廣東省北斗地基增強系統的建立與性能分析

劉文建，鄒 璇

（1.武漢大學 衛星導航定位技術研究中心，湖北 武漢 430079；2.廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510500）

廣東省北斗地基增強系統的建立與性能分析

劉文建1,2，鄒 璇1

（1.武漢大學 衛星導航定位技術研究中心，湖北 武漢 430079；2.廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510500）

探討了廣東省北斗地基增強系統的建立方法與流程，并對系統定位性能進行了全面的測試。結果表明，北斗、GPS、GLONASS三大系統融合服務穩定、可靠、可用性高，可向用戶提供實時cm級、亞m級和1 m級導航定位服務。

GDCORS；北斗；地基增強系統；精密定位服務

北斗衛星導航系統（BDS）是我國正在實施的自主發展、獨立運行的全球衛星導航系統。系統建設目標是建成獨立自主、開放兼容、技術先進、穩定可靠的覆蓋全球的BDS，形成完善的國家衛星導航應用產業支撐、推廣和保障體系，推動衛星導航在國民經濟社會各行業的廣泛應用[1-2]。

當前，BDS高精度導航定位應用面臨的主要問題是缺少必要的BDS地面綜合服務基礎設施，無法為各類用戶提供無縫的服務。為此，我國正按照“統一規劃、統一標準、共建共享”的原則構建“全國一張網”的地基增強系統；計劃到2018年底，在框架網的基礎上建立全國范圍的加密CORS站網，將數據精度提高到cm級，后處理定位精度將達到mm級[3-4]。

針對廣東省連續運行參考站（GDCORS）系統廣泛提供應用服務而又迫切需要升級的現狀，采取“先實驗、后示范、再實施”的總體流程，經過近2 a的發展，于2015年12月建成了我國第一個具有完全自主知識產權的廣域與區域融合的北斗精密定位在線運行服務系統——廣東省北斗地基增強系統（GDBDAS）。

1 系統建立

1.1 廣東省CORS概況

廣東省CORS大多數在2008年前完成建設，因此90%的區域仍只支持GPS的區域增強服務，設備開始老化，迫切需要升級。本文采用“先實驗、后示范、再實施”的總體流程，重點研究并解決了設備選型測試、與已有天線的兼容性測試、差分數據源格式測試、基準站升級、坐標基準延續等問題。

1.2 系統建立

示范系統（試點工程）建成以來，在珠海區域得到了廣泛應用， GDCORS升級于2015年進入全面建設階段，完成了85個北斗/GNSS基準站和1個控制中心的建設工作；建立了北斗網絡RTK、DGNSS、PPP、PPP-RTK服務平臺，可向廣東省各類用戶提供實時cm級、亞m級和m級導航定位服務。

基準站的北斗/GNSS接收機采用并置升級方案，即充分利用原基準站系統設備及通信鏈路，采用功分器將新天線（如原有天線不支持北斗信號）的數據流一 分為二，分別進入原有的GPS接收機和升級后的北斗/ GPS/GLONASS接收機。升級后的基準站結構見圖1。

圖1 基準站結構圖

控制中心功能軟件主要包括北斗/GNSS基準站管理系統、北斗/GNSS網絡RTK處理系統等，實現了廣域/區域融合的快速實時精密定位和事后高精度定位等服務，總體軟件部署及功能如圖2所示。

2 系統關鍵技術

2.1 網絡RTK系統完備性監測技術

為保障網絡RTK系統服務時的完備性，在基準站間模糊度固定完備性監測時，采用統計量區別檢驗法，成功率、失敗率指標法和組合法對所固定的模糊度進行正確性評估；在大氣誤差完備性監測時，通過建立不同類型大氣誤差區域內插模型的方式計算其完備性監測指標RIM及內插不確定性指標RIU；在用戶自主完備性監測時，用戶在接收到各衛星的觀測數據后，利用最小二乘或卡爾曼濾波方法進行差分定位。根據用戶接收機的多余觀測值，基于單位權中誤差進行粗差探測。當單位權方差在給定置信水平下大于特定限值時，采用卡方檢驗對觀測值中存在的粗差進行有效剔除，從而監測用戶定位結果的完備性[5]。

圖2 控制中心主要軟件部署及功能

2.2 北斗/GNSS區域PPP-RTK技術

針對我國北斗系統在建設初期各類誤差改正模型尚未有效精化的現狀，采用北斗系統區域地基增強信息實時差分建模方法，綜合利用北斗三頻組合觀測值、精確已知的基準站坐標等多個條件，實現了基準站網雙差三頻模糊度的快速固定；再通過加入適當的整數模糊度基準，映射得到各基準站與可視衛星間的非差整數模糊度，進而實現區域PPP-RTK增強信息的快速實時建模[6-7]。

2.3 北斗/GNSS廣域區域融合的PPP技術

在綜合分析比較現有非差、歷元間差分、混合差分等函數模型優缺點的基礎上，采用一種兼容多系統、多類型參數一步法估計的嚴密函數模型，并基于對各類導航系統星載原子鐘特性的分析，建立了相應的鐘差隨機模型，實現了區域多系統的實時鐘差解算；采用對每顆北斗/GNSS可視衛星進行實時電離層估計的方法，在一個先驗電離層模型的基礎上，為每顆衛星在每個歷元提供一個額外的電離層延遲改正，從而有效反映電離層延遲小的局域性空間和時間變化特征；通過對多系統實時PPP的數學模型與數據處理方法的研究，提高了多系統實時PPP的精度和收斂速度。

