加密北斗地基增強系統測試與分析

謝玉兵，王昌瀚，蔣明富

1.第四測繪導航基地，四川 成都，610036；2.重慶市勘測院，重慶，400100

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加密北斗地基增強系統測試與分析

謝玉兵1，王昌瀚2，蔣明富1

1.第四測繪導航基地，四川 成都，610036；2.重慶市勘測院，重慶，400100

加密“北斗地基增強系統”是在國家“北斗地基增強系統”標準下建立的局部“北斗地基增強系統”。本文以西部某市加密“北斗地基增強系統”為例，介紹了系統組成和基本要求，并對系統的定位精度、空間可用性、時間可用性和時效性進行了全面測試。測試結果表明，系統的各項性能指標均達到了規范要求，特別是BDS+GPS組合較之傳統GPS增強系統有較大改善，體現了多系統融合的優勢。

加密北斗地基增強系統；定位精度；空間可用性；時間可用性；時效性

1　引　言

“北斗地基增強系統”是由國家統一規劃建設的以北斗衛星導航系統為主，兼容其他GNSS系統的地基增強系統。地面基準站間距為50-300km，通過地面通信系統播發導航信號修正量和輔助定位信號，向用戶提供厘米級至亞米級精密導航定位和大眾終端輔助增強服務。

國家“北斗地基增強系統”建設的主要任務是完成1個綜合數據處理中心、1個備份數據中心和3個區域數據處理中心的建設，完成交通、測繪行業、地理國情監測和大眾應用服務示范子系統建設，實現廣域、區域和輔助增強一體化集成服務，通過框架網和示范加密參考站的建設為全國范圍內實現實時厘米級定位服務提供統一選點、統一規劃、統一建設、驗收的標準[1]。建設的主要目的是滿足用戶的高精度定位需求，促進北斗衛星導航產業鏈的形成。

加密“北斗地基增強系統”是指在國家“北斗地基增強系統”統一標準下建立的局部“北斗地基增強系統”。其目的是增強城市CORS網衛星信號源，提高城市CORS網的定位精度和定位效率，為北斗衛星導航系統的應用拓展空間。

2014年,西部某市根據國家“北斗地基增強系統”的各項標準和規范建成了全國首個山地加密“北斗衛星地基增強系統”。本文以該系統為例，闡述加密“北斗地基增強系統”的組成和基本要求，并對其主要性能指標進行了測試和分析，以期為其它地區建設加密“北斗地基增強系統”提供參考和數據支撐。

2　加密“北斗地基增強系統”組成和基本要求

2.1系統組成

加密“北斗地基增強系統”一般由北斗連續運行參考站、控制中心、數據通信系統和用戶應用系統四部分組成。

北斗連續運行參考站的選址要求類似于GPS參考站，考慮到該市各區經濟發展及建設需求，選定9個參考站，站間距最大為66km，最小為40km，平均站間距45km。其選址、基建、設備安裝符合相關規范要求。

控制中心是整個系統的核心，負責控制、監控、接收、處理、發布和管理各個參考站的數據。其主要建設內容包括基建施工、網絡接入、服務器與交換機等硬件設備的安裝調試以及控制中心軟件系統的安裝。

數據通信系統主要包括兩部分：一是參考站與控制中心的通訊；二是控制中心與流動站的通訊。數據通信系統采用虛擬專用網絡，具有較高的獨立性，避免了系統受外部侵擾，保證了控制中心與各參考站之間數據傳輸的穩定性、安全性，為北斗地基增強系統的安全、穩定運行提供了保障。

用戶應用系統采用Ntrip協議為GPRS/CDMA/3G無線上網用戶提供實時定位數據服務，同時采用TCP/IP協議，實現了用戶靜態數據下載功能。此外，還開發了流動用戶端實時坐標轉換系統，不但提高了作業效率，也為系統的推廣應用奠定了基礎。

2.2基本要求

加密“北斗地基增強系統”和城市CORS系統的要求基本一致，其主要技術指標如表1所示。

表1加密“北斗地基增強系統”主要技術指標

項 目內 容技 術 指 標覆蓋范圍網絡RTK網內及網外30kmDGNSSGNSS網內及網外100kmPPP不受限制系統精度動態參考基準地心坐標的坐標分量的絕對精度不低于0.05m基線向量的坐標分量的相對精度不低于3×10-7網絡RTKDGNSS區域增強PPP廣域PPP水平≤3cm,垂直≤5cm(平原、丘陵),垂直≤8cm(山區)30-50cm水平≤2-3cm;垂直≤5cm水平精度<10cm事后精密定位水平≤5mm,垂直≤10mm可用性定位95.0%(365天內);95.0%(1天內)完好性報警時間<6s誤報概率<0.3%

3　系統測試與分析

系統建成后，為了評價系統性能和功能是否達到系統設計指標要求，參照文獻[2]-[5]的相關方法對系統的定位精度、空間可用性、時間可用性、時效性等指標進行了全面測試。

