吳海樂

( 交信北斗科技有限公司, 北京 101318 )

0 引 言

基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)的連續(xù)運行參考站(CORS)服務(wù)因其高精度、高效率、實時性的優(yōu)點，是當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域研究及工程應(yīng)用的熱點，為測繪、智能交通、車聯(lián)網(wǎng)、電網(wǎng)、城市建設(shè)、變形監(jiān)測等領(lǐng)域提供了高精度位置服務(wù)支撐[1-6]. 目前，工程應(yīng)用中絕大部分CORS系統(tǒng)采用基于虛擬參考站(VRS)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)實時動態(tài)定位(RTK)技術(shù)來實現(xiàn)區(qū)域基準(zhǔn)站網(wǎng)高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)[7-9]. 但因該技術(shù)需要在數(shù)據(jù)處理中心承擔(dān)大量計算工作以及采用雙向交互方式，受到網(wǎng)絡(luò)帶寬、主控站計算能力等限制[10-12]. 針對這些不足，有學(xué)者研究提出了基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法[7-8,13-14]，并逐步推廣到工程應(yīng)用中，隨著GNSS在各行業(yè)應(yīng)用以及互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，各省市CORS在升級改造中得到了諸多應(yīng)用[8,15]，提升了計算能力及用戶交互能力.

目前，針對基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法性能指標(biāo)研究主要停留在對定位結(jié)果的判斷[7-8,16-17]，而不同格網(wǎng)劃分分辨率對網(wǎng)絡(luò)RTK精度影響的研究較少. 為了研究不同格網(wǎng)劃分分辨率對網(wǎng)絡(luò)RTK精度影響，以及常規(guī)格網(wǎng)劃分條件下，動態(tài)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)RTK精度，本文首先介紹基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法的設(shè)計與實現(xiàn)，然后測試并分析了格網(wǎng)劃分分辨率不同對網(wǎng)絡(luò)RTK精度的影響，最后在常規(guī)格網(wǎng)劃分條件下，選取動態(tài)場景的應(yīng)用數(shù)據(jù)，分析了基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法的網(wǎng)絡(luò)RTK動態(tài)應(yīng)用精度.

1 基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法

基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法，將虛擬觀測量解算與用戶交互模塊分開，可分布式部署，不受單個網(wǎng)絡(luò)帶寬、主控站計算能力限制，得到多方應(yīng)用，提升了計算能力及用戶交互能力.

1.1 基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法原理與流程

基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法是對傳統(tǒng)VRS方法的改進[7-8]，實現(xiàn)了用戶交互模塊與虛擬觀測量解算模塊分離，各模塊可單獨部署. 虛擬觀測量解算模塊部署在數(shù)據(jù)處理中心，接收區(qū)域基準(zhǔn)站原始觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)先劃分的區(qū)域虛擬格網(wǎng)點位置信息，采用常規(guī)VRS方法分別計算區(qū)域內(nèi)所有格網(wǎng)點的虛擬觀測量. 在虛擬格網(wǎng)點劃定后，數(shù)據(jù)處理中心計算量相對固定，資源開銷變化不大，再通過單向傳輸?shù)哪Ｊ桨l(fā)送到用戶交互模塊. 該模式下，可設(shè)置安全的單向傳輸策略，保證數(shù)據(jù)處理中心基準(zhǔn)站等數(shù)據(jù)的安全訪問. 用戶交互模塊接收所有格網(wǎng)點的虛擬觀測量，同用戶通過雙向通信的方式，根據(jù)用戶概略位置判斷并選擇最近格網(wǎng)點的虛擬觀測量并轉(zhuǎn)發(fā)給用戶[7]. 用戶交互模塊可根據(jù)用戶量分布式部署，不受單個網(wǎng)絡(luò)帶寬、主控站計算能力限制，能夠為大并發(fā)用戶服務(wù)[7,9]. 綜上所述，基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法改進項如表1所示.

表1 基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法改進項

基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法是對常規(guī)VRS方法的改進，該方法工作流程為：首先根據(jù)區(qū)域大小和預(yù)設(shè)的格網(wǎng)分辨率，劃分虛擬格網(wǎng)點，生成格網(wǎng)點三維坐標(biāo)；然后，數(shù)據(jù)處理中心接收并進行基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)預(yù)處理，選取每個虛擬格網(wǎng)點附近3個及以上的基準(zhǔn)站點的數(shù)據(jù)計算虛擬格網(wǎng)點的虛擬觀測量，生成區(qū)域增強數(shù)據(jù)信息；最后，將所有格網(wǎng)點的虛擬區(qū)域增強數(shù)據(jù)信息全部單向推送至用戶交互模塊，用戶交換模塊再通過移動通信網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)向通過認(rèn)證的終端用戶推送用戶請求的增強數(shù)據(jù)信息. 基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法工作流程如圖1所示.

圖1 基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法工作流程圖

1.2 基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法設(shè)計與實現(xiàn)

本文基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法， 設(shè)計了高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)軟件，可提供區(qū)域高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)，軟件設(shè)計方法如下：

1)虛擬格網(wǎng)劃分，根據(jù)區(qū)域大小和預(yù)設(shè)的格網(wǎng)分辨率，劃分虛擬格網(wǎng)點. 再根據(jù)區(qū)域地形分析和高程變化，對高程變化較大的區(qū)域進行適當(dāng)加密. 最后根據(jù)用戶在區(qū)域內(nèi)分布密度以及小區(qū)域用戶精度需求，對用戶分布密度較稀或精度需求較高的區(qū)域進行適當(dāng)加密. 最終形成虛擬格網(wǎng)點劃分后所有格網(wǎng)點的三維坐標(biāo).

