時接收BDS、GPS的衛星信號，能夠為用戶提供1～2 m、dm級的導航定位服務，以及cm級至mm級的精密定位服務。鄭州BDS地基增強實驗系統為河南省BDS地基增強系統的一期建設，包括由鄭州站、登封站、鞏義站、鳳泉站、博愛站、開封站組成的參考站網，覆蓋范圍為鄭州全市，系統實時定位精度在水平方向優于5 cm，高程方向優于10 cm。

BDS地基參考站網主要由GNSS連續運行參考站和移動參考站組成，重點負責提供GNSS高精度實時數據流、原始觀測文件等導航應用的基礎性、公共性、關鍵數據信息。其中移動參考站提供臨時參考站的功能，是地基增強系統連續提供服務的一種必要備份手段，具有網點應急加密、空白區域填補、緊急情況下替代固定站的作用。移動參考站可以快速機動地布設于需要的位置，發揮應急機動的效能。

數據處理與控制中心作為系統應用的數據交換、信息共享、產品生成、標準管理的樞紐平臺，是一個基于網絡的導航綜合服務平臺。數據處理與控制中心形成3類主要產品和服務：①提供北斗信息、精密定位差分信息、導航地圖數據等基礎數據產品；②根據建設步驟及合作戰略協議，匯集整理各行業各部門基于位置的信息，進行分類管理，并按照授權與協議，向指定用戶開放共享；③研究和制定基于本系統的BDS衛星導航應用標準和規范，為應用服務規范提供參考，提高信息共享和互聯互通能力。

用戶設備主要指用戶終端接收設備，它是一個非固定的系統，是可以擴展的系統，在數據處理與控制中心中加入相應的服務計算即可擴展出一種新的用戶服務，用戶可根據需求不同，定制不同的應用[10]。

網絡通信系統主要分為3部分：一部分用于連接參考站到服務中心的有線傳輸；一部分用于連接數據處理與控制中心到用戶的無線傳輸；另外部分用于連接分系統內部設備之間的數據通信。數據處理與控制中心通過有線寬帶連接到互聯網，具有一個公網靜態互聯網協議(internet protocol，IP)地址和域名，可以供實時用戶和事后用戶進行訪問、獲取服務和數據。

1.2誤差分析

地基增強系統差分定位技術就是利用參考站的觀測數據(包括衛星原始觀測數據、氣象數據)對參考站網覆蓋范圍內的、與時間空間相關的各項誤差進行估計，然后移動用戶再利用這些誤差估計值與其原始觀測值進行差分定位，從而提高測量精度、縮短測量時間[11]。地基增強系統差分定位獲得固定解可靠性為95%～99%。地基增強系統差分定位對衛星星歷、衛星鐘差、電離層、對流層、固體潮、相對論效應等誤差進行了有效的削弱；但同樣也引入了一些新的誤差，如參考站坐標誤差、數據通訊誤差、數據中心解算軟件誤差、流動站解算軟件誤差等[12]。

2　性能分析

2.1實時定位精度評估方法

實時定位精度測試可以分為定位測量精度評定、內符合精度評定和外符合精度評定。測量精度反映用戶端使用差分數據后進行單次位置解算的精度，可以直接從實時相對定位 (real-time kinematic，RTK)設備的測量結果中獲?。粌确暇瓤梢苑磻龆ㄎ唤Y果的收斂情況；外符合精度直接反映出系統實時定位的精度[13]。

1)內符合精度

(1)

2)外符合精度

(2)

將測點已知成果(2000國家大地坐標系)與各測點的RTK實時動態測量結果進行比較，按式(2)即可求出各測點系統外符合精度。在動態情況下，將事后動態基線解的結果代替觀測點坐標的真值，按式(2)即可求出外符合精度。

2.2動態網絡RTK定位精度

分別于2015-09-28和2015-10-09進行系統實時動態精度測試。在作業車上裝載中海達H32接收機與南方銀河1接收機，采樣率設為5s，利用車載行駛作業獲取固定解，車速為30～70km/h，根據測試結果統計分析導航定位精度。本次測試分為2組：第一組只接收GPS差分信息；第二組接收BDS+GPS差分信息，并對定位解算精度進行統計。在測試中還通過關閉登封站的數據服務對參考站網外的精度進行了測試。圖1為動態網絡RTK測試的行進路線在數據中心用戶服務軟件上的軌跡顯示。

圖1　動態測量軌跡圖

經統計計算，動態測量中平面測量精度平均值，單GPS模式為0.021m，BDS+GPS模式為0.014m；高程測量精度均值，單GPS模式為0.030m，BDS+GPS模式為0.026m。利用GrafNav軟件和原始觀測數據計算移動站位置，再根據式(2)計算動態測量中平面外符合精度，單GPS模式為0.031m，BDS+GPS模式為0.025m；高程外符合精度：單GPS模式為0.033m，BDS+GPS模式為0.036m。在動態測量精度上，BDS+GPS模式比單GPS模式的平面精度略高，而高程精度大致相當。

在10月9日8∶00—13∶00動態網絡RTK測試中，中海達H32的BDS+GPS模式測量精度及位置精度因子(positiondilutionofprecision，PDOP)變化如圖 2和圖 3所示。測試是在市區以及環城高速路上進行的，由于建筑物的遮擋，在1 500～2 500歷元期間出現頻繁失鎖現象。從圖 2和圖 3可以看出，網絡RTK測量時x、y、H方向上的精度與測量時的衛星分布，即PDOP，具有很高的相關性。

