星基增強系統“中國精度”與CORS網的對比分析

郭四清，張 丁

（1.廣州思拓力測繪科技有限公司，廣東 廣州 510670）

星基增強系統“中國精度”與CORS網的對比分析

郭四清1，張 丁1

（1.廣州思拓力測繪科技有限公司，廣東 廣州 510670）

隨著“數字城市”建設的進行，CORS網已經成為城市空間數據基礎設施的重要組成部分，在高精度測量和位置服務中起到越來越重要的作用；而GNSS廣域差分星基增強系統卻沒有得到快速的發展和大量的應用，普及范圍遠遠不夠。在此背景下，介紹了中國首套GNSS廣域差分星基增強系統“中國精度”，并對比分析了“中國精度”（Atlas）與CORS的差異與協作等。

Atlas；中國精度；CORS；廣域差分星基增強系統；星鏈續航

從1999年深圳第一套CORS網開始建設，到現在全國大部分省市CORS網絡基本建成，特別是北斗時代的到來，各地新建和改建的北斗地基增強系統已經非常普遍；同時，基于全球數據的星基增強系統也在快速發展中。這樣的兩個體系，從工作原理、使用范圍和便利程度，以及它們共同協作等方面，給我們的工作和應用帶來了巨大的變化。

1 兩個系統的差異

從工作原理上來看，這兩個系統的工作方式有很大的差異。

1）CORS網地基增強是采用CORS站的數據，利用“相關性”來求解構網，模擬一個區域內的GNSS信號和電離層、對流層的模型。對m級需求的位置服務，整個區域作RTD的數據輸出；對于cm級的高精度測繪需求，系統會根據用戶的單點定位位置，輸出一個虛擬的基站數據，用戶端接收機再和這個虛擬基站作“相關性”解算，得到cm級的高精度結果。這種服務對通信互聯網有較高的要求，整個數據交流都依賴于當地的公網信號，在一些山區會有一定困難。

2）星基增強系統是利用全球布局的CORS站，通過數據通信網絡到星基增強數據中心，計算出3類廣域差分修正值，即每一顆GNSS衛星的星歷改正、鐘差改正和電離層時間延遲改正等參數，然后通過數據通信網絡將這些差分信息上傳到專用的通信衛星，通過L波段向地面傳輸，在客戶端終端接收該信號。根據相同的數據服務和接收機自身的數據，全球可實現m級、dm級、cm級的定位精度，這種服務對于山區、荒漠、海洋等沒有公網通信信號的區域，是非常有價值的。同時，由于有了“星鏈續航”功能與區域CORS網的配合，使得高精度需求的客戶徹底脫離了信號不良的狀態，可以更高效地進行工作。

2 GNSS廣域差分星基增強系統概述

2.1 系統構成

以“中國精度”Atlas為例，GNSS廣域差分星基增強系統由一個主控站（數據中心）、一個星鏈播發站（數據轉發站）、多個GNSS衛星跟蹤站（又稱基準站或地面參考站）和監測站、相應的數據通信網絡和若干個用戶站組成，如圖1所示。

圖1 “中國精度”系統構成

1）數據中心。系統中最關鍵的是數據中心，通過數據通信網絡接收各跟蹤站傳輸的GNSS觀測數據和電離層時間延遲改正值，計算出3類廣域差分修正值，然后通過數據通信網絡將這些差分信息傳輸給差分信息播發站。

2）星鏈播發系統。由于廣域差分星基增強系統要求覆蓋面廣、傳輸的信息量大，數據中心傳輸和播發站向用戶站的差分信息傳播，須選用長波、衛星通信。所以，數據通信具有數據量大、速度快、通信距離長、覆蓋面大等特點，目前大都是采用國際海事衛星通信系統（INMARSAT）。

