陜西北斗CORS系統高精度定位性能評估方法

王海濤 王 維 成夏葳 楊夢佳 樊康堯

(1. 自然資源部大地測量數據處理中心 陜西 西安 710054;2. 自然資源部第二地形測量隊 陜西 西安 710054)

0 引言

衛星導航定位連續運行參考站系統(Conti-nuously Operating Reference Stations,CORS)能夠提供高精度、網格化、自動化、快速、可靠、有效的位置信息服務,廣泛應用于基礎測繪、交通運輸、環境監測、地理信息更新和國土資源調查、災害預警、氣象預報等[1-3]。隨著中國北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system，BDS)-3完成全球組網,與全球定位系統(global position-ing system,GPS)、格洛納斯衛星系統(global navigation satellite system,GLONASS)、伽利略衛星導航系統(Galileo satellite navigation system,GALILEO)共同組成全球導航衛星系統(global navigation satellite system,GNSS),CORS可以使用的衛星星座和衛星數的增加,提升了系統的固定率和穩定性[4-6]。劉洋洋從解算策略角度評估了BDS-3的B1C/B2a雙頻實時動態載波相位差分技術(real-time kinematic,RTK)的定位性能,模糊固定率優于99%[7]。張亮通過實驗分析BDS/GPS組合相對于單GPS、BDS,在高高度角下依然能夠提供大于8顆可見衛星數,使得全天候連續高精度定位得到保證[8]。糜曉龍對BDS-3和GALILEO組合的RTK定位性能分析顯示BDS-3和GALILEO組合的RTK定位性能相對于單BDS-3和GALILEO在模糊度固定成功率和定位精度上都有10%以上的提升[9]。眾多學者研究北斗三號對RTK定位精度和收斂時間影響大部分是根據實驗網和測試站進行實驗分析,表明BDS-3的加入定位精度具有明顯提高[10-12]。陜西北斗CORS系統通過軟硬件升級,已全面支持BDS-3和其他GNSS衛星系統,本文基于陜西北斗CORS設計控制點測量和長時間連續測量方案,同時對單北斗系統定位性能進行測試分析,全面評估陜西北斗CORS定位性能和BDS-3對系統的影響,系統的評估方法可為系統運行提供技術支持和運維指導。

1 方案設計與概況

1.1 系統概況與資料

陜西省北斗衛星導航定位基準站系統簡稱陜西北斗(SHX-BDCORS),共建設136座基準站,已為多家企事業單位、行業部門和科研機構提供了公益性、全天候、高精度實時位置服務,極大提升了陜西省衛星定位測量保障服務能力。2020年4月,系統完成軟硬件升級,整網支持BDS-2、BDS-3衛星信號的全部頻點(B1I、B1C、B2a、B2b、B3I),是我國首個支持全星座、全頻點、全北斗的高精度定位服務系統。系統運行初期布設4個測試點,采集8 h靜態觀測數據,靜態解算獲得高精度坐標,坐標精度如表1所示,N、E方向精度在1 mm左右,U方向在8 mm以內。

表1 靜態解算坐標精度統計 單位：mm

1.2 評估方法

1.2.1 陜西北斗CORS系統定位性能評估方案

根據RTK使用場景,本研究設計2類測試方式,一類是控制點測試包括方案一、方案二、方案三(表2),另一類是連續性測試為方案四、方案五(表3),方案間比較可以分析系統不同采樣間隔、不同歷元數量、不同星座系統與不同CORS系統間差異,綜合評估陜西北斗CORS系統的穩定性、可靠性、易用性。

表2 控制點測試方案

表3 連續性測試方案

1.2.2單北斗系統定位性能評估方案

開闊環境使用天寶接R10收機在固定點位分別采用全星座系統、單BDS-2系統和單BDS-3系統連續采集多個測回和歷元坐標成果,對數據進行分析。

1.3 儀器與設置

根據規范中對儀器精度要求[13-14],選擇天寶R10接收機,網絡RTK精度,水平±10 mm+0.5×D×10-6,高程±20 mm+0.5×D×10-6;南方極點接收機的動態精度,水平±8 mm+1×D×10-6,高程±15 mm+1×D×10-6,D為基線長度,單位為毫米。采用三角支撐對中桿架設接收機,根據方案要求進行設置衛星星座、采樣間隔,為了避免系統信號延遲和軟件初始化影響,操作斷開儀器與網絡RTK連接,實現測回間測量。

