尹子明，劉天恒，張樹為，周潤(rùn)楊，閆建巧

(1.91431部隊(duì)， 廣東　湛江　524005；2.信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院，河南　鄭州　450001)

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BDS地基增強(qiáng)系統(tǒng)單雙模定位性能比較

尹子明1,2，劉天恒2，張樹為2，周潤(rùn)楊2，閆建巧2

(1.91431部隊(duì)， 廣東湛江524005；2.信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院，河南鄭州450001)

為了進(jìn)一步研究BDS地基增強(qiáng)系統(tǒng)，針對(duì)鄭州BDS地基增強(qiáng)系統(tǒng)的服務(wù)時(shí)效性、實(shí)時(shí)靜態(tài)定位精度、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位精度，在單GPS和BDS/GPS 2種模式下對(duì)定位測(cè)量精度、內(nèi)符合精度、外符合精度和初始化時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試分析。測(cè)試結(jié)果表明，相比較GPS地基增強(qiáng)系統(tǒng)而言，利用BDS/GPS差分?jǐn)?shù)據(jù)的流動(dòng)站初始化時(shí)間明顯縮短，定位精度也有一定程度的提高，實(shí)時(shí)精密定位水平精度達(dá)到2 cm，高程精度達(dá)到4 cm。

BDS；地基增強(qiáng)系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)RTK；定位精度

0　引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)能夠?yàn)橹袊?guó)及其周邊地區(qū)提供導(dǎo)航、定位、授時(shí)以及短報(bào)文通信服務(wù)。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (global navigation satellite system，GNSS)在個(gè)人導(dǎo)航定位、航空航天、測(cè)繪等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用；但目前衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性、可靠性、定位精度難以滿足用戶對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)日益增長(zhǎng)的需求[1]?？栈鰪?qiáng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)定位精度僅能達(dá)到m級(jí)至亞m級(jí)。連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)綜合系統(tǒng)(continuously operating reference stations，CORS)實(shí)時(shí)定位精度可以達(dá)到cm級(jí)，但也存在一些問題：應(yīng)用在國(guó)家高精度定位領(lǐng)域的安全隱患；服務(wù)行業(yè)有限，僅服務(wù)于測(cè)繪、城建、地震等專業(yè)行業(yè)。因此迫切需要建設(shè)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的BDS地基增強(qiáng)系統(tǒng)[2]。BDS地基增強(qiáng)系統(tǒng)(ground-based augmentation systems，GBAS)是利用地面增強(qiáng)站向用戶發(fā)送差分定位數(shù)據(jù)來提高導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航定位精度，提高了系統(tǒng)的可靠性，并增強(qiáng)了系統(tǒng)的完好性監(jiān)測(cè)[3]。

文獻(xiàn)[4]對(duì)地基增強(qiáng)系統(tǒng)在飛機(jī)著陸中的應(yīng)用做了仿真分析；文獻(xiàn)[5]等測(cè)試了單全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)模式下的長(zhǎng)江干線連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)精度、可用性等；文獻(xiàn)[6]中研究了格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GLONASS)對(duì)法國(guó)國(guó)家CORS網(wǎng)的影響；文獻(xiàn)[7]也對(duì)GLONASS加入GPS CORS網(wǎng)是否提高了北美參考系精度進(jìn)行了分析。

本文基于河南省地基增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)單GPS和BDS+GPS 2種模式下的系統(tǒng)性能進(jìn)行了測(cè)試，并比較分析河南省BDS地基增強(qiáng)系統(tǒng)的定位性能。

1　地基增強(qiáng)系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)簡(jiǎn)介

河南省BDS地基增強(qiáng)系統(tǒng)由參考站網(wǎng)(含移動(dòng)參考站)、數(shù)據(jù)處理與控制中心、用戶設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)組成。參考站網(wǎng)是系統(tǒng)基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)處理與控制中心是核心，用戶設(shè)備是關(guān)鍵[8-9]。系統(tǒng)目標(biāo)是建立覆蓋全省的參考站網(wǎng)，系統(tǒng)能夠同時(shí)接收BDS、GPS的衛(wèi)星信號(hào)，能夠?yàn)橛脩籼峁?～2 m、dm級(jí)的導(dǎo)航定位服務(wù)，以及cm級(jí)至mm級(jí)的精密定位服務(wù)。鄭州BDS地基增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為河南省BDS地基增強(qiáng)系統(tǒng)的一期建設(shè)，包括由鄭州站、登封站、鞏義站、鳳泉站、博愛站、開封站組成的參考站網(wǎng)，覆蓋范圍為鄭州全市，系統(tǒng)實(shí)時(shí)定位精度在水平方向優(yōu)于5 cm，高程方向優(yōu)于10 cm。

