摘要：天津市三系統(tǒng)多頻多模北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)從流動(dòng)站兼容性測試、網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度測試、網(wǎng)絡(luò)RTK長時(shí)間連續(xù)觀測精度測試、惡劣環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度測試等多個(gè)方面對系統(tǒng)的服務(wù)能力進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明，天津市三系統(tǒng)多頻多模北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)可以穩(wěn)定可靠地為用戶提供平面2-3厘米，高程優(yōu)于5厘米的高精度位置服務(wù)，天津市三系統(tǒng)多頻多模北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的順利建成，為我國北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供了寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：天津市，北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，三系統(tǒng)，多頻多模

中圖分類號：P228 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1001-9138-（2016）09-0044-51 收稿日期：2016-07-11

1 引言

GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)（Continuously Operating Reference System，CORS），是在較大區(qū)域內(nèi)根據(jù)客觀需求及條件，基于差分GNSS技術(shù)建立的連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)絡(luò)，可以在較大區(qū)域內(nèi)向大量用戶全自動(dòng)實(shí)時(shí)提供高精度、高可靠性的位置信息服務(wù)和時(shí)間信息服務(wù)，是獲取空間數(shù)據(jù)和地理特征的現(xiàn)代信息基礎(chǔ)設(shè)施之一。

當(dāng)前，我國絕大部分省市都已建成并運(yùn)行著CORS系統(tǒng)，北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的建設(shè)，一般在已有CORS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，更換升級三系統(tǒng)設(shè)備以及數(shù)據(jù)處理管理軟件，利用已有基礎(chǔ)設(shè)施開展北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的建設(shè)，節(jié)約大量資金。

2 天津市北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)概況

天津市北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)是由天津市國土資源測繪和房屋測量中心牽頭組織，在原有的天津國土資源GPS專用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過將天津市部分區(qū)域基準(zhǔn)站硬件設(shè)備以及CORS中心系統(tǒng)軟件進(jìn)行三系統(tǒng)升級改造，形成了覆蓋天津市靜海、津南、北辰以及濱海新區(qū)等地的兼容BDS/GPS/GLONASS的三系統(tǒng)多頻多模北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)。

2.1 天津國土資源GPS專用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

天津國土資源GPS專用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)于2008年7月開建，2009年10月正式投入運(yùn)行，是天津市國土資源和房屋管理的重要空間基礎(chǔ)設(shè)施，是支撐基礎(chǔ)測繪、“一張圖”建設(shè)與更新維護(hù)、土地利用監(jiān)管、土地資源調(diào)查、權(quán)屬調(diào)查、登記發(fā)證等業(yè)務(wù)順利開展的重要技術(shù)手段，建設(shè)成果通過國家測繪地理信息局鑒定，獲得行業(yè)權(quán)威認(rèn)可。

2.2 天津市北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)

2012年8月至今，為大力推動(dòng)北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)在國土資源和房屋管理等行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。針對CORS系統(tǒng)使用需求較大的地區(qū)，采取優(yōu)先升級的策略，有重點(diǎn)、分批次地將天津市津南、靜海等地的8個(gè)單GPS基準(zhǔn)站升級為兼容BDS/GPS/GLONASS的三系統(tǒng)基準(zhǔn)站設(shè)備，CORS中心軟件升級為東南大學(xué)自主研發(fā)的支持BDS/GPS/GLONASS的三系統(tǒng)融合解算軟件（EarthnetV2.0），升級后的天津CORS網(wǎng)型圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)核心算法

天津市三系統(tǒng)多頻多模北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)軟件EarthNetV2.0是東南大學(xué)3S技術(shù)研發(fā)中心自主研發(fā)的高精度、多星座CORS系統(tǒng)軟件，其全面支持Ntrip協(xié)議以及RTCM標(biāo)準(zhǔn)差分協(xié)議，可為網(wǎng)絡(luò)RTK用戶提供實(shí)時(shí)厘米級精度的定位服務(wù)。軟件主要由數(shù)據(jù)播發(fā)、數(shù)據(jù)處理、用戶管理、基站管理和數(shù)據(jù)存儲等5個(gè)功能模塊組成，能實(shí)時(shí)獲取基準(zhǔn)站衛(wèi)星觀測信息、導(dǎo)航信息及移動(dòng)終端用戶的坐標(biāo)信息，通過基站間模糊度解算及區(qū)域大氣誤差建模等相關(guān)算法，最終提供移動(dòng)終端用戶精確的定位信息。該軟件的主要算法包括：