3 系統性能測試及分析

在GDCORS系統改造升級項目試運行過程中進行了大量的野外測試工作，以驗證各項技術指標是否滿足設計要求，主要包括動態參考基準、事后精密定位、區域實時定位（網絡RTK）、廣域PPP實時定位等性能與精度的測試。

3.1 動態參考基準精度分析

為檢驗靜態基線解算精度，利用GDBDAS中所有站點連續5 d的北斗與GPS觀測數據，采用武漢大學自主研制的Panda軟件，分別得到北斗及GPS的單天解算結果，其RMS統計如表1所示。

表1 BDS各天所有點站點與均值的RMS統計/mm

由表1可知，北斗與GPS解算結果的重復性精度，平面方向均優于高程方向；北斗解算結果在北方向精度最佳，與GPS相當；東方向在某些天稍差于GPS，但處于同一量級；高程方向整體差于GPS解算結果，重復性精度有所提高，這可能與北斗系統的精密軌道與鐘差產品以及天線相位中心改正等相關。

3.2 事后精密定位精度分析

選取GDBDAS不同長度的基線，利用Panda基線解算軟件進行單基線解算：采用LC無電離層組合雙差解算模式，并加入接收機天線相位中心改正；采用法方程疊加的方式，進行最小二乘參數估計，對超過50 km的長基線需增加一組天頂對流層延遲參數。解出方程的浮點解后，采用Lambda算法先固定寬巷模糊度，再固定L1模糊度，從而得到模糊度固定解。對于相對較短基線直接采用廣播星歷，長基線（＞50 km）則采用精密星歷及鐘差以提高數據解算精度。

本次測試共包含5組基線，基線長度為32～146 km，連續3 d（每2 h為一時段）解算結果的RMS見表2。

表2 連續3 d解算結果的RMS值（2h）

由表2可知，2 h快速靜態解算精度已基本滿足水平方向小于2 cm，垂直方向不大于5 cm的要求。

3.3 網絡RTK實時定位精度分析

本文選取梅州市、清遠市、惠州市和茂名市4個區域，每個區域觀測場地為20個；每個觀測場地選擇無遮擋、一面遮擋、兩面遮擋3個測試點；在每個點位上，按原GDCORS系統單GPS、GDBDAS的GPS+BDS等6種模式分別進行觀測，總點數為4×20×3=240。在網絡RTK精度的測試結果統計中，內符合精度統計點數為240個，外符合精度統計點數為25個（表3）；初始化時間統計見表4。

表3 內符合、外符合精度統計表/m

表4 網絡RTK定位初始化時間匯總統計表

由表3可知，區域網覆蓋范圍內實時定位（GPS+BDS）的內符合精度為平面0.008 m，高程0.016 m，外符合精度為平面0.031 m，高程0.044 m，與原GDCORS系統精度相當，滿足一般測繪工程應用需求；由表4可知，BDS、GPS+BDS模式固定率（含困難環境）較原GDCORS系統提升顯著，且初始化時間（含困難環境）與原GDCORS的單GPS（困難環境（未固定）未納入統計）水平一致。

3.4 廣域PPP實時定位精度分析

本文模擬進行了基準站網外300 km的廣域PPP實時定位精度測試，具體措施為：只選用粵西地區的部分基準站，在廣州采用雙頻、單頻流動站手持型接收機外接普通測量天線進行靜態模擬動態測試，流動站距離最近基準站的距離約300 km，定位結果見表5。

表5 雙頻流動站定位精度統計/m

由表5可知，雙頻定位精度平面和高程均優于10 cm，N、E、U方向平均RMS分別為0.02 m、0.038 m和0.053 m；單頻定位精度N、E、U方向平均RMS分別為0.526 m、0.712 m和1.046 m。

4 結 語

系統性能測試分析表明，GDBDAS建立了北斗/ GNSS網絡RTK、DGNSS、PPP、PPP-RTK服務平臺，可向廣東省各類用戶提供實時cm級、亞m級和1 m級導航定位服務。GDBDAS核心硬軟件設備集中了不同領域具有自主研發知識產權的高科技產品，為北斗產業化的應用終端研制提供了完整的應用規范和標準支撐，將促進廣東省乃至全國衛星導航產業應用技術創新及北斗產業化研發的快速發展。

[1]楊元喜. 北斗衛星導航系統的進展、貢獻與挑戰[J].測繪學報,2010,39(1):1-6

[2]劉經南,劉暉.建立我國衛星定位連續運行站網的若干思考[J].武漢大學學報(信息科學版),2003,28(增刊1):27-31

[3]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):3-8

[4]楊元喜,李金龍,王愛兵,等.北斗區域衛星導航系統基本導航定位性能初步評估[J].中國科學:地球科學,2014,44(1):72-81

[5]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

[6]鄒璇,唐衛明,施闖,等.區域地基增強PPP-RTK模糊度快速固定方法研究[J].大地測量與地球動力學,2014,34(1):78-83

[7]鄒璇,李宗楠,唐衛明,等. 一種適用于大規模用戶的非差網絡RTK服務新方法[J]. 武漢大學學報(信息科學版),2015,40(9):1 242-1 246

[8]唐衛明,徐坤,金蕾,等.北斗實時動動相對定位精度檢測方法[J].武漢大學學報(信息科學版),2014,39(12):1 472-1 476

P228.4

B

1672-4623（2017）07-0014-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.07.004

劉文建，碩士，高級工程師，主要研究方向為CORS技術及其應用。

2016-12-16。

項目來源：武漢大學自主科研資助項目（2042016kf0184）；廣東省科技計劃資助項目（2013B020200009、2014A020219002）。