圖2　動態測試測量精度變化圖(BDS+GPS)

圖3　動態測試PDOP變化圖(BDS+GPS)

2.3靜態網絡RTK定位精度

2015-10-10 UTC 11∶00—17∶00，在鄭州市GNSS基線場中選取2個點分別安放網絡RTK H32設備和南方銀河1設備，采樣率設為5 s，采用單GPS模式和BDS+GPS模式進行觀測。

經統計計算，靜態測量中平面測量精度平均值：單GPS模式為0.020 m，BDS+GPS模式為0.016 m；高程測量精度均值：單GPS模式為0.025 m，BDS+GPS模式為0.028 m。與動態測量精度相比，靜態測量精度無明顯變化，BDS+GPS模式仍優于單GPS模式。

通過式(1)和式(2)計算，靜態測量中平面內符合測量精度，單GPS模式為0.013 m，BDS+GPS模式為0.008 m；高程內符合精度，單GPS模式為0.017 m，BDS+GPS模式為0.011 m；靜態測量中平面外符合精度，單GPS模式為0.023 m，BDS+GPS模式為0.016 m；高程外符合精度，單GPS模式為0.018 m，BDS+GPS模式為0.028 m。無論是單GPS模式還是BDS+GPS模式，靜態外符合精度明顯優于動態外符合精度。

圖 4和圖 5為中海達H32的GPS+BDS模式靜態測量結果與真值之差以及PDOP的分布情況。

圖4　靜態測量與真值偏差變化(BDS+GPS)

圖5　靜態測量PDOP變化圖(BDS+GPS)

從圖中可以看出：整個測試過程衛星可見性良好，未出現嚴重的失鎖現象；水平方向(x、y方向)相對真值的偏差變化趨勢具有一致性；y方向和H方向存在較為明顯的系統性偏差。

2種型號測試設備測試內外符合精度如表 1所示。從測試結果中可以看出，無論是在靜態測量外符合精度還是在內符合精度上，BDS+GPS模式比單GPS模式的平面精度略高，而高程精度大致相當。

表1　定位精度統計表

2.4時效性

選取河南省鄭州市GNSS基線場中若干個點作為測試點，分別安放網絡RTK H32設備和南方銀河1設備。每個網絡RTK設備分別選取GPS和GPS+BDS模式，每種模式初始化10次，并記錄初始化時間。每個型號的設備都使用2臺進行測試。從表2中可以看出：GPS+BDS模式比GPS模式初始化速度快，固定時間約縮短5 s，說明測區范圍內增加使用BDS差分信息、增加共用衛星數量可使接收機初始化速度明顯加快。

表2　初始化時間　s

3　結束語

鄭州地基增強系統建立了覆蓋鄭州市的兼容BDS與GPS的參考站，能夠為河南省范圍內的用戶提供1～2 m、dm級的導航定位服務以及cm級至mm級的精密定位服務。在定位精度方面，該系統采用多衛星導航系統虛擬參考站(virtual reference station，VRS) 技術實時精密定位水平精度達到2 cm，高程精度達到4 cm，精度指標滿足設計要求。通過測試結果可以看出BDS+GPS的服務模式可以更加有效地利用衛星資源，使衛星星座構成最佳的幾何結構，從而滿足提高導航定位精度的需要。在全省范圍的地基增強系統完成后，還應對系統的服務范圍、系統服務的穩定性等內容進行測試。

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Comparison of positioning performance of BDS ground-based augmentation system in different modes

YIN Ziming1，2，LIU Tianheng2，ZHANG Shuwei2，ZHOU Runyang2，YAN Jianqiao2

(1.Troops 524005，Zhanjiang，Guangdong 524005，China;2.College of Navigation and Aerospace Engineering，Information Engineering University，Zhengzhou，Henan 450001，China)

In order to further study on BDS GBAS，the location performance of BDS GBAS in Zhengzhou city，such as service timeliness，real-time static positioning accuracy and real-time dynamic positioning accuracy，was tested in the paper.The tests included positioning accuracy，inner accord precision，external accord accuracy and initialization time in the single GPS and BDS/GPS modes.Result showed that compared with GPS GBAS，the rover initialization time with differential data of BDS/GPS could be shortened and the positioning accuracy could be improved as the horizontal accuracy of 2 cm，and the altitude accuracy of 4 cm in the real-time high precision positioning.

BDS；GBAS；network RTK；positioning precision

2015-11-30

裝備預研基金項目(9140A24011314JB52001)。

尹子明(1990—)，男，河北定州人，碩士研究生，研究方向為基于地基增強系統的BDS數據質量分析。

10.16547/j.cnki.10-1096.20160314.

P228

A

2095-4999(2016)03-0064-05

引文格式：尹子明，劉天恒，張樹為，等.BDS地基增強系統單雙模定位性能比較[J].導航定位學報，2016，4(3)：64-68.(YIN Ziming，LIU Tianheng，ZHANG Shuwei，et al.Comparison of positioning performance of BDS ground-based augmentation system in dfferent modes[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(3)：64-68.)