海洋測繪中GNSS差分定位的方法與精度

董 江

(1.武漢大學測繪學院.武漢4:30079；2.交通運輸部天津海事測繪中心，天津　300222))

0 引言

在海洋測繪中，當前確定測船的水平位置主要依靠全球導航衛星系統(global navigation satellite system，GNSS)的差分定位方法，可用的GNSS包括美國的全球定位系統(global positioning system，GPS)、俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統(global navigation satellite system，GLONASS)、歐洲的伽利略衛星導航系統(Galileo navigation satellite system，Galileo)和中國的北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system，BDS)。備選的差分定位方法包括實時動態(real-time kinematic，RTK)差分、信標差分和星站差分等。在海上作業時，測船在大多數情況下無法接收到陸域差分用的連續運行參考站(continuously operating reference stations，CORS)信號，故本文不討論CORS定位的相關問題。

各種差分定位方式的作用距離和定位精度各異。文獻[1-2]研究了GNSS-RTK星座組合進行常規差分定位的精度，文獻[3]研究了RTK在高層建筑動態變形監測方面的應用，文獻[4]介紹了中國沿海信標(Beacon)差分定位系統，文獻[5-6]對星站差分技術做了相應介紹，文獻[7]研究了星站差分技術在海島礁控制測量上的可行性，文獻[8]研究了BDS廣域差分性能的評估技術。目前大部分學者只是針對同一種差分定位技術或同一種系統的差分進行研究，探討其精度和應用。然而對于用戶來說，如何選擇一種即滿足精度要求又能兼顧作用距離、效率、費用等因素的差分定位方式是很重要的。本文通過實測的方法，對這些差分定位技術在海洋測繪中的精度進行驗證和比較分析，從而得出一些有益的結論，為業內同仁提供參考依據。

1 GNSS差分定位方法

GNSS系統的工作原理是根據多顆衛星的位置信息和到達地面點的距離值解算地面點的具體位置。在解算過程中由于受到衛星軌道誤差、衛星時鐘誤差、電離層時間延遲誤差、對流層誤差、信號多路徑效應、地球固體潮、用戶接收機時鐘誤差、接收機跳變等因素的影響，實測距離并非衛星到用戶的真實距離。差分技術就是通過地面點已知位置(基站)和接收機觀測數據解算出上述誤差的改正信息，或利用地球靜止軌道衛星和全球分布的位置已知的參考站，通過對GNSS定位測量的誤差源進行區分和模型化，計算出每一種誤差的改正值，再將這些改正信息實時發送給用戶，用戶接收機將測量結果進行改正就能得到精確位置。根據目前國內海洋測繪差分定位系統的使用現狀，可以將這些差分定位技術分為兩大類：地基增強局域差分系統和星基增強廣域差分系統。

1.1 地基增強局域差分系統

RTK差分是同時采用2臺GNSS接收機工作，1臺安置在地面已知坐標的基準點上，通過該點測得的坐標與已知坐標比較，得到測區一定范圍內的公共誤差值，然后將公共誤差值通過電臺實時傳輸到另1臺接收機，該臺接收機將所在測點測得的坐標進行誤差改正，獲得該點精確的坐標值。RTK常規差分定位的優點是定位精度高，通常為厘米級；但缺點也很明顯，例如計算整周模糊度需要的數據量很大，計算時間長，需要架設基站，作用范圍小(一般10 km以內)等[1-3]。

交通運輸部于1995—2000年在我國沿海地區建造了20座信標臺站，并于2002年全面開通，它是通過基于區域信標基站的差分，正式為公眾用戶提供免費的海上高精度導航定位服務，通常稱為Beacon信標差分。信標臺站相當于RTK差分定位的基準站，這些信標臺站24 h發送航海無線電技術委員會(radio technical commission for maritime services，RTCM)差分校正信息，其作用距離陸地為100 km，海上約300 km，用戶端只需要1臺GNSS接收機就可以實現高精度的實時定位。有研究表明，隨著BDS的建設和完善，目前通過BDS偽距差分和BDS/GPS聯合偽距差分算法，信標差分的平面定位精度優于1.5 m[4，9-10]。

1.2 星基增強廣域差分系統

廣域差分定位系統又稱星基增強系統(satellite-based augmentation system，SBAS)或星站差分系統，是利用地球靜止軌道衛星和全球分布的參考站(位置已知)，對導航定位衛星進行監測，獲得原始定位數據(偽距、載波相位觀測值等)，并送至中央處理設施(主控站)，將GNSS定位測量的誤差源進行區分和模型化，算得每一種誤差的修正值，并將修正值通過上行注入站發給地球靜止軌道(geostationary Earth orbit，GEO)衛星，再利用數據通訊鏈將修正值播發給廣大用戶，對用戶測得的坐標值加以修正，從而提高定位測量的精度。廣域差分定位系統將星歷誤差、衛星鐘差和電離層時延等組成的誤差校正矢量提供給用戶，用戶通過這種誤差矢量校正技術，既可以克服局域差分技術中定位誤差對基準站和用戶站之間的時空相關性，又能達到局域差分定位系統的精度水平。因此，從理論上講，在廣域差分定位系統中，借助于強大的數據通訊鏈，用戶與基準站之間的距離不受限制。目前SBAS星站差分有美國的廣域增強系統(wide area augmentation aystem，WAAS)、歐洲的靜地導航重疊服務系統(European geostationary navigation overlay service，EGNOS)、日本的多功能衛星增強系統(multi-functional satellite augmentation system，MSAS)等，在我國海域SBAS星站差分可以采用覆蓋亞洲大陸的日本MSAS的免費部分[5-8]。