（1）網(wǎng)絡(luò)RTK用戶定位服務(wù)：EarthNetV2.0利用Ntrip協(xié)議，支持用戶采用網(wǎng)絡(luò)RTK、網(wǎng)絡(luò)RTD、RTK、RTD等接入方式，以及RTCM2.3、RTCM3.1等差分?jǐn)?shù)據(jù)協(xié)議類型，兼容不同流動(dòng)站設(shè)備，并為不同流動(dòng)站提供平面3厘米、高程5厘米的實(shí)時(shí)定位精度以及1厘米的事后解算精度，同時(shí)也提供分米級、亞米及1-3米多種精度差分服務(wù)。EarthNet2.0的厘米級網(wǎng)絡(luò)RTK是基于VRS的網(wǎng)絡(luò)差分系統(tǒng)，差分改正主要分為兩步：首先計(jì)算出虛擬參考站的偽距、載波相位觀測值；然后依據(jù)RTCM協(xié)議生成標(biāo)準(zhǔn)格式的載波相位差分改正數(shù)據(jù)，并通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊鏈路發(fā)給移動(dòng)站實(shí)現(xiàn)高精度定位。

網(wǎng)絡(luò)RTK的VRS網(wǎng)絡(luò)差分基準(zhǔn)站采用多頻多模GNSS接收機(jī)，至少由3個(gè)組成。因?yàn)榛鶞?zhǔn)站的精確坐標(biāo)已知，故站星距可以精確求得，虛擬載波相位觀測值最關(guān)鍵的內(nèi)容是精確估計(jì)GNSS信號與虛擬參考站之間的大氣延遲值，通過結(jié)合參考站數(shù)據(jù)的大氣延遲和位置信息建立區(qū)域誤差模型，然后進(jìn)行內(nèi)插得到虛擬參考站的相位觀測值：

式（1）中，為虛擬站載波相位觀測值；為載波波長；為地面參考站和虛擬站到衛(wèi)星之間的距離單差；為內(nèi)插所得誤差項(xiàng)；為電離層的傳播延遲單差值；為對流層的傳播延遲單差值；為載波相位觀測值模糊度單差值；

根據(jù)式（1）就能求出虛擬參考站的載波相位觀測值，其中，電離層采用VETC多項(xiàng)式模型估計(jì)，對流層采樣天頂對流層延遲模型估計(jì)。數(shù)據(jù)處理中心將虛擬參考站的載波相位觀測值單差后，將其和虛擬站的坐標(biāo)進(jìn)行RTCM編碼，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至流動(dòng)站。因?yàn)樘摂M參考站與流動(dòng)站之間距離很短，所以利用虛擬觀測值與流動(dòng)站觀測值進(jìn)行常規(guī)RTK方法定位時(shí)，可以達(dá)到厘米級定位結(jié)果。

（2）兼容北斗的多星座基站數(shù)據(jù)融合方法：兼容北斗的GNSS多星座衛(wèi)星導(dǎo)航定位中，根據(jù)測距原理與方法的不同，根據(jù)所需的精度，采用不同的定位方式。EarthNetV2.0中采用的載波雙差法，雙差觀測方程為：

（2）

式（2）中，，TEC為信號傳播路徑上的總電子含量，f表示頻率，為雙差對流層延遲，H為接收機(jī)儀器高，h為接收機(jī)天線相位改正，E為衛(wèi)星高度角，為雙差衛(wèi)星軌道誤差，為雙差偽距硬件延遲，為雙差衛(wèi)星多路徑效應(yīng)影響，為其他與頻率無關(guān)的誤差雙差值，包括地球自轉(zhuǎn)，相對論效應(yīng)，潮汐改正等，為觀測噪聲雙差，為各衛(wèi)星的載波波長值，i為參考星，j為觀測衛(wèi)星，為參考星的站間單差模糊度，為需要求解的站間星間雙差模糊度項(xiàng)。將觀測方程線性化后，各個(gè)系統(tǒng)分別選取參考衛(wèi)星后，線性化后，得到誤差方程：