2 數據分析

2.1 陜西北斗CORS系統定位性能測試結果分析

2.1.1數據整理與不同采樣間隔分析

對方案一、二、三不同采樣間隔下各測回數據整理分析,計算每測回坐標平均值。根據規范要求[13],計算各測回間平均值較差最大值(3個測回中各方向最大值與最小值的差),如表4所示,在2 s、5 s、15 s測量間隔下,測回間N、E、U方向最大較差分別為1.6 cm、1.3 cm、3.4 cm均符合規范中各測回間平面和高程方向坐標較差應不大于4 cm的要求。3個測回的坐標平均值作為最終測量坐標結果。

表4 各方案不同采樣間隔測回間較差最大值統計 單位：cm

內符合精度：內符合精度是以估計最似然估值為比對基準,主要反映觀測值之間的離散度,即精密度,一般用標準差來度量[15]。極差是測量中最大值與最小值的差,是測量坐標序列中的最大波動量。計算方案一、二、三不同采樣間隔下極差和標準差以及不同采樣間隔平均值間互差最大值,因篇幅原因,只列出方案一統計結果如表5和表6所示。陜西北斗CORS系統網絡RTK性能設計指標：內符合精度平面≤3 cm,高程≤5 cm;外符合精度平面≤5 cm,高程≤10 cm。標準差顯示內符合精度符合陜西北斗CORS系統性能指標要求。平均值間較差最大值是2s、5s、15s間隔下N、E、U三個方向的平均值間最大差異值,可分析相同歷元數,不同采樣間隔下的差值大小。根據方案一到方案三不同采樣間隔下N、E、U三個方向的標準差值分析,得到在3個測回,不同采樣間隔對坐標精度的影響較小,無顯著差異和規律性,說明采樣間隔對結果的影響較小。

表5 方案一不同采樣間隔下坐標統計 單位：mm

表6 方案一2 s、5 s和15 s采樣間隔下坐標平均值互差最大值 單位：mm

由各方案中不同采樣間隔標準差得出相同測回和歷元數下,水平N、E方向坐標內符合精度均達到毫米級,由坐標序列圖可以看出在水平方向波動較小,結果穩定。高程方向精度均在20 mm以內,相對水平方向精度稍低。水平方向極差在30 mm以內,高程方向最大極差74 mm,表明高程方向波動較大,采用多歷元、多測回觀測可有效減少偶然誤差影響。

采集相同測回和歷元數,采樣間隔越大則耗時越長,通過以上對比分析可知,在15 s的采樣間隔,耗時增加,但與精度提高并成正相關。比較不同采樣間隔下平均值間較差水平方向均在5 mm以內,高程方向均在11 mm以內,表明坐標成果內符合精度較好,結果可靠。根據規范[13]要求采樣間隔應大于2 s,根據以上測試分析,表明采樣間隔設定在15 s內,在保證坐標精度的情況下,適當降低采樣間隔可以提高作業效率。

2.1.2歷元數量對坐標結果影響

方案一與方案二采用相同儀器和設置及衛星系統,采集3個測回,方案一每測回30個歷元,方案二每測回60個歷元,對比分析2 s、5 s、15 s采樣間隔下90個歷元和180個歷元的差異(圖1),可分析不同采樣間隔和歷元數量對定位結果的影響。統計兩種方案在水平和高程方向標準差差異,表明當90個歷元增加到180個歷元后部分點位的N、E、U方向測量標準差減小,說明內符合精度有所提升,但部分測點的某個方向標準差稍微增大,均在毫米級,也符合設計和規范要求,表明當觀測歷元達到一定數量時,其精度與歷元增加數量不成正比關系。由平均值之差得到坐標間差異水平方向在1.5 cm以內,高程方向在2 cm以內。綜上,在實際測量中我們根據規范進行控制測量時應不少于20個歷元,測量間隔大于2 s。

圖1 方案一中CHJ2點不同采樣間隔下N、E、U方向坐標變化

2.1.3不同星座組合定位結果分析

方案一采用三星系統(GPS+GLO+BDS),方案三采用雙星系統(GPS+BDS),比較分析三星系統與雙星系統的定位結果精度和差異。統計標準差和平均值差異如表7所示。由標準差之差可以看出雙星系統與三星系統在相同的觀測歷元和采樣間隔下坐標精度相差較小,水平方向最大為3.7 mm,高程方向最大為7.7 mm,均在毫米級,說明雙星系統與三星系統的測量精度相當,差異較小,測量過程中接收機顯示接收使用的GOLNASS系統衛星只有3～4顆,其對整體精度貢獻較小。比較平均值之差水平方向最大差值為18.4 mm,高程方向為25.4 mm,其差異也符合規范要求和系統設計指標。說明系統在雙星系統時也可以穩定運行并測得可靠坐標成果。

