廣域差分產品性能評估關鍵技術探究

王孝青，武軍酈，陳 明，宋偉偉，張 東

(1. 國家基礎地理信息中心，北京 100830； 2. 武漢大學衛星導航定位技術研究中心，湖北 武漢 430079)

此前，北斗、GPS、GLONASS等全球衛星導航定位系統提供的標準導航定位服務精度一般為10 m左右，只能滿足普通導航定位的需求。隨著經濟社會的發展，各行業領域對導航定位服務提出了更高的要求，需要進一步提高全球衛星導航定位系統的精度[1]。目前主要采用廣域差分定位技術提供高精度實時定位服務(real-time service)，即基于衛星導航定位基準站資源，綜合應用衛星導航實時精密單點定位技術、信息技術、網絡播發技術，建立廣域差分服務系統，提供大范圍、高精度、亞米級甚至厘米級實時定位服務[2-3]。

近年，國家測繪地理信息局基于國家級衛星導航定位基準站，同時統籌省級、部委基準站資源，完成了廣域差分服務系統建設，目前已經正式對外發布服務，可提供北斗、GPS、GLONASS、Galileo 4系統實時精密衛星軌道、鐘差產品及區域精密電離層產品，可滿足不同行業用戶對高精度、快速、實時定位的需求[4]，為國土資源調查、城鄉建設、城市規劃、交通監控、環境監測、防災減災等方面提供全國范圍內高精度實時導航定位服務[5]。

廣域差分產品性能的綜合評估和評價對用戶至關重要[6]，但是對于廣域差分實時產品性能的評估尚無統一標準和量化指標，無法形成一套可靠的評估體系，不能給用戶提供必要的產品性能評價參考[7-10]。本文基于我國廣域差分實時產品特性，結合國際權威機構發布的實時精密星歷和電離層產品，研究實時產品性能綜合評估方法，設計一套廣域差分產品性能評估方案，能夠對產品的實時連續性、時效性、有效性和定位精度等進行綜合評估，可為不同精度需求的用戶提供產品可用性參考閾值或實時預警的設置。

1 總體設計理念

我國廣域差分產品主要有北斗、GPS、GLONASS、Galileo 4系統衛星實時精密軌道、鐘差和區域電離層3類產品[11]，分別以國際標準格式(國際海事無線電技術委員會制定的數據格式)實時播發并存儲[12]。廣域差分產品性能主要體現在產品連續性、時效性、完好性、精度可靠性4個方面[13]，對于廣域差分系統建設，也是圍繞這4項基本能力不斷進行能力提升和產品升級。

本文根據廣域差分產品性能評價要求，設計了產品性能評估技術方案，能夠對產品連續性、時效性、有效性、定位精度進行實時監測，同時根據國際權威機構發布的事后精密衛星星歷和事后精密電離層產品，對廣域差分實時衛星軌道、鐘差產品和電離層產品進行事后精度分析(設計理念如圖1所示)，提供實時產品綜合性能評價量化指標和評價標準。

圖1 實時產品性能評估設計理念

2 實時性能監測指標設計

2.1 產品連續性和時效性

主要監測產品數據流的中斷歷元數目和產品相對于UTC時間的時間延遲量。通過接收實時產品數據流并解碼，根據產品時間間隔要求，判斷前后歷元數據的連續性，統計中斷歷元的數目，采用下式計算

ΔNi=(ti+1-ti)/Interval

(1)

式中，i+1為當前歷元的時間；i為上個歷元的時間；ΔNi為中斷歷元數目；Interval為產品的時間間隔。

同時與標準系統時間進行比較，統計實時產品的時間延遲量，如

Δtdey=ts-tr

(2)

式中，Δtdey為延遲時間；tr為實時產品解碼出來的UTC時間；ts為本機標準系統UTC時間。連續性監測要求本機系統時間與UTC時間嚴格保持同步，否則將會導致連續性監測失效。

實時產品的延遲或數據流的中斷會對實時精密定位造成一定的影響[14]，用戶端定位程序一般會對產品進行外推以獲得當前歷元的實時產品。相對于衛星軌道和區域電離層產品，精密衛星鐘差變化較為劇烈，制約著產品外推后精密定位的精度。一般認為在5 min以內的外推產品可以滿足用戶實現分米級甚至厘米級的定位需求。當實時中斷數據流超過5 min或網絡延遲大于5 min時，實時監測部分自動報警。實時產品連續性與時效性動態監測如圖2所示。