（3）

式（3）中，為不同星座的參考衛(wèi)星，ZTD為站點(diǎn)天頂對流層延遲，為站點(diǎn)的單差ZTD投影函數(shù)，常用的有Neill模型和GMF模型；

（4）

誤差方程寫成矩陣形式為：

（5）

引入天頂對流層參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，當(dāng)考慮天頂對流層模型時(shí)，方程無法用單歷元解算。所以需要多歷元解算，解算方法可以使用序貫最小二乘或者使用Kalman濾波模型。

EarthNetV2.0中，采用多星座融合實(shí)現(xiàn)定位，有效地增多了衛(wèi)星數(shù)，改善了點(diǎn)位幾何精度因子，在長時(shí)間觀測中一直處于1-2之間，解決了部分時(shí)段GPS、GLONASS衛(wèi)星少以及北斗分布不均勻等缺點(diǎn)。針對不同系統(tǒng)選擇適當(dāng)?shù)臋?quán)值，彌補(bǔ)了北斗和GLONASS偽距精度的不足，提高了定位精度。

（3）CORS完備性監(jiān)測：EarthNetV2.0具有一套完整的CORS系統(tǒng)完備性監(jiān)測參數(shù)體系，從數(shù)據(jù)播發(fā)中心、數(shù)據(jù)處理中心、用戶管理中心、基站管理中心和數(shù)據(jù)存儲中心5個(gè)方面出發(fā)，根據(jù)各方面監(jiān)測內(nèi)容，結(jié)合CORS系統(tǒng)自身特點(diǎn)，對CORS系統(tǒng)完備性參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測及發(fā)布，提出一套完備性監(jiān)測指標(biāo)體系、監(jiān)測技術(shù)、參數(shù)播發(fā)機(jī)制。構(gòu)建一套完整的CORS系統(tǒng)完備性監(jiān)測參數(shù)體系及各項(xiàng)參數(shù)量化指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了電離層的絕對變化、相對變化監(jiān)測。提出了基線解算中一種基于觀測常量的粗差探測方法。實(shí)現(xiàn)了基于抗差估計(jì)的RAIM算法。構(gòu)建大規(guī)模GNSS定位地面增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性參數(shù)量化指標(biāo)體系；突破參考站坐標(biāo)框架監(jiān)測技術(shù)，參考站坐標(biāo)平面精度≤2厘米，高程精度≤3厘米；攻克了實(shí)時(shí)反映電離層變化情況的電離層模型，精度≤1TEC。

EarthNet2.0中，采用I95指數(shù)監(jiān)測電離層活動(dòng)情況，I95指數(shù)反映了電離層活動(dòng)的強(qiáng)度（式6）。I95值根據(jù)每小時(shí)所有網(wǎng)絡(luò)參考站跟蹤的所有衛(wèi)星的電離層改正數(shù)來計(jì)算，而最差的5%的數(shù)據(jù)會(huì)被拒絕，最高的值將會(huì)保存下來。

（6）

4 系統(tǒng)應(yīng)用及精度評估

天津市三系統(tǒng)多頻多模北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)建成之后，需要對其系統(tǒng)服務(wù)能力（流動(dòng)站用戶終端子系統(tǒng)）進(jìn)行測試，測試主要包括4方面內(nèi)容：流動(dòng)站兼容性測試、網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度測試、網(wǎng)絡(luò)RTK長時(shí)間連續(xù)觀測精度測試、惡劣環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度測試等，通過對定位結(jié)果進(jìn)行分析，綜合評價(jià)天津市三系統(tǒng)多頻多模北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的對外服務(wù)能力。

4.1 流動(dòng)站兼容性測試

流動(dòng)站兼容性測試主要為了檢測中心軟件EarthNetV2.0對不同廠家的RTK設(shè)備的兼容情況。采用的終端設(shè)備包括了國內(nèi)外主流產(chǎn)品：天寶Trimble R8、中海達(dá)H32、iRTK、南方S82、華測i60等。

在天津市國土資源和房屋測量中心樓頂，通過用不同品牌流動(dòng)站同步接入CORS系統(tǒng)20次，記錄達(dá)到固定解的時(shí)間，評價(jià)CORS系統(tǒng)中心軟件對流動(dòng)站終端的兼容性。

