管明雷，王英剛，李飛龍，伏天淑，周立

(1.淮海工學(xué)院 連云港 222005；2.上海華測(cè)導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司 上海 201702)

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近海島礁CORS系統(tǒng)測(cè)試研究

管明雷1，王英剛1，李飛龍2，伏天淑1，周立1

(1.淮海工學(xué)院 連云港 222005；2.上海華測(cè)導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司 上海 201702)

近海島礁CORS系統(tǒng)將CORS基站從內(nèi)陸向近海海岸和近海島礁延伸，使近海區(qū)域?qū)崿F(xiàn)厘米級(jí)高精度導(dǎo)航定位。文章對(duì)近海島礁CORS系統(tǒng)的各部分組成進(jìn)行介紹，同時(shí)對(duì)基準(zhǔn)站穩(wěn)定性、基準(zhǔn)站時(shí)間延遲、移動(dòng)站多路徑效應(yīng)和移動(dòng)站內(nèi)外符合精度進(jìn)行測(cè)試研究，為CORS技術(shù)向海上發(fā)展提供參考。

島礁CORS；定位導(dǎo)航；工程技術(shù)

2 近海島礁CORS系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)概述

近幾年城市CORS技術(shù)快速發(fā)展，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)城市區(qū)域覆蓋，為城市基礎(chǔ)地理空間信息的采集提供極大便利[1]，CORS系統(tǒng)向海洋延伸也將是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。CORS系統(tǒng)由基準(zhǔn)站子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和用戶(hù)應(yīng)用系統(tǒng)等4個(gè)部分組成，各基準(zhǔn)站與數(shù)據(jù)處理中心通過(guò)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)連接成一體，形成CORS基準(zhǔn)站網(wǎng)。本研究的測(cè)試基于某單位在建的近海島礁CORS系統(tǒng)，其中2個(gè)基準(zhǔn)站位于沿岸、1個(gè)基準(zhǔn)站位于離岸7 km左右的海島，站間網(wǎng)絡(luò)通信采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)；該島礁CORS系統(tǒng)基準(zhǔn)站使用華辰HC-5型號(hào)基準(zhǔn)站型接收機(jī)，基準(zhǔn)站接收原始觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)傳到數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心主要負(fù)責(zé)處理接收的數(shù)據(jù)，并將得到的差分?jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)播發(fā)給用戶(hù)；基準(zhǔn)站組網(wǎng)軟件選用NrsEagleNet，網(wǎng)絡(luò)RTK差分服務(wù)軟件選用NrsEagleServer，這2個(gè)軟件都是南方公司NRS 系統(tǒng)軟件系列；海島基準(zhǔn)站的電力由太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)能控制器和大容量?jī)?chǔ)備電源提供，蓄電池可保證持續(xù)供電一周，太陽(yáng)能控制器具有熄電重啟功能。

2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是CORS的重要組成部分，被稱(chēng)為CORS的“神經(jīng)系統(tǒng)”，是實(shí)現(xiàn)CORS各種服務(wù)功能的途徑，一套穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)更是保證CORS系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行的必要因素[2-4]。CORS的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要包括“基準(zhǔn)站—數(shù)據(jù)處理中心”的原始觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸和“數(shù)據(jù)處理中心—用戶(hù)接收機(jī)”的差分改正數(shù)據(jù)傳輸。

2.2.1 基準(zhǔn)站—數(shù)據(jù)處理中心通信

目前傳統(tǒng)的陸基CORS系統(tǒng)中，基準(zhǔn)站與數(shù)據(jù)處理中心之間的數(shù)據(jù)傳輸主要通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，其傳輸速度快、穩(wěn)定性高，是數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖滓x擇。但在各種基礎(chǔ)設(shè)施匱乏的島礁上，基準(zhǔn)站觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)很難像在陸地上一樣通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)有線(xiàn)傳輸，因此在島礁上通常采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信方式?；鶞?zhǔn)站接收機(jī)利用宏電H792X 4G Router數(shù)據(jù)通信終端接入互聯(lián)網(wǎng)，采用TCP/IP協(xié)議，訪(fǎng)問(wèn)到數(shù)據(jù)處理中心NrsEagleNet基準(zhǔn)站管理服務(wù)器的固定IP地址，將基準(zhǔn)站接收數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾矸?wù)器中。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理中心—用戶(hù)移動(dòng)站接收機(jī)通信