圖2 產品連續性與時效性監測

2.2 產品有效性

在用戶進行定位的過程中，有時受限于觀測條件，可能存在觀測值中可用星數目偏少的情況[15]。為了保證廣域范圍內的用戶均能通過廣域差分服務系統進行高精度的定位，差分產品中可用衛星數目需要得到保障。評估系統通過監測解碼出的實時精密衛星鐘差及衛星軌道可用衛星數目的變化來實現產品有效性的評估，當產品中可用衛星數小于閾值時，系統自動報警。實時產品有效性動態監測如圖3所示。

2.3 產品實時定位精度監測

基于分布于全國的衛星導航定位基準站，并行開展廣域差分定位，實時監測廣域差分定位精度變化，對定位精度進行記錄并作統計分析。

按照厘米級定位需求，根據理論上的基準站實時定位精度指標，基準站實時定位精度E、N、U 3個方向的閾值分別為5、5、10 cm。在精密定位收斂之后，統計基準站E、N、U 3個方向誤差序列的STD值為

(3)

式中，V為該方向誤差時間序列；P為單位陣；n為統計歷元數。

圖3 產品有效性監測

只要3個方向精度有一個方向超出閾值，系統就會進行報警。北京房山基準站(bjfs)廣域差分實時定位精度監測如圖4所示。

圖4 bjfs站廣域差分實時定位精度監測

3 事后精度分析方法

3.1 軌道產品精度分析

本文以GBM發布的事后精密衛星軌道為參考，評估廣域差分精密軌道產品的精度。將實時精密衛星軌道與事后精密衛星軌道文件作差(如果采樣時刻未對齊則采用拉格朗日插值法對數據集進行內插)，得到每顆衛星在徑、法、切3個方向上的互差序列Δorbui,R、Δorbui,C、Δorbui,A，并采用下式計算均方根誤差rmsorbu,R、rmsorbu,C、rmsorbu,A

(4)

式中，n為樣本個數；*分別代表R、C、A為徑、法、切3個方向。

若實時定軌中所估計的極移參數不精確，可通過估計實時精密軌道與參考軌道之間的轉換系數將兩組軌道統一為一致的基準，再進行軌道互差。通常采用七參數轉換的方法進行，由下式可估計出實時精密軌道與參考軌道之間的7個轉換參數。

(5)

式中，Xi、Yi、Zi為參考產品軌道；ΔX、ΔY、ΔZ為平移參數；α、β、γ旋轉參數；μ為比例因子。然后再與上述方法進行比較。圖5為實時軌道產品精度分析結果。

圖5 軌道產品精度分析結果

3.2 鐘差產品精度分析

本文以GBM發布的事后精密衛星鐘差為參考值，評估廣域實時精密鐘差產品的精度。將實時精密衛星鐘差與事后精密衛星鐘差作差，得到每顆衛星鐘差的互差序列Δclki。以各個衛星系統整體星座鐘差互差重心為參考基準，將衛星計算的鐘差互差結果對參考基準作一次差，消除由于基準鐘不同而對鐘差產生的差異，得到雙差鐘差值Δdif_clki。

由式(6)可以統計雙差鐘差值Δdif_clki時間序列的RMS。衛星鐘差精度評定間隔取300 s。圖6為實時鐘差產品精度分析結果。

(6)

式中，n為樣本個數。

圖6 鐘差產品精度分析結果

3.3 電離層產品精度分析

本文研究以CODE電離層分析中心最終電離層產品為參考值，評估實時電離層產品精度，采用下式獲得各網點處電離層偏差值

(7)

(8)

式中，nEpo為歷元數。可以計算出總的垂直電離層均方根誤差RMSion

(9)

式中，nGrid、N分別為格網點總數及總的樣本數。

4 結 語

本文基于國家測繪地理信息局廣域差分服務系統，結合用戶應用和系統綜合評價需求，設計了一套廣域差分實時產品性能評估方案，對實時產品性能評價指標進行了設計和量化，能夠實現廣域差分產品連續性、有效性、定位精度的實時監測及其事后精

度分析，為逐步提高廣域差分產品性能和服務質量，拓展廣域差分系統應用領域奠定了基礎。

目前已有研究為：歸納分析了軌道、鐘差、電離層產品精度對定位精度的影響，后續可根據長期測試經驗，歸納出產品綜合性能指標對實時定位精度的影響因子及其量級，為提高產品服務質量提供參考；同時也要充分考慮并分析產品性能與所選衛星導航定位基準站的數量、網形、數據質量、數據處理方法、網絡傳輸、時間同步等因素的關系。

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