濱海新區連續運行衛星定位綜合服務系統定位精度 可靠性分析

姚曉偉，房新玉*，喻國榮

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所,天津 300456;2.天津水運工程勘察設計院 天津水運工程 測繪技術企業重點實驗室,天津 300456;3.東南大學 交通學院,南京 210018)

連續運行衛星定位基準站網系統(Contimuously Operating Reference Stations,CORS)是城市衛星導航定位技術應用的發展熱點之一，它是基于計算機網絡技術，現代移動通信技術、現代衛星導航定位技術、實時定位技術形成的導航與定位服務網絡，建設和維持著城市的坐標框架。CORS系統全天候、多功能、多用途、應用廣的特點，可全面提高地理空間三維基準數據的應用效果。

圖1 BHCORS基準站點分布圖Fig.1 Distribution diagram of BHCORS base station site

1 濱海新區CORS組成

濱海新區連續運行衛星定位綜合服務系統(BHCORS)由8個連續運行的參考站，1個數據中心組成，是一個高精度、三維、動態、多功能的現代化測繪基準體系。8個站點分別位于漢沽規劃展覽館樓頂，北塘塘沽測繪所樓頂，空港經濟區科技大廈樓頂，塘沽營口道財政局樓頂，水科所大型水動力試驗基地，規劃國土局大港三分局樓頂，南港邊防派出所樓頂，太平鎮派出所樓頂。數據中心在濱海塘沽站附近，位于規劃局信息中心(圖1)。

BHCORS系統在投入使用前，必須對系統定位精度可靠性進行檢驗，以確保用戶能夠放心使用。實時動態觀測值、靜態已知點檢測方法，后處理結果比較的檢測方法、動態規則幾何軌跡檢測方法、固定基線長度相對檢測方法[1-2]是常用的檢驗比較方法。本文通過對CORS定位精度指標測試方法進行全面的分析，并利用其中的3種方法對BHCORS系統進行分析，得出有益的結論。

2 CORS精度指標測試方法

2.1 靜態已知點檢測方法

通過在系統服務的區域內，在區域邊界、區域內部選取均勻的坐標精確的已知點，在已知點上架設用戶接收機，進行動態測量，然后進行數據處理，將處理結果與已知點進行比較分析，統計內符合精度、外符合精度，測試系統的定位精度指標[1]。

靜態已知點檢測方法不能完全反應其定位精度，主要原因有：①在測區內無已知點時，該測試方法無法使用；②該測試方法不能反映RTK流動站運動時定位精度；③不能正確反映測區不同外界條件下定位進度情況。

2.2 與后處理結果比較的檢測方法

通過將實時動態觀測值與靜態后處理結果進行比較，分析CORS動態定位精度[1]。

該方法適用于無已知點時，CORS系統定位精度可靠性的檢驗，但是，該方法有一定的局限性，檢測點的精度受到觀測數據質量、基線解算軟件的影響。

2.3 動態規則幾何軌跡檢測方法

動態規則幾何軌跡檢測方法適用于檢測運動狀態下GPS接收機的定位精度。該檢測方法將GPS接收機沿著軌跡已知的路線運動，同時以一定的采樣率進行測量，比較測量值的軌跡與已知軌跡之間的差值，從而分析運動狀態下接收機的定位精度[2-3]。

2.4 固定(已知)基線長度相對檢測方法

固定基線長度相對檢測方法通過將多臺GPS接收機之間的相對位置關系固定，從而使接收機之間的基線長度不變，然后在運動狀態下，多臺GPS接收機同時進行數據采樣，然后對GPS接收機之間的定位結果進行分析，并與實際基線進行比較，從而分析動態定位的相對精度[2]。

2.5 其他檢測方法

其他檢測方法有常規儀器比較法，不同時段檢測法，不同高程檢測法[3-8]。常規儀器檢測法是將RTK測量兩通視點之間的測距(高差)，與高精度全站儀(水準儀)測量的測距(高差)進行分析比較，評定CORS系統的定位精度。不同時段檢測法是通過將一天分為4個時段，各個時段在固定點上進行RTK動態測量，統計各個時段的精度，分析時段對CORS定位精度的影響；也可通過不同的季節在固定點上進行RTK動態測量，分析不同季節條件下CORS定位精度。不同高程檢測法通過不同高度的動態測量，分析高程變化對CORS定位精度的影響。

3 BHCORS定位精度測試與分析

3.1 BHCORS精度測試方法

BHCORS系統定位精度測試要求其精度指標能夠準確反映其可靠性，這就要求測試方法簡便易行，并能夠完整反映CORS的精度情況。而以上各種檢測方法中，動態規則幾何軌跡檢測方法和固定(已知)基線長度相對檢測方法檢測效果一致，但要求GPS嚴格沿著規定路線前進，檢測方式不如固定(已知)基線長度相對檢測方法靈活方便，故本次采用固定(已知)基線長度相對檢測方法進行檢測。常規儀器比較法，不同時段檢測法，不同高程檢測法僅能反應時間、高程等分項的精度；而靜態已知點檢測方法、與后處理結果比較分析整體反映CORS的精度，故本次采用這兩種檢測方法。

3.2 靜態已知點檢測

1)測試區域及方法。

本次檢測是在測區選擇51個坐標已知C級GPS點，動態測量采用RTK撥號方式進行。儀器設備采用TRIMBLE R8，測量模式采用控制點模式，采樣率為1 s，每180個歷元記錄一個定位結果，每點獨立觀測5次，每觀測一次后斷開連接，重新初始化后進行測量，并記錄初始化時間。