3.1動態精度測試

(1)測試點選取

該市作為典型山地城市，區域內高差變化大。針對這一特點，在網內、網外分別選取30個和24個高等級控制點，各點均具有精確WGS-84大地坐標系成果。測試點分布在具有地形代表性的位置，高程從188m到833m。

(2)測試方法

測量時每個測試點上進行5次初始化，每次初始化連續記錄30組數據，統計內符合精度，與已知成果比較并統計外符合精度。

(3)測試結果及統計分析

1)內符合精度統計

系統內符合精度反映系統定位結果的收斂情況，用于分析系統定位精度的穩定性。本項測試使用南方S82C雙星接收機，在網內和網外測試點上采用BDS+GPS組合定位方式，進行網絡RTK測量。

根據《衛星定位城市測量技術規范》(以下簡稱《衛星定位規范》)中計算點位坐標分量內符合中誤差和點位平面內符合中誤差公式，計算網內、網外內符合精度，統計結果如表2所示(其中，MX、MY為坐標分量中誤差；MS為點位中誤差；MH為高程中誤差)。

表2網內、網外測試點內符合精度統計(單位：cm)

測試項目MXMYMSMH網內0.740.721.031.62網外0.961.101.561.73整網0.840.901.281.63

由表2可看出，系統網內、網外的內符合精度均滿足《衛星定位規范》中4.1.8條——城市CORS系統測試坐標分量內符合中誤差不應超過2cm的要求。

2)外符合精度統計

系統外符合精度反映了系統定位的準確性。通過對網內和網外測試點采用BDS+GPS組合定位方式，進行網絡RTK測量，計算各點觀測坐標與已知坐標的較差，并計算系統外符合中誤差，具體結果如表3所示。

表3網內、網外測試點外符合精度統計(單位：cm)

測試項目MXMYMSMH網內0.880.932.041.28網外1.432.112.032.54整網1.151.552.041.93

由表3可看出，系統在網內、網外的外符合精度滿足《衛星定位規范》中城市CORS系統測試外符合中誤差不應超過5cm的要求。

3)不同衛星系統定位精度檢測

為了測試不同衛星系統的定位精度，在網內、網外分別選取5個測試點，分別采用單獨BDS、單獨GPS和BDS+GPS組合三種方式進行測量，測試點內符合精度見表4，與已知點較差見表5。

表4不同衛星系統測量結果內符合精度統計表(單位：cm)

序號點號內符合精度(cm)BDSGPSBDS+GPSMSMHMSMHMSMH備注1g1721.852.580.961.651.572.76網內2B0132.755.160.611.280.851.10網內3g1390.831.611.281.520.721.29網內4g2410.890.920.571.540.601.02網內5g2170.410.700.470.740.440.52網內6B0161.982.350.851.050.681.98網外2km7B0041.822.050.921.850.771.18網外13km8B0392.283.521.082.650.940.94網外33km9g0361.511.951.443.860.611.42網外36km10B0441.852.421.683.301.331.78網外50km

表5不同衛星系統測量結果與已知成果較差統計表(單位：cm)

序號點號與已知點較差BDSGPSBDS+GPSMSMHMSMHMSMH備注1g1722.864.272.593.970.960.51網內2B0132.513.330.553.430.691.65網內3g1392.17-1.401.274.200.34-0.88網內4g2411.91-1.161.442.541.181.50網內5g2170.970.730.48-0.270.36-0.37網內6B0161.952.331.822.020.551.76網外2km7B0041.85-4.082.01-3.991.57-3.98網外13km8B0392.95-3.023.12-3.552.20-3.00網外33km9g0362.22-0.751.26-0.071.411.92網外36km10B0444.887.575.688.554.96-2.28網外50km

結果表明：單獨GPS內符合精度優于單獨BDS；BDS+GPS組合的內符合、外符合精度均比單獨GPS和單獨BDS有較明顯提高。

3.2可用性測試

(1)空間可用性測試

系統空間可用性是指地基增強系統動態定位服務有效覆蓋范圍。使用南方S82C雙星接收機，在網外不同距離的測試點上進行網絡RTK測量，測試點與最近基準站距離最小為0.4km，最大為67.1km。

測試點點位較差與基準站距離列于表6。其中，dX、dY為測試點坐標分量已知值和觀測值的差值；dS為測試點點位已知值和每次觀測點位的差值；dh為測試點水準高程和GNSS測量的高程的差值。繪制測試點定位精度與距離的關系圖，如圖1所示。

表6網外測試點定位精度與距離統計(單位：cm)

序號點號dXdYdSdh距離(km)01g290-0.240.780.820.360.402g3200.6-0.871.062.341.003g032-0.42-0.210.47-1.491.104B016-0.27-0.510.581.152.205B0070.09-1.261.261.362.606g035-1.62-0.781.80-2.278.907B004-0.121.561.57-3.9812.808g3230.150.930.940.3613.409g016-1.980.692.101.5713.610國梁0.18-0.600.632.5016.111g0380.06-1.591.59-2.0118.812g3140.42-1.081.160.8221.713g015-0.390.120.412.7223.214g011-0.42-0.720.832.4530.715B0062.580.302.60-1.0732.416B0390.90-2.012.20-3.0033.417g0400.03-0.210.211.8434.418g036-0.64-1.251.411.9235.919B0521.710.301.741.5536.120B044-2.822.864.02-2.2849.821g0534.06-6.507.664.9253.422g0475.38-7.549.2612.867.1