數(shù)據(jù)處理中心與用戶(hù)移動(dòng)站間的數(shù)據(jù)傳輸采用無(wú)線(xiàn)通信，目前最流行的是GPRS/CDMA通信方式，即移動(dòng)站通過(guò)GPRS/CDMA接入互聯(lián)網(wǎng)，采用TCP/IP協(xié)議，訪(fǎng)問(wèn)到數(shù)據(jù)處理中心NrsEagleServer用戶(hù)管理服務(wù)器的固定IP地址，驗(yàn)證通過(guò)Sever管理用戶(hù)給出的賬號(hào)密碼，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)站與數(shù)據(jù)處理中心之間的雙向通信。

3 CORS系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試

CORS系統(tǒng)在運(yùn)行之前必須對(duì)CORS基準(zhǔn)站組網(wǎng)進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)CORS系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)可靠性，為移動(dòng)站用戶(hù)提供實(shí)時(shí)、高精度的導(dǎo)航定位服務(wù)。對(duì)CORS系統(tǒng)基準(zhǔn)站組網(wǎng)的測(cè)試主要包括基準(zhǔn)站穩(wěn)定性分析和通信穩(wěn)定性分析。

3.1 CORS基準(zhǔn)站穩(wěn)定性測(cè)試

為確保CORS系統(tǒng)為用戶(hù)移動(dòng)站提供高精度、穩(wěn)定可靠的服務(wù)，首先要確?；鶞?zhǔn)站本身的精度。由于基準(zhǔn)站位于海島上，受天文潮和固體潮雙重作用，基準(zhǔn)站會(huì)產(chǎn)生位置變動(dòng)，從而影響CORS系統(tǒng)的定位精度。因此，需要對(duì)基準(zhǔn)站的真實(shí)坐標(biāo)進(jìn)行定期檢核修復(fù)，具體方法就是將系統(tǒng)中的基準(zhǔn)站與我國(guó)的IGS跟蹤站進(jìn)行聯(lián)測(cè)，利用高精度數(shù)據(jù)處理軟件GAMIT/GLOBK對(duì)長(zhǎng)基線(xiàn)進(jìn)行解算，得到基準(zhǔn)站的最新坐標(biāo)，一般選擇3～4個(gè)靠近CORS網(wǎng)的IGS站就可以得到精度較高且較為穩(wěn)定的解算精度[4]。

在實(shí)驗(yàn)中選取bjfs站、shao站和wuhn站進(jìn)行聯(lián)測(cè)，它們分別位于北京房山、上海佘山和武漢。通過(guò)解算得到3個(gè)基準(zhǔn)站在WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)下的三維坐標(biāo)(表1)。

表1 最新基準(zhǔn)站坐標(biāo)

3.2 CORS 基準(zhǔn)站時(shí)間延遲測(cè)試

在CORS系統(tǒng)中，時(shí)間延遲包括數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)延、數(shù)據(jù)傳播時(shí)延和數(shù)據(jù)處理時(shí)延，而網(wǎng)絡(luò)從基準(zhǔn)站到數(shù)據(jù)處理中心的數(shù)據(jù)時(shí)延主要是發(fā)送時(shí)延和處理時(shí)延[3]。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)時(shí)延小于500 ms就不會(huì)影響數(shù)據(jù)處理中心實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)RTK基線(xiàn)的實(shí)時(shí)解算[5]。