BDS地基參考站網(wǎng)主要由GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站和移動(dòng)參考站組成，重點(diǎn)負(fù)責(zé)提供GNSS高精度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流、原始觀測(cè)文件等導(dǎo)航應(yīng)用的基礎(chǔ)性、公共性、關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息。其中移動(dòng)參考站提供臨時(shí)參考站的功能，是地基增強(qiáng)系統(tǒng)連續(xù)提供服務(wù)的一種必要備份手段，具有網(wǎng)點(diǎn)應(yīng)急加密、空白區(qū)域填補(bǔ)、緊急情況下替代固定站的作用。移動(dòng)參考站可以快速機(jī)動(dòng)地布設(shè)于需要的位置，發(fā)揮應(yīng)急機(jī)動(dòng)的效能。

數(shù)據(jù)處理與控制中心作為系統(tǒng)應(yīng)用的數(shù)據(jù)交換、信息共享、產(chǎn)品生成、標(biāo)準(zhǔn)管理的樞紐平臺(tái)，是一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)航綜合服務(wù)平臺(tái)。數(shù)據(jù)處理與控制中心形成3類主要產(chǎn)品和服務(wù)：①提供北斗信息、精密定位差分信息、導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)產(chǎn)品；②根據(jù)建設(shè)步驟及合作戰(zhàn)略協(xié)議，匯集整理各行業(yè)各部門基于位置的信息，進(jìn)行分類管理，并按照授權(quán)與協(xié)議，向指定用戶開放共享；③研究和制定基于本系統(tǒng)的BDS衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，為應(yīng)用服務(wù)規(guī)范提供參考，提高信息共享和互聯(lián)互通能力。

用戶設(shè)備主要指用戶終端接收設(shè)備，它是一個(gè)非固定的系統(tǒng)，是可以擴(kuò)展的系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)處理與控制中心中加入相應(yīng)的服務(wù)計(jì)算即可擴(kuò)展出一種新的用戶服務(wù)，用戶可根據(jù)需求不同，定制不同的應(yīng)用[10]。

網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)主要分為3部分：一部分用于連接參考站到服務(wù)中心的有線傳輸；一部分用于連接數(shù)據(jù)處理與控制中心到用戶的無線傳輸；另外部分用于連接分系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)處理與控制中心通過有線寬帶連接到互聯(lián)網(wǎng)，具有一個(gè)公網(wǎng)靜態(tài)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(internet protocol，IP)地址和域名，可以供實(shí)時(shí)用戶和事后用戶進(jìn)行訪問、獲取服務(wù)和數(shù)據(jù)。

1.2誤差分析

地基增強(qiáng)系統(tǒng)差分定位技術(shù)就是利用參考站的觀測(cè)數(shù)據(jù)(包括衛(wèi)星原始觀測(cè)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù))對(duì)參考站網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)的、與時(shí)間空間相關(guān)的各項(xiàng)誤差進(jìn)行估計(jì)，然后移動(dòng)用戶再利用這些誤差估計(jì)值與其原始觀測(cè)值進(jìn)行差分定位，從而提高測(cè)量精度、縮短測(cè)量時(shí)間[11]。地基增強(qiáng)系統(tǒng)差分定位獲得固定解可靠性為95%～99%。地基增強(qiáng)系統(tǒng)差分定位對(duì)衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘差、電離層、對(duì)流層、固體潮、相對(duì)論效應(yīng)等誤差進(jìn)行了有效的削弱；但同樣也引入了一些新的誤差，如參考站坐標(biāo)誤差、數(shù)據(jù)通訊誤差、數(shù)據(jù)中心解算軟件誤差、流動(dòng)站解算軟件誤差等[12]。

2　性能分析

2.1實(shí)時(shí)定位精度評(píng)估方法

實(shí)時(shí)定位精度測(cè)試可以分為定位測(cè)量精度評(píng)定、內(nèi)符合精度評(píng)定和外符合精度評(píng)定。測(cè)量精度反映用戶端使用差分?jǐn)?shù)據(jù)后進(jìn)行單次位置解算的精度，可以直接從實(shí)時(shí)相對(duì)定位 (real-time kinematic，RTK)設(shè)備的測(cè)量結(jié)果中獲??；內(nèi)符合精度可以反應(yīng)出定位結(jié)果的收斂情況；外符合精度直接反映出系統(tǒng)實(shí)時(shí)定位的精度[13]。

1)內(nèi)符合精度

(1)

2)外符合精度

(2)