2)觀測成果的統計與分析。

(1)內符合精度的統計。

(1)

在連續運行參考站系統網絡RTK實時內符合精度統計中，計算每一個觀測點所有測量值的平均值，再將該平均值與每一測量值求差，進行內符合精度統計。其內符合精度統計結果如表1所示。

對動態測量的數據內符合精度進行頻率和正態分布分析，并繪制DX、DY、DZ方向的頻率和正態分布圖，如圖2。

從表1中可看出，內符合精度100%的測試點平面精度優于±2.0 cm，100%的測試點高程精度優于±2.0 cm。

從圖2可以看出，DX、DY、DZ3個方向的誤差均集中在±1 cm以內，內符合精度優良。

表1 實時動態測量內符合精度分布區間統計表Tab.1 Distribution interval statisticsTable of internal conforming accuracy for real time dynamic measurement

圖2 DX、DY、DZ方向頻率和正態分布圖Fig.2 Frequency and normal distribution diagram of DX，DY，DZ direction

(2)外符合精度統計

(2)

使用CGCS2000坐標系下該測試點的坐標為系統的最或然值，將各觀測值與最或然值求差，然后按式(2)進行系統的外符合精度統計。

對動態測量的數據外符合精度進行頻率和正態分布分析，并分別繪制DX、DY、DZ方向的頻率和正態分布圖，如圖3。

表2 實時動態測量外符合精度分布區間統計表Tab.2 Distribution interval statisticsTable of external conforming accuracy for real time dynamic measurement

圖3 DX、DY、DZ方向頻率和正態分布圖Fig.3 Frequency and normal distribution diagram of DX，DY，DZ direction

從圖3可以看出，DX、DY2個方向的誤差均集中在±2 cm以內，DZ方向的誤差分布集中在±5 cm以內，平面方向的外符合精度高于高程方向，外符合精度優良。從整體上看，該地區的內符合精度優于外符合精度。

3.3 與后處理結果比較分析

1)測試區域及方法。

本次實驗是在測區選擇18個坐標已知的C級GPS點，進行D級靜態觀測，數據采樣率為15 s，觀測時間為120 min，測量儀器采用TRIMBLE R8，采樣完成后進行靜態解算，將處理結果作為真值，與各點已知值進行比較。

動態測量采用RTK撥號方式進行。儀器設備采用TRIMBLE R8，測量模式采用控制點模式，采樣率為1 s，每180個歷元記錄一個定位結果，每點獨立觀測5次，每觀測一次后斷開連接，重新初始化后進行測量，并記錄初始化時間。

2)觀測成果的統計與分析。

與后處理結果差值比較分析統計表如表3所示。

表3 與后處理結果比較精度分布區間統計表Tab.3 Distribution interval statisticsTable of accuracy for comparison with the post-processing results

圖4 DX、DY、DZ方向頻率和正態分布圖Fig.4 Frequency and normal distribution diagram of DX，DY，DZ direction

對測量的數據外符合精度進行頻率和正態分布分析，并分別繪制DX、DY、DZ方向的頻率和正態分布圖，如圖4。

從表3和圖4可以看出，X方向、Y方向的誤差主要集中在±3 cm之間；Z方向的誤差主要集中在±4 cm之間,且統計結果在99.99%均在6 cm以內。外符合精度優良。

3.4 固定(已知)基線長度相對檢測

1)檢測方法。

固定基線長度檢測將2臺 GPS架設在一鋼管兩端固定點上，準確測量2點之間的距離，作為真值。鋼架繞中間支點進行轉動，轉動的同時2臺儀器以采樣率1 s進行實時動態定位，記錄定位結果，然后計算兩點間距離，與真值比較，得到觀測數據與真值的長度差，此長度反映了2臺接收機位置誤差的瞬時相關影響。

表4 固定基線長度差值分布區間統計表Tab.4 Distribution interval statisticsTable of difference for fixed baseline length

圖5 DS方向頻率和正態分布圖Fig.5 Frequency and normal distribution diagram of DS direction

2)觀測成果的統計與分析。

本次共測量197組數據，對各組數據進行統計。由于2臺接收機采用RTK模式進行測量，后處理時以秒為單位進行同步，存在兩臺接收機沒有嚴格同步情況，并以2倍中誤差為限差，超過2倍中誤差的觀測數據，可以認為同步較差的數據作為觀測粗差剔除。剔除粗差后的數據為181組，對該數據進行統計分析，固定基線長度檢測比較分析統計表如表4所示。

對固定基線長度差精度進行頻率和正態分布分析，繪制DS方向的頻率和正態分布圖(圖5)。

從表4和圖5 可以看出，長度方向的中誤差主要集中在±3 cm之間，精度比較優良。

固定基線長度相對檢測方法的優點：適用于CORS 覆蓋區域無固定檢測點定位精度檢測。但該檢測方法也有局限性，它只能夠反映固定基線邊長相對位置關系，不能反映坐標分量之間的相對關系，因此不能顯著反映CORS動態定位各分量之間的精度。

4 結論

CORS系統定位精度指標是CORS系統重要的考核指標之一，本文通過CORS系統用戶精度檢測方法的研究和在BHCORS的實際應用，可認為本文的檢測方法對多數CORS系統精度測試具有參考應用價值。實驗結果表明，BHCORS系統定位精度可靠性較高，平面坐標內符合精度為±1 cm之內，高程內符合精度在±1 cm之內；平面坐標外符合精度在±3 cm之內，高程外符合精度在±4 cm之內；長度方向的精度在±3 cm之內；且在該地區內外符合精度均勻，可以提供cm級實時定位。