中國精度ChinaCM差分系統也是一種星基增強系統，是北京合眾思壯科技股份有限公司于2015年6月推出的，是一套兼容BDS、GPS、GLONASS等導航定位系統的綜合服務系統，目前尚處于設計試驗階段。其設計理念是：利用全球范圍內的CORS站，通過數據通訊網絡到星基增強數據中心，計算出3類廣域差分定位系統中的誤差修正值，即每一顆GNSS衛星的星歷誤差、衛星鐘差和電離層時延等誤差修正值；然后通過數據通訊網絡將這些誤差修正值上傳到專用的通信衛星，通過L波段地球同步軌道通信衛星向全球播發差分數據；用戶端接收該差分數據。根據用戶定位服務的等級需求和GNSS接收機自身的數據，差分定位精度可分別達到米級、分米級和厘米級，使地基增強局域差分系統的信號無法到達的，如高山、沙漠、海洋等區域也能夠實現類似局域差分系統的高精度的定位服務[11]。

2 差分定位精度實測試驗

為了驗證上述RTK常規差分、Beacon信標差分、MSAS星站差分、ChinaCM星站差分等這4種差分定位方法的作用距離和定位精度，本文將實測試驗分為3次：第1次試驗地點設在內陸，第2次試驗地點設在海岸邊，第3次試驗地點設在海上。

2.1 實測試驗1

2.1.1 試驗儀器及方法

本次試驗地點位于天津市濱海新區，且離海邊約40 km的一處內陸開闊地帶。

試驗所用儀器：2臺海星達H32型接收機(RTK的平面定位精度：±(10 mm+1×10-6D))，2臺Hemisphere R330型接收機(平面定位精度：±0.3 m)，1臺合眾思壯G10A型接收機(平面定位精度：①常規RTK：±(8 mm+1×10-6D)；②中國區域的精度：±(5～12 cm))。

本次試驗是將1臺海星達H32型接收機架設在一個已知點上作為基準站，其余接收機均任意設站，其中另1臺海星達H32型接收機采集常規RTK差分數據，2臺Hemisphere R330型接收機分別采集Beacon信標差分數據和日本MSAS星站差分數據，1臺合眾思壯G10A型接收機采集中國精度ChinaCM星站差分數據。所有接收機連續采集1 h，采樣頻率均為1 Hz。

2.1.2 試驗結果與分析

圖1～圖4分別為本次在陸地(離海邊約40 km)試驗的RTK常規差分、Beacon信標差分、MSAS星站差分和ChinaCM星站差分的定位點云圖。表1為本次試驗的坐標及點位中誤差。

圖1 陸地RTK常規差分定位點云圖

圖2 陸地Beacon信標差分定位點云圖

(說明：與數學坐標系相反，圖中為測量坐標系，豎軸為X軸。)

圖3 陸地MSAS星站差分定位點云圖

圖4 陸地ChinaCM星站差分定位點云圖

表1 陸地試驗的坐標及點位中誤差 m

在圖1～圖4中，點云圖都以6個同心圓為參考背景，圖1和圖4的最大同心圓半徑分別為2.4 cm和6.0 cm，圖2和圖3的最大同心圓半徑均為1.2 m。從圖1～圖4可以看出：在離海邊約40 km的內陸，RTK的離散度最小，點云基本都集中在2.0 cm以內，與常識相符；ChinaCM的離散度次之，其X方向有極少數超過6.0 cm，Y方向都在4.0 cm以內；Beacon的離散度最大，其X方向有少數超過1.2 m ，Y方向都在1.0 m以內；MSAS的定位點云是沿著一條明晰的連續曲線漂移，其漂移曲線的范圍為X方向在1.1 m以內，Y方向在0.7 m以內。

從表1中可以得知，RTK和ChinaCM的點位中誤差均在厘米級，分別為±1.0 cm和±2.5 cm；Beacon和MSAS的點位中誤差均在分米級，分別為±6.41 dm和±4.92 dm。