將測(cè)點(diǎn)已知成果(2000國(guó)家大地坐標(biāo)系)與各測(cè)點(diǎn)的RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，按式(2)即可求出各測(cè)點(diǎn)系統(tǒng)外符合精度。在動(dòng)態(tài)情況下，將事后動(dòng)態(tài)基線解的結(jié)果代替觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的真值，按式(2)即可求出外符合精度。

2.2動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度

分別于2015-09-28和2015-10-09進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)精度測(cè)試。在作業(yè)車上裝載中海達(dá)H32接收機(jī)與南方銀河1接收機(jī)，采樣率設(shè)為5s，利用車載行駛作業(yè)獲取固定解，車速為30～70km/h，根據(jù)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析導(dǎo)航定位精度。本次測(cè)試分為2組：第一組只接收GPS差分信息；第二組接收BDS+GPS差分信息，并對(duì)定位解算精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。在測(cè)試中還通過關(guān)閉登封站的數(shù)據(jù)服務(wù)對(duì)參考站網(wǎng)外的精度進(jìn)行了測(cè)試。圖1為動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)試的行進(jìn)路線在數(shù)據(jù)中心用戶服務(wù)軟件上的軌跡顯示。

圖1　動(dòng)態(tài)測(cè)量軌跡圖

經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，動(dòng)態(tài)測(cè)量中平面測(cè)量精度平均值，單GPS模式為0.021m，BDS+GPS模式為0.014m；高程測(cè)量精度均值，單GPS模式為0.030m，BDS+GPS模式為0.026m。利用GrafNav軟件和原始觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算移動(dòng)站位置，再根據(jù)式(2)計(jì)算動(dòng)態(tài)測(cè)量中平面外符合精度，單GPS模式為0.031m，BDS+GPS模式為0.025m；高程外符合精度：?jiǎn)蜧PS模式為0.033m，BDS+GPS模式為0.036m。在動(dòng)態(tài)測(cè)量精度上，BDS+GPS模式比單GPS模式的平面精度略高，而高程精度大致相當(dāng)。

在10月9日8∶00—13∶00動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)試中，中海達(dá)H32的BDS+GPS模式測(cè)量精度及位置精度因子(positiondilutionofprecision，PDOP)變化如圖 2和圖 3所示。測(cè)試是在市區(qū)以及環(huán)城高速路上進(jìn)行的，由于建筑物的遮擋，在1 500～2 500歷元期間出現(xiàn)頻繁失鎖現(xiàn)象。從圖 2和圖 3可以看出，網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量時(shí)x、y、H方向上的精度與測(cè)量時(shí)的衛(wèi)星分布，即PDOP，具有很高的相關(guān)性。

圖2　動(dòng)態(tài)測(cè)試測(cè)量精度變化圖(BDS+GPS)

圖3　動(dòng)態(tài)測(cè)試PDOP變化圖(BDS+GPS)

2.3靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度

2015-10-10 UTC 11∶00—17∶00，在鄭州市GNSS基線場(chǎng)中選取2個(gè)點(diǎn)分別安放網(wǎng)絡(luò)RTK H32設(shè)備和南方銀河1設(shè)備，采樣率設(shè)為5 s，采用單GPS模式和BDS+GPS模式進(jìn)行觀測(cè)。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，靜態(tài)測(cè)量中平面測(cè)量精度平均值：?jiǎn)蜧PS模式為0.020 m，BDS+GPS模式為0.016 m；高程測(cè)量精度均值：?jiǎn)蜧PS模式為0.025 m，BDS+GPS模式為0.028 m。與動(dòng)態(tài)測(cè)量精度相比，靜態(tài)測(cè)量精度無明顯變化，BDS+GPS模式仍優(yōu)于單GPS模式。

通過式(1)和式(2)計(jì)算，靜態(tài)測(cè)量中平面內(nèi)符合測(cè)量精度，單GPS模式為0.013 m，BDS+GPS模式為0.008 m；高程內(nèi)符合精度，單GPS模式為0.017 m，BDS+GPS模式為0.011 m；靜態(tài)測(cè)量中平面外符合精度，單GPS模式為0.023 m，BDS+GPS模式為0.016 m；高程外符合精度，單GPS模式為0.018 m，BDS+GPS模式為0.028 m。無論是單GPS模式還是BDS+GPS模式，靜態(tài)外符合精度明顯優(yōu)于動(dòng)態(tài)外符合精度。

圖 4和圖 5為中海達(dá)H32的GPS+BDS模式靜態(tài)測(cè)量結(jié)果與真值之差以及PDOP的分布情況。

圖4　靜態(tài)測(cè)量與真值偏差變化(BDS+GPS)