由表1可以看出，各種品牌類型的流動(dòng)站均可以快速、穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)初始化，CORS系統(tǒng)中心軟件都可以很好地兼容國內(nèi)外主流品牌的流動(dòng)站設(shè)備。

4.2 網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度測試

在三系統(tǒng)網(wǎng)元覆蓋區(qū)域均勻的選取測試點(diǎn)位，對網(wǎng)絡(luò)RTK定位的初始化時(shí)間、定位精度進(jìn)行全面測試。其中臨時(shí)測試點(diǎn)13個(gè)，靜態(tài)測試點(diǎn)7個(gè)，最遠(yuǎn)的點(diǎn)為河北滄州青縣，距離網(wǎng)外18千米。

選擇目前市場上大多數(shù)主流品牌的國內(nèi)外設(shè)備接入系統(tǒng)，依次選取單GPS、GPS+GLONASS以及BDS+GPS+GLONASS掛載點(diǎn)接入CORS中心軟件EarthNetV2.0，對不同設(shè)備測試的結(jié)果（初始化時(shí)間、固定成功率、內(nèi)外符合精度、外符合精度）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

由表2可以看出：三種不同掛載點(diǎn)流動(dòng)站終端初始化時(shí)間基本保持在30秒以內(nèi)，其中，GPS+GLONASS初始化速度最快，為18.9秒，三系統(tǒng)定位初始化時(shí)間長于GPS+GLONASS雙系統(tǒng)初始化時(shí)間，為20.7秒，可能是由于北斗GEO衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)緩慢，造成流動(dòng)站終端解算變慢造成的。單GPS由于觀測衛(wèi)星數(shù)太少，流動(dòng)站初始化速度最慢。三系統(tǒng)定位初始化成功率最高，為100%，單GPS初始化成功率最低，為85%，GPS+GLONASS初始化成功率在90%。單GPS解算模式下平面內(nèi)符合精度為7.9毫米，高程方向內(nèi)符合精度為12.6毫米；GPS+GLONASS解算模式下平面內(nèi)符合精度為7.6毫米，高程方向內(nèi)符合精度為13.2毫米；三系統(tǒng)解算模式下平面內(nèi)符合精度為7.2毫米，高程方向內(nèi)符合精度為10.8毫米。無論是平面還是高程方向，三系統(tǒng)定位內(nèi)符合精度都要優(yōu)于單GPS以及GPS+GLONASS內(nèi)符合精度。單GPS解算模式下平面外符合精度為14.9毫米，高程方向外符合精度為35.4毫米，GPS+GLONASS解算模式下平面外符合精度為15.4毫米，高程方向外符合精度為37.3毫米，三系統(tǒng)解算模式下內(nèi)符合精度為11.7毫米，高程方向內(nèi)符合精度為42.1毫米，達(dá)到了平面2-3厘米，高程方向優(yōu)于5厘米的CORS系統(tǒng)使用要求。

4.3 網(wǎng)絡(luò)RTK長時(shí)間連續(xù)觀測精度測試

網(wǎng)絡(luò)RTK長時(shí)間連續(xù)觀測精度測試。網(wǎng)絡(luò)RTK長時(shí)間連續(xù)觀測可以有效地檢驗(yàn)觀測時(shí)段內(nèi)網(wǎng)絡(luò)RTK差分改正數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

在天津市國土資源測繪和房屋測量中心樓頂點(diǎn)位進(jìn)行長時(shí)間連續(xù)觀測并記錄點(diǎn)位坐標(biāo)，在1秒采樣率的情況下，采用三系統(tǒng)解算模式，通過連續(xù)觀測1個(gè)小時(shí)，記錄3600個(gè)歷元的點(diǎn)位坐標(biāo)，分析網(wǎng)絡(luò)RTK定位的穩(wěn)定性以及精度。

圖2為天津市國土資源測繪和房屋測量中心樓頂點(diǎn)位，連續(xù)觀測1小時(shí)定位結(jié)果轉(zhuǎn)換到西安80坐標(biāo)系后點(diǎn)位分布。