發(fā)送時(shí)延計(jì)算公式如下：

發(fā)送時(shí)延式中：數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度即基準(zhǔn)站1 Hz帶寬的數(shù)據(jù)量，按照50～130 KB計(jì)算；信道寬度為數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳闲兴俾?。島礁上的基準(zhǔn)站接收機(jī)與數(shù)據(jù)處理中心之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊實(shí)現(xiàn)的，為選擇合適的網(wǎng)絡(luò)模式，進(jìn)行時(shí)間延遲測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，在使用3G模塊時(shí)只有聯(lián)通時(shí)延在500 ms以?xún)?nèi)，而在使用4G模塊時(shí)三大運(yùn)營(yíng)商時(shí)延均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于500 ms，又由于數(shù)據(jù)處理延時(shí)根據(jù)儀器的不同在60～120 ms之間，因此理論上在網(wǎng)絡(luò)正常的情況下，只有4G數(shù)據(jù)延時(shí)可滿(mǎn)足基線(xiàn)實(shí)時(shí)解算。該島礁CORS通信系統(tǒng)測(cè)試階段選用聯(lián)通3G作為基準(zhǔn)站與數(shù)據(jù)處理中心之間的通信模塊，結(jié)果表明CORS基線(xiàn)可以實(shí)時(shí)解算但會(huì)出現(xiàn)短暫的基線(xiàn)浮動(dòng)。因此，在CORS系統(tǒng)運(yùn)行中應(yīng)盡量選擇4G模塊作為數(shù)據(jù)傳輸手段。

4 CORS系統(tǒng)精度測(cè)試

4.1 海面多路徑測(cè)試

在CORS系統(tǒng)精度測(cè)試中，最主要的就是對(duì)移動(dòng)站定位精度進(jìn)行測(cè)試[6]。影響移動(dòng)站定位精度的主要因素包括基準(zhǔn)站穩(wěn)定性、接收機(jī)性能和移動(dòng)站觀(guān)測(cè)條件，其中影響海上移動(dòng)站定位精度的最主要因素是多路徑效應(yīng)。CORS系統(tǒng)無(wú)法對(duì)移動(dòng)站的多路徑效應(yīng)所帶來(lái)的誤差進(jìn)行改正，目前多路徑的改正主要通過(guò)改變截止高度角或增加抑徑板等方法來(lái)降低誤差。本研究基于接收機(jī)兼容不同星座的情況，研究多路徑效應(yīng)與接收機(jī)星座數(shù)增加、衛(wèi)星顆數(shù)變化的關(guān)系，為海上移動(dòng)站選擇合適的接收機(jī)來(lái)降低多路徑效應(yīng)、提高島礁CORS服務(wù)精度。

島礁CORS系統(tǒng)建設(shè)主要針對(duì)港口及其近海工程的需求，提供厘米級(jí)的實(shí)時(shí)定位精度。由于海面情況在潮波作用下的復(fù)雜性，海面上目標(biāo)點(diǎn)的多路徑效應(yīng)也各異，對(duì)海面目標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)航定位時(shí)，CORS系統(tǒng)無(wú)法對(duì)其多路徑效應(yīng)進(jìn)行合理改正。因此，在對(duì)移動(dòng)站測(cè)試的過(guò)程中，海面對(duì)移動(dòng)站產(chǎn)生的多路徑效應(yīng)測(cè)試是不可或缺的。本實(shí)驗(yàn)利用GPS單模(單星座)接收機(jī)和GPS/GLONASS雙模(雙星座)接收機(jī)進(jìn)行單點(diǎn)定位比較海面多路徑效應(yīng)與衛(wèi)星顆數(shù)的關(guān)系，解算軟件采用TEQC(Translation、Editing and Quality Checking)；TEQC是功能強(qiáng)大且簡(jiǎn)單易用的 GPS/ GLONASS 數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件，主要功能有格式轉(zhuǎn)換、編輯和質(zhì)量檢核。試驗(yàn)結(jié)果如圖1至圖3所示。