2.2 實測試驗2

2.2.1 試驗儀器及方法

在本次和下次試驗中，RTK常規差分方法不再參與試驗。

本次試驗地點位于天津市濱海新區的一處海岸邊上。與試驗1相比，除了不再用2臺海星達H32型接收機以外，試驗所用儀器、儀器的采集時間和采樣頻率均與試驗1相同。

2.2.2 試驗結果與分析

圖5～圖7分別為本次在海岸邊試驗的Beacon信標差分、MSAS星站差分和ChinaCM星站差分的定位點云圖，表2為海岸邊試驗的坐標及點位中誤差。

在圖5～圖7中，點云圖亦都以6個同心圓為參考背景，圖5和圖6的最大同心圓半徑均為0.9 m，圖7的最大同心圓半徑為4.2 cm。

圖5 海岸邊Beacon信標差分定位點云圖

圖6 海岸邊MSAS星站差分定位點云圖

圖7 海岸邊ChinaCM星站差分定位點云圖

表2 海岸邊試驗的坐標及點位中誤差 m

從圖5～圖7可以看出：在靠近海岸邊上，ChinaCM的離散度最小，除了極個別以外，基本都在4.2 cm以內；Beacon的離散度還是最大，除了極個別以外，基本都在0.9 m以內；MSAS的定位點云亦是沿著一條明晰的連續曲線漂移，其漂移曲線的范圍為X方向在0.6 m以內，Y方向在0.3 m以內。

從表2中可以得知：ChinaCM的點位中誤差為厘米級，為±1.7 cm；Beacon和MSAS的點位中誤差均在分米級，分別為±3.83 dm和±3.31 dm。這3種差分定位方法在海岸邊比其在內陸的點位中誤差都要小(參看表1)。

2.3 實測試驗3

2.3.1 試驗儀器及方法

本次試驗地點位于渤海海域且離岸約80 km的一座海洋石油鉆井平臺上。試驗所用儀器、儀器的采集時間和采樣頻率均與試驗2相同。

2.3.2 試驗結果與分析

圖8～圖10分別為本次在海上試驗的Beacon信標差分、MSAS星站差分和ChinaCM星站差分的定位點云圖。

圖8 海上Beacon信標差分定位點云圖

圖9 海上MSAS星站差分定位點云圖

圖10 海上ChinaCM星站差分定位點云圖

表3 海上試驗的坐標及點位中誤差 m

在圖8～圖10中，點云圖亦都以6個同心圓為參考背景，圖8的最大同心圓半徑為2.4 m，圖9的最大同心圓半徑為3.6 m，圖10的最大同心圓半徑為24 cm。從圖8～圖10可以看出:在離岸約80 km的海上，還是ChinaCM的離散度最小，除極少數以外，基本都在24 cm以內；Beacon的離散度的最大范圍比MSAS的要小，X方向在2.0 m以內，Y方向在1.2 m以內；MSAS的定位點云是沿著一條明晰的具有一定直線度的連續曲線漂移，其漂移曲線的范圍為X方向在3.6 m以內，Y方向在2.4 m以內。

從表3中可以得知， Beacon、MSAS 和ChinaCM的點位中誤差均為分米級，它們分別為±6.29 dm、±4.07 dm和±1.06 dm。Beacon和MSAS與它們在內陸的點位中誤差相當，但比它們在海岸邊的點位中誤差要大(參看表1和表2)，ChinaCM比其在內陸和海岸邊的點位中誤差都要大得多(參看表1和表2)。

3 結束語

1)RTK、Beacon、MSAS、ChinaCM這4種差分定位方法中，還是RTK常規差分的精度最高(點位中誤差在厘米級：±1.0 cm;定位點云范圍在2.0 cm以內)，但眾所周知其作用范圍較小(10 km)，因此，對于離岸線較近且要求定位精度較高的海洋測繪，可以考慮采用此方法。

2)Beacon信標差分定位的精度為分米級，其最優精度在海岸邊：點位中誤差為±0.383 m，定位點云范圍在1.0 m以內；在離岸40 km的內陸和離岸80 km的海上，其點位中誤差基本相當，分別為±0.641 m和±0.629 m，定位點云范圍分別為1.4 m和2.0 m。

3)MSAS星站差分定位的精度為分米級，最優精度亦在海岸邊：點位中誤差為±0.331 m，定位點云范圍在0.6 m以內，在離岸40 km的內陸和離岸80 km的海上，其點位中誤差分別為±0.492 m和±0.407 m，定位點云范圍分別為1.1 m和3.6 m。另外，MSAS星站差分定位有一個不同于其它幾種方法的特性：MSAS的定位點云

是沿著一條明晰的連續曲線漂移，由此可以認為，即在較短的時域內，它具有較高的內符合定位精度。

4)ChinaCM星站差分在離岸40 km的內陸和海岸邊的定位精度均為厘米級，其點位中誤差分別為±2.5 cm和±1.7 cm，定位點云范圍基本在6.0 cm和4.2 cm以內；在離岸80 km的海上的定位精度為分米級：點位中誤差為±1.06 dm，定位點云范圍基本在2.4 dm以內。

5)由于在離岸超過300 km的海上，本次試驗未能找到固定平臺或穩固不定的儀器架設點，因此無法進一步測試或驗證Beacon、MSAS和ChinaCM，相信Beacon將不能使用，MSAS能繼續使用但其精度怎樣？而ChinaCM是否能繼續使用？精度又如何？值得進一步試驗研究。

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