渤海灣及煙大航路區域BDS精密定位服務系統評估

鄔凌智，黃永軍，呂瑛炯，王閏成

（交通運輸部 北海航海保障中心，天津 300450）

0 引言

北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system， BDS）是我國擁有自主知識產權的衛星導航系統，作為中國沿海 BDS連續運行基準站系統（continuously operating reference stations， CORS）的一部分，渤海灣及煙大航路區域 BDS精密定位服務系統主要包括由曹妃甸、海河、天津港、黃驊港、黃白咀、北長山、北隍城、龍口、煙臺、威海等 10個基準站組成的基準站網（如圖 1所示）、1個北方海區數據處理服務中心、由連接基準站與海區數據處理服務中心的專網鏈路和連接用戶與海區數據處理服務中心的VPN無線虛擬通信網組成的數據通信系統、應用服務系統等 4大部分[1]。數據處理及服務采用PANDA系列軟件。在系統正式對外提供服務前，為確保渤海灣及煙大航路水域的港航用戶能獲得高質量、高可靠性的高精度導航定位服務，有必要對系統進行測試和精度評估，以確認是否符合設計要求。

圖1 基準站分布

1 系統測試

1.1 系統功能測試

1.1.1 系統設計功能測試

系統設計功能測試主要是測試系統的軟硬件功能是否達到系統設計要求，測試重點為運營管理、數據處理和信息服務等3項核心功能[2]。

運營管理功能測試主要包括：①能否支持接入國外內主流的硬件；②是否能接收數據處理服務中心通過遠程方式對基準站進行參數設定、運行控制及狀態檢查；③能否監測實時用戶和事后用戶的訪問情況，防止未授權訪問或惡意攻擊；④能否對區域電離層變化、基準站坐標位置進行中短期監測和評估，且在電離層活動異常、基準站坐標發生較大變化等情況發生時提示操作者和用戶；⑤能否監控實時和事后用戶使用情況，記錄各用戶的數據流量或使用時間，并以此為基礎結合政策法規建立運營機制；⑥能否正常實施用戶登記、注冊、撤消、查詢、權限管理；⑦能否在一定程度上適應基準站數量和用戶數量的增加，且滿足用戶管理數量≥3 000，同時在線數量≥1 000的設計要求。

數據處理功能測試主要包括：①能否正常進行基準站數據的實時接收、同步處理、實時基線解算，求解電離層、對流層等實時延遲量和基線殘差；②能否對區域電離層、對流層進行正常建模模，并對基準站接收機鐘差進行估計；③能否在收到流動站概略位置后計算出改正數據，并編碼發送給用戶；④能否對基準站精密坐標進行實時計算，以實現對基準站坐標的監控[3]。此外，還包括：①能否全天候 24 h連續實時采集 BDS三頻、全球定位系統（global positioning system， GPS）三頻、格洛納斯衛星導航系統（global navigation satellite system，GLONASS）雙頻3系統信號的載噪比、碼偽距、載波相位值、多普勒頻移、導航電文等數據，并將觀測數據進行本地存儲；②能否按約定的數據格式與數據發送機制，傳輸觀測數據、星歷數據、設備運行狀態數據、告警及故障數據或與之對應的數據文件。

信息服務功能測試主要包括：①能否通過無線通信網等方式向用戶提供實時定位服務；②能否通過文件傳輸協議（file transfer protocol，FTP）等方式在內網上提供基準站原始數據下載服務。

1.1.2 連續自動運行能力測試

作為一個自動連續運行的定位服務系統，自動控制、恢復和管理能力是系統的重要指標。自動運行能力測試主要包括基站自動運行能力測試和控制中心自動運行能力測試。基站自動運行能力測試主要包括設備檢查、數據傳輸、不間斷電源（uninterruptible power supply，UPS）測試、站點熱備冗余測試等。控制中心自動運行能力測試主要包括控制中心系統軟件的初始化時間等。系統初始化時間測試的方法是通過操作數據處理服務軟件，統計從斷開各基準站間的連接到系統完全恢復功能并開始生成差分信息的時間。站點熱備冗余測試的方法是通過斷開基準站利用功分器共用天線的2臺接收機中的一臺，查看另一臺能否繼續正常工作，以滿足站點熱備冗余要求。UPS不間斷電源測試的方法是斷開市電，查看 UPS能否繼續供電，且持續時間超過24 h。