圖5　靜態(tài)測(cè)量PDOP變化圖(BDS+GPS)

從圖中可以看出：整個(gè)測(cè)試過程衛(wèi)星可見性良好，未出現(xiàn)嚴(yán)重的失鎖現(xiàn)象；水平方向(x、y方向)相對(duì)真值的偏差變化趨勢(shì)具有一致性；y方向和H方向存在較為明顯的系統(tǒng)性偏差。

2種型號(hào)測(cè)試設(shè)備測(cè)試內(nèi)外符合精度如表 1所示。從測(cè)試結(jié)果中可以看出，無論是在靜態(tài)測(cè)量外符合精度還是在內(nèi)符合精度上，BDS+GPS模式比單GPS模式的平面精度略高，而高程精度大致相當(dāng)。

表1　定位精度統(tǒng)計(jì)表

2.4時(shí)效性

選取河南省鄭州市GNSS基線場(chǎng)中若干個(gè)點(diǎn)作為測(cè)試點(diǎn)，分別安放網(wǎng)絡(luò)RTK H32設(shè)備和南方銀河1設(shè)備。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)RTK設(shè)備分別選取GPS和GPS+BDS模式，每種模式初始化10次，并記錄初始化時(shí)間。每個(gè)型號(hào)的設(shè)備都使用2臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。從表2中可以看出：GPS+BDS模式比GPS模式初始化速度快，固定時(shí)間約縮短5 s，說明測(cè)區(qū)范圍內(nèi)增加使用BDS差分信息、增加共用衛(wèi)星數(shù)量可使接收機(jī)初始化速度明顯加快。

表2　初始化時(shí)間　s

3　結(jié)束語

鄭州地基增強(qiáng)系統(tǒng)建立了覆蓋鄭州市的兼容BDS與GPS的參考站，能夠?yàn)楹幽鲜》秶鷥?nèi)的用戶提供1～2 m、dm級(jí)的導(dǎo)航定位服務(wù)以及cm級(jí)至mm級(jí)的精密定位服務(wù)。在定位精度方面，該系統(tǒng)采用多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)虛擬參考站(virtual reference station，VRS) 技術(shù)實(shí)時(shí)精密定位水平精度達(dá)到2 cm，高程精度達(dá)到4 cm，精度指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。通過測(cè)試結(jié)果可以看出BDS+GPS的服務(wù)模式可以更加有效地利用衛(wèi)星資源，使衛(wèi)星星座構(gòu)成最佳的幾何結(jié)構(gòu)，從而滿足提高導(dǎo)航定位精度的需要。在全省范圍的地基增強(qiáng)系統(tǒng)完成后，還應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的服務(wù)范圍、系統(tǒng)服務(wù)的穩(wěn)定性等內(nèi)容進(jìn)行測(cè)試。

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Comparison of positioning performance of BDS ground-based augmentation system in different modes

YIN Ziming1，2，LIU Tianheng2，ZHANG Shuwei2，ZHOU Runyang2，YAN Jianqiao2

(1.Troops 524005，Zhanjiang，Guangdong 524005，China;2.College of Navigation and Aerospace Engineering，Information Engineering University，Zhengzhou，Henan 450001，China)

In order to further study on BDS GBAS，the location performance of BDS GBAS in Zhengzhou city，such as service timeliness，real-time static positioning accuracy and real-time dynamic positioning accuracy，was tested in the paper.The tests included positioning accuracy，inner accord precision，external accord accuracy and initialization time in the single GPS and BDS/GPS modes.Result showed that compared with GPS GBAS，the rover initialization time with differential data of BDS/GPS could be shortened and the positioning accuracy could be improved as the horizontal accuracy of 2 cm，and the altitude accuracy of 4 cm in the real-time high precision positioning.

BDS；GBAS；network RTK；positioning precision

2015-11-30

裝備預(yù)研基金項(xiàng)目(9140A24011314JB52001)。

尹子明(1990—)，男，河北定州人，碩士研究生，研究方向?yàn)榛诘鼗鰪?qiáng)系統(tǒng)的BDS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。

10.16547/j.cnki.10-1096.20160314.

P228

A

2095-4999(2016)03-0064-05

引文格式：尹子明，劉天恒，張樹為，等.BDS地基增強(qiáng)系統(tǒng)單雙模定位性能比較[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2016，4(3)：64-68.(YIN Ziming，LIU Tianheng，ZHANG Shuwei，et al.Comparison of positioning performance of BDS ground-based augmentation system in dfferent modes[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(3)：64-68.)