表7 方案一與方案三標準差之差統計表 單位：mm

2.1.4與高精度靜態成果比較分析

將方案一、二、三中不同采樣間隔的坐標平均值與靜態解算成果比較,顯示各點在N、E方向差異均小于4 cm,U方向均小于7 cm,外符合精度符合陜西北斗CORS設計精度指標要求。由于已知點的外業觀測是在2019年完成距本次測試已有2年時間,點位采用簡單的釘子標志,總體上各點位的外符合精度良好,具有一定的參考意義。

2.1.5不同CORS系統間比較

采用南方極點接收機在CHJ4點分別連接陜西北斗CORS系統和中國移動CORS系統連續觀測,設置采樣間隔1 s,理論上20 min可采集1200個歷元,實際存在歷元丟失情況,連接SHX-BDCORS賬號需要1211 s采集完成,連接中國移動CORS賬號需要1217 s采集完成。比較分析中國移動CORS與陜西北斗CORS成果差異和坐標時間序列波動以及易用性和可靠性。

對1200個歷元坐標,計算標準差、平均值與靜態解算成果對比,如表8所示,水平方向差異較小,高程方向平均值之差13.6 mm,高程方向采用SHX-BDCORS測量結果更接近靜態解算成果。從標準差來看水平方向精度都達到毫米級,高程方向均小于10 mm,中國移動CORS測得的坐標標準差較小,坐標序列穩定。測量過程中,南方極點接收機的手簿會因信號延遲超限停止采集數據,延遲達標后,繼續采集數據,結合其存在歷元缺失現象,推測在觀測過程中接收機會通過對信號質量進行監測來保證觀測結果的穩定與可靠。

表8 坐標標準差與平均值之差統計 單位：mm

2.1.6長時間連續觀測結果分析

采用南方極點接收機連接中國移動CORS全星座賬號,天寶R10接收機連接陜西北斗CORS三星系統,同時在空曠的樓頂連續觀測12 h以上,采樣間隔1 s,分析在同等環境下進行長時間測量的系統穩定性，數據采集見表9。

表9 數據采集情況

南方極點接收機的采集率只有92%存在明顯的歷元缺失,缺失時長最大13 s,同時存在1 s采集2個數據情況。天寶R10接收機采集率達到99%,不存在1 s采集多個數據情況,說明陜西北斗CORS系統運行穩定。由各方向標準差和極差來看(表10),南方極點接收機連接中國移動CORS優于天寶R10接收機連接陜西北斗CORS。

表10 極差和標準差統計 單位：mm

2.2 單北斗系統測試結果分析

開闊環境下在固定點位分別使用陜西北斗CORS系統的3星座系統、單BDS-2和單BDS-3系統進行數據采集。分析歷元坐標序列顯示：單BDS-3系統與3星座系統在N、E方向定位精度相當,在U方向的精度略低,但較單BDS-2系統在U方向提升30%～40%。如圖2所示。在復雜困難觀測環境下,BDS-2系統無法單獨定位的區域,加入BDS-3可以獲取固定解,同時也能提升3星系統下定位能力,但單BDS-3系統的固定時間明顯大于3星座系統。

圖2 單BDS-3系統下坐標變化圖

3 結束語

通過控制點測量、連續測量、單北斗系統測試等多種方案,結合已有資料和規范要求,對結果綜合分析得出以下結論：

(1)陜西北斗CORS系統定位性能穩定,結果可靠,使用方便,在實際測量中我們根據規范要求,進行控制測量時應不少于20個歷元,測量間隔大于2 s,既可得到符合要求的成果。

(2)陜西北斗CORS雙星系統與3星系統,固定解下均可獲得可靠穩定的坐標成果。單BDS-3系統與現行的3星系統進行RTK測量平面定位精度相當,高程方向精度略低,但相較于單BDS-2系統在高程方向精度具有明顯提升。

(3)中國移動CORS系統與陜西北斗CORS系統測量精度相當,SHX-BDCORS測量結果與靜態解算成果差異較小,在陜西省內開展測繪作業,建議使用陜西北斗CORS系統。