1.2 系統性能測試

1.2.1 基準站坐標框架網解算與測試

為確保提供穩定可靠的高精度服務，必須獲得基準站精確坐標并持續確保其精確性，即需進行坐標框架網解算與定期檢核修復，具體方法就是將基準站網與國際 GPS服務組織（International GPS Service， IGS）跟蹤站進行聯測，用高精度基線解算軟件進行長基線解算，得到基準站的最新坐標[4]。本次測試委托國家測繪地理信息局大地測量數據處理中心進行解算，數據處理采用連續3 d的觀測數據。最終結果表明，基于2000國家大地坐 標 系 （ China geodetic coordinate system 2000，CGCS2000），CORS站南北分量的中誤差平均值為±0.7 mm，最大值為±0.9 mm，東西分量的中誤差平均值為±0.6 mm，最大值為±0.9 mm，高程分量的中誤差平均值為±2.6 mm，最大值為±4.0 mm，基線相對中誤差平均值為5.55×10-9，最大值為1.61×10-8，符合地心坐標的坐標分量絕對精度優于0.05 m，基線向量的坐標分量絕對精度優于3.00×10-8的設計要求。

1.2.2 兼容性測試

兼容性測試主要包括 3個方面的內容，即：衛星兼容性測試、通訊兼容性測試和接收機兼容性測試。衛星兼容性測試主要是驗證系統能否兼容 BDS B1、B2、B3，GPS L1、L2，GLONASS L1、L2等波段。通訊兼容性測試主要是驗證通過移動、聯通和電信等3大主流ISP的網絡是否均能接收系統服務。接收機兼容性測試主要是驗證系統能否兼容國內外主流廠商的設備，本次共測試了華測I80、南方銀河6、中海達IRTK3、天寶R10等4種國內市場上的主流接收機。從測試結果來看，系統兼容性良好，符合兼容主要導航衛星定位系統和主流廠商接收機的設計要求。為簡化測試工作、提高工作效率，后續測試均采用華測I80接收機。

1.2.3 空間可用性測試

考慮到本系統的建設目的和服務對象，空間可用性測試分為陸上車載全球衛星導航系統(global navigation satellite system， GNSS)動態定位測試和海上船載GNSS動態定位測試2個部分。通過統計定位結果的固定解和浮動解比例，可以有效評價系統的空間可用性[5]。

1）陸上車載GNSS動態定位測試結果統計

測試路線（如圖2所示）分為渤海灣線（曹妃甸—天津—黃驊）、山東線（龍口—蓬萊—煙臺—威海）、遼東線（旅順—大連），均處在系統設計覆蓋范圍內。統計結果如圖3所示，各線空間可用性均超過95 %，符合可用性優于95 %的設計要求。

圖2 陸上車載測試設備安裝及測試軌跡

圖3 渤海灣線、山東線、遼東線統計結果

2）海上船載GNSS動態定位測試結果統計

測試路線（如圖4所示）分為曹妃甸—天津港線、蓬萊—北隍城線、煙大航路線，均處在系統設計覆蓋范圍內。統計結果（煙大航路部分水域因缺乏網絡信號覆蓋而無法獲得服務，不納入統計）如圖5所示，各線空間可用性均超過95 %，符合可用性優于95 %的設計要求。

圖4 海上船載測試設備安裝及軌跡

圖5 曹妃甸—天津港線、蓬萊—北隍城線和煙大航路線統計結果

1.2.4 時間可用性測試

時間可用性分為全天可用性和全年可用性，統計前者可得到后者[5-11]。由于系統初建，本次測試只對全天可用性進行測試。測試方法是在渤海灣區域和煙大航路區域各選擇 1個控制點以 GPS+BDS+GLONASS定位模式連續觀測24 h，然后對采集的數據進行整理統計，比較定位的穩定性及可靠性。測試結果如圖6所示，可用性超過95 %，符合可用性優于95 %的設計要求。

圖6 時間可用性測試結果統計

1.2.5 定位服務時效性測試

一般通過統計實時動態（real-time kinematic，RTK）初始化時間來評估定位服務的時效性[10-13]。各控制點實時RTK定位初始化時間見圖7，各控制點在 BDS、GPS+GLONASS和 BDS+GPS+GLONASS 3種定位模式下的平均初始化時間為4 s，最大值為 6 s，其中 BDS+GPS+GLONASS略優于 GPS+GLONASS，而GPS+GLONASS又略優于BDS，但3種模式均可為用戶提供正常的定位服務。