圖1 單模mp1/mp2和雙模Mp1/Mp2比較

圖2 單模mp1/mp2與衛(wèi)星顆數(shù)比較

圖3 雙模Mp1/Mp2與衛(wèi)星顆數(shù)比較

從圖1可以發(fā)現(xiàn)，GPS/GLONASS雙模下的Mp1/Mp2值始終高于GPS單模下的mp1/mp2值，表明增加不同導(dǎo)航衛(wèi)星的種類(lèi)對(duì)改善多路徑效應(yīng)沒(méi)有益處，這與GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)本身有關(guān)，因?yàn)镚LONASS采用頻分多址(FDMA)，使信號(hào)頻率的變化受外界條件的影響，導(dǎo)致GLONASS的單點(diǎn)定位精度稍遜于GPS[7]；由于目前TEQC軟件還不支持BDS的質(zhì)量檢核，所以未進(jìn)行BDS與GPS/GLONASS的比較。從圖2、圖3可以發(fā)現(xiàn)，mp1/mp2值與衛(wèi)星顆數(shù)成負(fù)相關(guān)性，即衛(wèi)星顆數(shù)越多、mp1/mp2值越小。因此，移動(dòng)站在進(jìn)行海上導(dǎo)航定位時(shí)應(yīng)盡量選用GPS單模接收機(jī)，降低多路徑對(duì)其影響，以提高CORS系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)站改正的精度。

4.2 內(nèi)外符合精度測(cè)試

內(nèi)符合精度用來(lái)評(píng)定差分定位的穩(wěn)定性程度，其數(shù)學(xué)方法是計(jì)算每一測(cè)點(diǎn)所有測(cè)量值的算術(shù)平均值，再將求得的算術(shù)平均值與每個(gè)測(cè)量值求差，然后分別統(tǒng)計(jì)出X、Y和Z三個(gè)方向上差值的分布情況，內(nèi)符合精度值越小表示CORS-RTK定位的穩(wěn)定性越高。外符合精度反映系統(tǒng)定位的準(zhǔn)確性，其定義為在已知測(cè)試點(diǎn)上，通過(guò)轉(zhuǎn)換參數(shù)實(shí)測(cè)得出當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系下的坐標(biāo)成果，與該測(cè)試點(diǎn)的已知坐標(biāo)成果相比較，即可得出在X、Y和Z方向上的外符合精度分布情況。

實(shí)驗(yàn)選取島礁CORS網(wǎng)覆蓋海區(qū)內(nèi)多個(gè)島嶼上分布的8個(gè)坐標(biāo)已知點(diǎn)作為測(cè)試點(diǎn)，分別做采樣間隔為1 s的長(zhǎng)時(shí)間觀(guān)測(cè)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，得到的觀(guān)測(cè)值內(nèi)符合精度結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 內(nèi)符合精度測(cè)試

從圖4可以看出，在基站覆蓋范圍內(nèi)，8個(gè)測(cè)試點(diǎn)上各方向的內(nèi)符合精度值都符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求：平面X、Y方向上內(nèi)符合精度最小為2 mm、最大為6 mm，均在1 cm內(nèi)；Z方向上精度略差，最小為5.9 mm、最大為15.5 mm，均在2 cm內(nèi)。