3）衛星跟蹤站。跟蹤站的任務是將其原始觀測數據、氣象數據和當地電離層時間延遲改正等各類數據實時地或準實時地傳輸至數據中心。

4）用戶站。用戶站是用戶測量時使用的GNSS接收機，需要有能夠接收L波段信號的能力和內置算法，能夠用廣域星基增強信號計算高精度單點位置。

2.2 系統的工作流程

廣域差分星基增強系統的工作流程為：

1）在已知精確地心坐標的若干個地面參考站上，跟蹤接收GNSS衛星的廣播星歷、偽距、載波相位等信息；

2）將跟蹤站所獲得的信息，通過數據通信網絡傳輸至數據計算中心；

3）計算出相對于衛星廣播星歷的衛星軌道誤差改正、衛星鐘差改正及電離層時間延遲改正；

4）將廣域差分改正信息值通過數據轉發站傳輸至地球同步衛星，該同步衛星以L1或L-band為載波，將上述差分改正信息當作導航電文傳輸至用戶站；

5）用戶站利用這些改正值的計算來改善GPS導航定位精度。

2.3 系統特點

1）由于數據傳輸鏈采用GPS L1或L-band載波頻率，因此用戶GPS接收機可以直接接收到廣域增強差分系統的差分改正信息，無需外加通信鏈。

2）同步衛星信號的實時傳輸能力強，而且可以覆蓋很大的區域，從而較好地解決主控站與播發站、播發站與用戶站之間的數據傳輸問題。

2.4 系統發展現狀

全球已經建立起了多個廣域差分星基增強系統，建設比較早也比較完善的是美國WAAS系統。歐盟、澳大利亞、日本、印度和中國等國家也都陸續建立了自己的衛星導航增強系統[1]，如歐盟的EGNOS[2]、俄羅斯的SDCM、日本的MSAS以及印度的GAGAN，還有商用的星基增強系統OmniStar、Terrastar等。中國在2015-06-15發布了國內首個廣域差分星基增強系統——“中國精度”，國際命名為Atlas。

“中國精度”是覆蓋全球運營的星基增強服務系統[3]，GNSS用戶無需架設基準站，即可在全球任一地點任意時刻，體驗從亞m級、dm級到cm級不同層級的高精度定位增強服務。“中國精度”是目前行業內最靈活的高精度服務系統，通過L-band衛星或者Internet網絡播發，為用戶提供不同精度層級的增強服務。“中國精度”采用分布于全球的近200個地面參考站，L-band衛星可覆蓋南緯75°至北緯75°，覆蓋全球所有陸地區域，同時Internet網絡播發方式可覆蓋全球，如圖2所示。

“中國精度”在中國大陸信號非常好，服務方式非常靈活。近幾年，所有的客戶都可以享受“免費”的信號服務，這是國際上，高精度cm級服務中唯一的一家。中國自有的全球星基增強系統的出現，打破了國外的壟斷，為中國衛星導航工業的發展和北斗走向世界，邁出了堅實的一步。

圖2 “中國精度”信號覆蓋范圍

3 廣域差分星基增強系統與CORS的對比分析

3.1 系統構成的不同

CORS可以定義為一個或若干個固定的、連續運行的GNSS參考站，是利用現代計算機、數據通信和互聯網（LAN/WAN）技術組成的網絡[4]，一般由基準站網、數據處理中心、數據傳輸系統、定位導航數據播發系統、用戶應用系統等部分構成，可以由省級或某測繪單位自己建設。

廣域差分星基增強系統構成見§2.1，系統要求有較好的軟硬件和高效率的通信設備，需要租用衛星服務，因此投資、運行和維護費用相對來說比較高。

3.2 技術原理和精度的不同

GNSS廣域差分技術的基本思想是對GNSS觀測量的誤差源加以區分，并對每一個誤差源分別加以“模型化”[5]，然后將計算出的每個誤差源的誤差修正值（差分改正值），通過數據通信鏈傳輸給用戶，對用戶GNSS接收機的觀測值誤差加以改正，以達到降低這些誤差源的影響，改善用戶GNSS定位精度的目的。它削弱了基準站和用戶站之間對時空“相關性”的要求，是利用廣域差分數據的“直接定位”。

區域CORS網技術是在一定區域內建立多個連續運行參考站，對該地區構成網狀覆蓋[6]，以區域內的CORS物理站或者虛擬參考站相對于用戶終端作“相關性”結算，因為距離較近，收斂時間和精度都優于廣域差分系統。

在北美、日本等國家都有免費的信號，現在的“中國精度”已經覆蓋到全球，在中國大陸提供免費的信號。“中國精度”目前有3個層次的服務：Atlas、Atlas L1、Atlas local。3個都提供顛覆性的精度和開放式的合作經營模式，但是精度對應不同的客戶群：Atlas為有高精度需求的客戶提供0.1 m定位精度；Atlas L1為有中低等精確度要求的客戶提供亞m級定位服務；Atlas Local通過衛星接收播發RTK信號，為客戶提供cm級精度定位服務。

“中國精度”的硬件產品，支持各種接收機GNSS多功能智能定位終端，支持GPS、GLONASS、BeiDou；可播發標準RTCM“中國精度”差分數據。

3.3 工作方式和覆蓋范圍的差異

1）廣域差分星基增強系統解決了對GSMGPRS公共網絡和Internet的依賴，直接從衛星L波段播發，滿足在無人區、遠海地區的差分需求。除了通過L波段播發外，還具有網絡服務器接入端口。而CORS則完全依賴GSMGPRSInternet向用戶傳輸數據，若網絡覆蓋不到或網絡信號出現問題，則無法高精度作業。