圖7 實時定位RTK平均初始化時間統計

1.2.6 流動站用戶并發性測試

主要測試當數據處理服務中心接入一定數量的用戶時，數據處理服務軟件能否穩定、可靠運行，且有效地提供網絡RTK數據服務。測試過程中，同時接入總數為1001個的真實和虛擬用戶進行壓力測試，系統能正常運行，且用戶均能正常獲得固定解，表明系統滿足至少支持1000個用戶同時在線并發的設計要求。在這1001個用戶中：32個是真實用戶，使用的是不同廠家（華測、南方、中海達和天寶）的GNSS接收機；969個為電腦和手機端虛擬用戶，其中電腦端軟件為華測VRS計算機接收器，手機端軟件為華測測地通（LandStar）7.2版，從遼東半島、渤海灣或山東半島的不同沿海城市，通過電信、聯通或移動網絡，使用傳輸控制協議(transmission control protocol，TCP)登陸系統。

2 精度評估

2.1 陸上靜態定位精度評估

陸上靜態精度評估采用靜態已知點檢測法。通過在系統定位覆蓋區域內選擇具有代表性的坐標精確已知的網內和網外檢測點，進行網絡RTK實時定位，對結果進行統計分析，得到在檢測點實時定位的內、外符合精度情況，可對陸上靜態定位精度做出評估[14]。其中內符合精度反映系統定位的穩定性，外符合精度反映系統定位的準確性[15]。

本次測試在系統覆蓋范圍內選擇20個點，其中10個網內點、10個網外點。測試過程需要進行2次重新連接和重新初始化，采樣率為1 s，得到固定解即開始記錄測量結果，連續記錄120個以上測量值和連接、初始化時間作為一組測試數據，然后網絡斷開重新連接并記錄另外一組數據，按此方法測試3次，共記錄3組數據。內、外符合精度統計結果如圖8所示，滿足平面優于0.05、高程優于0.10 m的設計要求。

圖8 實時定位RTK內、外符合精度統計

2.2 事后靜態精密定位精度評估

觀測方法同2.1節，只是在內業處理時將流動站與相關基準站的觀測數據一起處理，通過對事后解算結果與控制點的已知坐標的差值進行統計分析，計算外符合精度，即可對系統定位精度做出評定。本次測試共測設10個控制點，其中網內點5個、網外點5個，統計結果如圖9所示（單位：m），控制點事后精密定位精度均滿足平面優于0.02、高程優于0.04 m的設計要求。

圖9 事后精密定位精度統計

2.3 動態定位精度評估

采用固定基線長度相對檢測方法，在作業車輛或船舶上架設 2個同一廠家同批次生產的用戶接收機，計算相同時間內2臺接收機設備之間的基線長度，其結果與事先通過鋼尺量測得到的2臺設備之間的距離的差值進行統計分析，計算內外符合精度[16]。車載動態定位精度統計結果見圖10（圖10(c)至圖10(e)中橫坐標為固定解點序號），船載動態定位精度統計結果見圖11（圖11(c)至圖11(e)中橫坐標為固定解點序號），同時相對RTK內、外符合精度均小于0.05 m，符合實時定位精度水平優于0.05 m的設計要求。

圖10 車載動態定位內外符合定位精度統計

圖11 船載動態定位內外符合定位精度統計

3 結束語

渤海灣及煙大航路區域 BDS精密定位服務系統的建成，標志著中國沿海地區海上定位精度首次進入厘米時代，是BDS在國際海事領域的產業化和國際化發展的一個重要里程碑，對保障船舶航行安全、提高航運效率、助推經濟發展具有重要意義。

本文論述了該系統功能測試、性能測試和精度評估的內容、方法和結果，對系統功能和性能水平進行了論證，為下一步對外服務提供了科學保證。

由于系統建成時間不長，運行數據積累有限，加之測試時間有限，一些測試尚無法或未來得及開展，有待后續進一步完善，如基準站穩定性測試（定期監測和復測）、基準站高等級水準聯測、更廣泛的邊界（有效服務范圍）測試和CORS服務年可用性評估等。