圖1　網外測試點定位精度與距離關系圖

結果表明：1)在網外距離最近基準站不大于50km的測試點上都能進行正常的網絡RTK測量，且定位精度滿足規范要求；2)在測試點g053與g047上雖然能夠獲得固定解，但是通過與測試點已知成果進行比較，較差超過規范要求的5cm限差。

(2)時間可用性測試

此項測試在該市二等平面控制點上進行，連續觀測24個小時，采樣率為1s，統計系統時間可用性的精度指標和數量指標，結果見表7。

表7時間可用性測試結果

指標平面高程指標值滿足精度要求的歷元數8397681239實際觀測歷元數85064實際觀測歷元數8506485064理論觀測歷元數86400精度指標98.7%95.5%數量指標98.5%

由表7可以看出，無論是精度指標還是數量指標，均能夠滿足規范要求的95%，表明系統性能達到設計指標。

(3)環境可用性測試

該市作為典型的山地城市，在高山峽谷及城市建筑密集區定位困難，為了測試該市北斗衛星地基增強系統在惡劣環境下的定位能力，采用S82C接收機在建筑密集區和有樹木遮擋的定位困難區域進行測試。

經測試發現，在衛星高度角大于30°時，北斗衛星一般有6-7顆，GPS衛星一般有4-5顆。使用單獨GPS需要10多分鐘才能獲得固定解，有時甚至不能獲得固定解，采用BDS+GPS組合定位一般需2-5分鐘可以獲得固定解。

3.3時效性測試

系統的定位服務時效性就是流動用戶端在進行網絡RTK測量時的初始化時間。采用S82C接收機，在每個測試點上，分別采用單獨BDS、單獨GPS及BDS+GPS組合三種方式進行網絡RTK測量，每種測量方式初始化5次，并分別記錄初始化時間，結果詳見表8。

表8不同衛星系統初始化時間統計表

序號點號初始化時間(s)BDSGPSBDS+GPS備注1B01312135網內2g13916188網內3g24123259網內4g21720244網內5B00112185網內6g036191512網外7B044222713網外8g053263011網外9g047202218網外10B039212513網外

測試結果表明：BDS和GPS初始化時間大致相同，BDS+GPS組合方式初始化時間明顯降低。

4　結束語

加密北斗地基增強系統可實現在高山峽谷、城市密集區等惡劣環境下的快速、準確定位，定位精度可達毫米級，已陸續應用于城市規劃、工程建設、智慧城市等領域。特別是采用BDS+GPS組合方式，在動態定位精度、有效服務范圍、初始化時間等關鍵指標明顯優于單BDS或單GPS定位，體現了多系統多模融合的技術先進性。

隨著北斗衛星導航系統的不斷發展和成熟，它將成為一個由35顆衛星、地面站和各類用戶終端構成的大型航天系統，從以衛星為核心向以系統為核心，從面向行業用戶向大眾用戶轉型，開啟我國航天事業的新征程，并將對維護我國國家安全、推動經濟社會科技文化全面發展提供重要保障。

[1]陳伏州. 關于我國北斗地基增強系統發展的思考[J]. 數字通信世界，2013(8)：24-27.

[2]林國利. 上海北斗連續運行參考站系統(SHBD-CORS)的建設與精度測試[J].測繪通報，2013(11)：38-40.

[3]祁芳. CORS系統中RTK作業的質量控制方法研究[J].城市勘測，2008(4)：66-69.

[4]夏立福. 城市CORS系統檢測及定位精度的可靠性研究[J].測繪與空間地理信息，2013，36(4)：93-95.

[5]龔真春. GPS CORS系統實時定位精度檢測方法探討[J].測繪與空間地理信息，2011，34(3)：88-90.

Tests and Analysis of the Densified BeiDou Ground-based Augmentation System

Xie Yubing1, Wang Changhan2, Jiang Mingfu1

1. The Fourth Surveying, Mapping & Navigation Base, Chengdu 610036, China 2. Chongqing Prospecting Institute, Chongqing 400100, China

Densified BeiDou ground-based augmentation system is a local BeiDou ground-based augmentation system, which is established according to the unified national standards for augmentation system. Taking the system in a western city as an example, the components and requirements are introduced and the positioning accuracy, space availability, time availability and timeliness standards are verified. The results indicate that performance indexes of the system can satisfy the related demands of the national standards. Especially, the BDS and GPS combination augmentation system has achieved greater improvement compared with the traditional GPS augmentation system.

densified BeiDou ground-based augmentation system; positioning accuracy; space availability; time avail-ability; timeliness

2015-09-16。

謝玉兵(1968—)，男，高級工程師，主要從事大地測量與測量工程研究。

P228

A