圖5 外符合精度測(cè)試

從圖5可以看出，各測(cè)站點(diǎn)平面X、Y方向定位精度在2 cm以?xún)?nèi)，Z方向個(gè)別高于5 cm。結(jié)果表明，近海島礁CORS系統(tǒng)在平面方向定位精度明顯優(yōu)于垂直方向，且兩者均符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)測(cè)試結(jié)果，該島礁CORS系統(tǒng)的穩(wěn)定性和定位精度均達(dá)到規(guī)范要求，海上移動(dòng)站多路徑效應(yīng)也找到新的改善方法。但島礁CORS系統(tǒng)建設(shè)還面臨一些問(wèn)題，如站點(diǎn)選址、網(wǎng)絡(luò)通信等。在未來(lái)CORS系統(tǒng)向近海建設(shè)的過(guò)程中，常規(guī)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將不再適用于海上數(shù)據(jù)傳輸，需要將衛(wèi)星通信和北斗短報(bào)文通信等新的通信技術(shù)運(yùn)用于CORS系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸中。隨著海上風(fēng)力發(fā)電站、近海石油平臺(tái)等一大批海洋工程的建設(shè)，CORS基準(zhǔn)站點(diǎn)選址也不再局限于近海島礁的位置。隨著近海CORS系統(tǒng)的不斷建立和發(fā)展，近海CORS網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位精度將得到大大提高，使近海厘米級(jí)定位精度成為可能。

[1] 汪偉，馬華山，史廷玉，等.基于CORS的單基站RTK點(diǎn)位檢校與精度評(píng)定[J].測(cè)繪通報(bào)，2013(11)：52-54.

[2] 黃俊華，陳文森.連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[3] 黃丁發(fā)，周樂(lè)韜，李成鋼，等.GPS增強(qiáng)基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)理論[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[4] 趙倩，沈飛.江蘇省CORS系統(tǒng)解算中IGS基準(zhǔn)站選取的研究[J].測(cè)繪科學(xué)，2011，36(6)：124-126.

[5] 全GB/T 28588—2012球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[6] 張西軍，唐衛(wèi)明，曾廣鴻，等.廣州市CORS系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位精度測(cè)試[J].測(cè)繪信息與工程，2008，33(5)：6-7.

[7] 付先國(guó).GPS與GLONASS的幾點(diǎn)比較分析[J].城市勘測(cè)，2010(2)：81-83.

Testing Research of Offshore Reefs CORS System

GUAN Minglei1，WANG Yinggang1，LI Feilong2，F(xiàn)U Tianshu1，ZHOU Li1

(1.Huaihai Institute of Technology,Lianyungang 222005，China;2.Shanghai Huace Navigation Technology LTD,Shanghai 201702，China)

Offshore reefs CORS system extends the coverage of CORS from inland to the near shore and offshore islands and reefs to achieve centimeter level accurate navigation and positioning in offshore areas. Components of the offshore reefs CORS system were introduced in the paper. At the same time, stability and time delay of the

tation, multi-path effects and accuracy of the mobile station were tested and studied, which provided references for the development of CORS technology utilized on the sea.

Reefs CORS，Positioning and navigation，Engineering technology

CORS(Continuous Operational Reference System)的建設(shè)和發(fā)展，陸地上全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位精度已達(dá)到厘米級(jí)。由于海上地理環(huán)境的特殊性，近海高精度導(dǎo)航定位成為海洋開(kāi)發(fā)利用的“瓶頸”之一。為解決這一問(wèn)題，我國(guó)在沿海地區(qū)都布設(shè)相應(yīng)的差分臺(tái)站，如沿海信標(biāo)臺(tái)站、海洋局差分站和沿海省(自治區(qū)、直轄市)CORS網(wǎng)等，在一定程度上提高定位精度和穩(wěn)定性，但是港口航道建設(shè)和近海海洋工程這類(lèi)對(duì)導(dǎo)航定位精度要求較高的行業(yè)，目前海上定位精度還達(dá)不到相應(yīng)的規(guī)范要求，因此近海島礁CORS系統(tǒng)建設(shè)成為未來(lái)海上定位發(fā)展的趨勢(shì)之一。本文基于在建的近海島礁CORS系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和時(shí)間延遲、海上移動(dòng)站的多路徑效應(yīng)以及系統(tǒng)的定位精度進(jìn)行測(cè)試研究。

2016-04-14；

2016-08-01

管明雷，碩士研究生，研究方向?yàn)楹Ｑ罂臻g信息技術(shù)，電子信箱：lyggml@126.com

P71

A

1005-9857(2016)08-0073-04

1 引言