由圖2可以看出，在三系統(tǒng)解算模式下，網(wǎng)路RTK連續(xù)觀測3600歷元，點(diǎn)位分布非常集中，平面精度在3厘米以內(nèi)，證明了CORS系統(tǒng)定位的連續(xù)性與穩(wěn)定性。

4.4 惡劣環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度測試

惡劣環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度測試。在建筑物密集、樹蔭遮擋等地區(qū)，由于建筑物以及樹蔭的遮擋，導(dǎo)致了基準(zhǔn)站與流動(dòng)站見共視衛(wèi)星過少，造成了流動(dòng)站無法固定、流動(dòng)站偽固定等現(xiàn)象。

為了測試北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)在建筑物密集區(qū)的服務(wù)能力，評價(jià)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的空間可用性，選取天津市區(qū)建筑密集區(qū)（天空可見度小于60%）進(jìn)行點(diǎn)位精度測試。分別采用單GPS、GPS+GLONASS以及三系統(tǒng)定位解算模式，在采樣率為1秒的情況下，連續(xù)觀測120個(gè)歷元，記錄點(diǎn)位坐標(biāo)。圖3為將點(diǎn)位坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成西安80坐標(biāo)系后點(diǎn)位分布情況。

由圖3可以看出，三系統(tǒng)解算模式下點(diǎn)位最集中，點(diǎn)位精度最高，在3厘米以內(nèi)。單GPS定位大部分情況下點(diǎn)位比較集中，但是也有部分點(diǎn)位定位精度過3厘米，而GPS+GLONASS定位結(jié)果比較分散，有的點(diǎn)位精度超過10厘米，原因是GLONASS比較容易受到環(huán)境影響。

通過本次建筑密集區(qū)的點(diǎn)位測試分析可以看出，即使在觀測條件比較惡劣的條件下，三系統(tǒng)定位解算仍然能夠保持比較高的定位精度。

5 結(jié)論

通過從流動(dòng)站兼容性、網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度、網(wǎng)絡(luò)RTK長時(shí)間連續(xù)觀測精度、惡劣環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度等4個(gè)方面對天津市北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)進(jìn)行了全面測試。測試結(jié)論如下：

（1）在流動(dòng)站兼容性方面，天津市三系統(tǒng)多頻多模北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)可以很好地兼容國內(nèi)外主流品牌的流動(dòng)站，流動(dòng)站平均初始化時(shí)間在35秒以內(nèi)。

（2）在網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度方面，在平面上，無論是點(diǎn)位坐標(biāo)的內(nèi)符合精度還是外符合精度，三系統(tǒng)解算模式都優(yōu)于單GPS與GPS+GLONASS定位解算模式。在高程方向，三系統(tǒng)解算模式的內(nèi)符合精度最優(yōu)，而外符合精度低于GPS和GPS+GLONASS解算模式。在初始化成功率方面，單GPS、GPS+GLONASS以及三系統(tǒng)解算模式的初始化成功率分別為85%，90%以及100%，三系統(tǒng)解算模式，流動(dòng)站初始化成功率高于其他兩種解算模式。

（3）在網(wǎng)絡(luò)RTK長時(shí)間連續(xù)觀測精度測試方面，三系統(tǒng)解算模式下，點(diǎn)位分布非常集中，平面內(nèi)符合定位精度在2厘米以內(nèi)。

（4）惡劣環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度測試方面，三系統(tǒng)解算模式下，點(diǎn)位分布非常集中，平面定位精度在3厘米以內(nèi)，單GPS解算模式下部分點(diǎn)位坐標(biāo)精度超出了3厘米，GPS+GLONASS解算模式下部分點(diǎn)位精度超過10厘米。

天津市三系統(tǒng)多頻多模北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的投入使用，提高了我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)在天津市國土資源和房屋管理領(lǐng)域的應(yīng)用水平，解決了在城區(qū)內(nèi)建筑物密集、林木茂盛對單GPS、GPS+GLONASS產(chǎn)生的影響，流動(dòng)站定位速度和精度均有明顯的提升。在天津市國土資源和房屋管理領(lǐng)域應(yīng)用后，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，得到系統(tǒng)內(nèi)廣大用戶的普遍好評。

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作者簡介：

于國良，天津市國土資源測繪和房屋測量中心主任。