2）廣域差分星基增強系統的地面觀測站的間距比區域CORS站大很多，是從宏觀上去計算衛星的誤差。系統的作用覆蓋區域可以擴展到全球，覆蓋一些困難地區，如遠洋、沙漠等[7]。而CORS系統一般要求基站間距在40～100 km之間，用戶只有在網內（網外很小范圍），才能保證cm級的精度。

3.4 收斂時間和精度情況

“中國精度”在廣州、三沙、北京、青海、安徽、黑龍江、河南等地作了大量的測試工作，得到的收斂時間一般為20 min左右。表1為其中10次測試的結果。

表1 “中國精度”收斂時間

圖3為測試之一，收斂時間為18 min；收斂后的精度一般為6～8 cm，其中一次測試結果如圖4所示。

3.5 在實際應用中的優劣勢分析

雖然“中國精度”此類星基增強系統具有良好的信號覆蓋，可以不依賴通信公網，在山區、荒漠、海洋有較好的應用，在普通的地區也能達到5～12cm的精度，但收斂時間和精度，目前還是不能和區域CORS網相比，區域的CORS網可以達到2～5 cm，收斂速度也快得多。

圖3 “中國精度”測試

“中國精度”在已建好CORS網、公網信號也很好的地區，是否沒有應用意義呢？“中國精度”的一項特殊功能“星鏈續航”，徹底解決了這個問題，它能夠使區域的CORS網和廣域的星基增強系統相互彌補，如圖5所示。

圖4 “中國精度”誤差圖

圖5 “星鏈續航”與CORS模式的差異

在CORS系統的工作模式下，由于需要作“相關性”解算，對差分數據的時效性要求非常高，當基站數據丟失或者CORS網的信號中斷時，定位的解算雖然有一定的外推功能，但基本上都在幾個歷元后就發散了。在實際工作中，十幾秒以后，精度基本上都在dm級甚至m級了。

“星鏈續航”把從“中國精度”衛星中得到的廣域差分信號和利用“相關性”解算的算法結合起來，在丟失基站和CORS網的信號后，利用星基增強的信號來擴展“相關性”的外推時間，保持原有精度2～5 cm，長達30～40 min，這個時間內測量人員感覺不到基站數據的丟失或CORS網信號的中斷。如果40 min后，信號還不能恢復，則精度回到廣域星基增強的精度，這種珠聯璧合的配合，是區域CORS技術和廣域星基增強技術的完美結合。圖6為測試人員在海南進行測試。

圖6 測試人員海南測試

4 結 語

從目前已經較為成熟的CORS網技術發展到“中國精度”此類更加宏觀的廣域差分星基增強系統，提供位置服務的手段越來越多樣化。“中國精度”的“星鏈續航”功能使得星基增強信號和區域CORS信號同時聯手作用于接收機，在一定區域的工作中，幾乎完全避免了高精度的丟失，提高了作業效率。

從本文中也可以看到，“中國精度”接收機的精度和收斂時間，在各地的測試中達到了預先設定的精度，由于星基增強信號是從衛星到接收機，可以不依賴公網信號，徹底解決了山區、荒漠、海洋等地區沒有公網信號的難題，給用戶端帶來了非常簡便的工作方式。“中國精度”接收機在各種位置服務，特別是高精度定位中，應用簡便、高效，應該在更多的領域發揮更大的作用，“中國精度”在應急測繪、全球測圖、一路一帶工作中，應該大力推廣。

[1] 宋煒琳,譚述森.WAAS技術現狀與發展[J].無線電工程,2007(6)∶1-3

[2] 徐楨,劉強.衛星導航區域增強系統的應用與發展[C]//第三屆中國智能交通年會論文集.南京∶東南大學出版社,2007

[3] Leiphone.首個國產星基增強服務系統“中國精度”正式提供服 務[EB/OL].http∶//www.gisempire. com/news/343.html, 2015-06-20/2016-03-01

[4] 李斌.深度探討應用GPS CORS技術的測量方法[J].科技資訊,2010(4)∶7

[5] 馮貴年,楊久龍.廣域差分GPS系統和廣域差分增強系統[C]//中國空間科學學會.中國空間科學學會空間探測專業委員會第十七次學術會議論文集.北京∶中國空間科學學會,2004

[6] 丁玉平,許友清.區域CORS系統的定位精度分析[J].測繪通報,2011(3)∶86-88

[7] 楊懷春.星站差分GPS定位技術介紹[J].物探裝備,2004(3)∶198-201

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1672-4623（2016）05-0001-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.05.001

郭四清，廣州思拓力測繪科技有限公司董事長，主要研究方向為GNSS高精度裝備的研制。

2016-04-13。