2)虛擬觀測量解算模塊，執(zhí)行基準(zhǔn)站管理、基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)處理和虛擬觀測量生成工作. 因基準(zhǔn)站網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)站坐標(biāo)屬于秘密數(shù)據(jù)[18]，基準(zhǔn)站管理與基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)處理模塊部署在內(nèi)網(wǎng)受控環(huán)境，通過專線獲取基準(zhǔn)站原始觀測數(shù)據(jù)，監(jiān)測各基準(zhǔn)站實時數(shù)據(jù)流，對各基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)進行周跳探測、粗差探測、模糊度解算、誤差分離等各項數(shù)據(jù)預(yù)處理工作. 然后，采用合適的基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)進行格網(wǎng)點虛擬觀測值計算，單向推送至外網(wǎng)用戶交互模塊.

3)用戶交互模塊，執(zhí)行用戶管理與用戶鑒權(quán)，正常狀態(tài)的用戶才能使用增強服務(wù). 同用戶交互的每個輸出數(shù)據(jù)流獨立線程運行，保證各用戶間互無影響.通過移動通信網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)向通過認(rèn)證的終端用戶推送距用戶請求概略位置最近的虛擬格網(wǎng)點的增強數(shù)據(jù)信息.

基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)軟件設(shè)計，軟件運行流程如圖2所示.

圖2 基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)軟件運行流程圖

2 實測數(shù)據(jù)分析

為了評價格網(wǎng)劃分分辨率不同對網(wǎng)絡(luò)RTK精度影響，以及常規(guī)格網(wǎng)劃分條件下，動態(tài)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)RTK精度，本文進行了多項測試和分析，主要包括兩方面：格網(wǎng)劃分分辨率不同條件下，網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度分析；常規(guī)格網(wǎng)劃分條件下，動態(tài)跑車場景應(yīng)用精度分析.

2.1 格網(wǎng)劃分分辨率不同對網(wǎng)絡(luò)RTK精度影響

本文以某省作為測試區(qū)域，測試格網(wǎng)劃分分辨率對網(wǎng)絡(luò)RTK精度影響. 選取1個靜態(tài)已知測試點，架設(shè)RTK GNSS接收機設(shè)備，型號為司南導(dǎo)航M300高精度定位GNSS接收機，采樣頻率為1 Hz，采用BDS+GPS雙系統(tǒng)雙頻定位. 分別按照2′×2′、4′×4′、6′×6′、8′×8′的格網(wǎng)分辨率劃分格網(wǎng)虛擬點，標(biāo)記為a、b、c、d測試，每項測試運行3 h，測試點設(shè)備采用常規(guī)RTK解算方式進行定位解算. 圖3為不同格網(wǎng)劃分分辨率測試的接收機設(shè)備定位偏差序列，(a)、(b)、(c)、(d)分別為四種模式下測試定位結(jié)果同真值比較的北(N)、東(E)、天頂(U)方向的偏差. 表2列出了格網(wǎng)劃分分辨率對網(wǎng)絡(luò)RTK影響測試精度統(tǒng)計，分別為四種模式下測試定位結(jié)果的偏差在N、E、U方向的統(tǒng)計結(jié)果(1σ).

圖3 不同格網(wǎng)劃分分辨率下接收機設(shè)備定位偏差序列圖

由表2和圖3可知，基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法的精度為厘米級，格網(wǎng)劃分分辨率對網(wǎng)絡(luò)RTK有一定影響. 2′×2′和4′×4′格網(wǎng)劃分模式下，定位殘差序列除個別異常點外，幾乎都在厘米級內(nèi)，且精度統(tǒng)計相當(dāng). 隨著格網(wǎng)劃分距離增加，6′×6′和8′×8′格網(wǎng)劃分模式下，隨距離增加定位殘差統(tǒng)計精度稍降低.

表2 格網(wǎng)劃分分辨率對網(wǎng)絡(luò)RTK影響測試精度統(tǒng)計 m

綜合測試結(jié)果分析，可以選擇4′×4′作為常規(guī)格網(wǎng)劃分，滿足少量相對固定的虛擬格網(wǎng)點觀測量計算，且定位精度維持在厘米級.

2.2 動態(tài)場景

常規(guī)格網(wǎng)劃分條件下，選取動態(tài)場景的應(yīng)用數(shù)據(jù)，分析基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法的網(wǎng)絡(luò)RTK動態(tài)應(yīng)用精度.

將采集數(shù)據(jù)的RTK GNSS接收機用吸盤放在車頂，設(shè)備型號為司南導(dǎo)航T300 Plus GNSS接收機，采樣頻率為1 Hz，進行動態(tài)跑車測試，采用BDS+GPS雙頻雙系統(tǒng)RTK定位方式進行測試，測試時長為30 min，GNSS天線安裝如圖4所示. 同時，用一臺SPAN設(shè)備同時作業(yè)，作為真值. RTK GNSS接收機同SPAN設(shè)備相對位置固定，N、E、U方向為固定基線，通過兩臺設(shè)備基線間殘差作精度測算.

圖4 GNSS天線安裝

跑車路線如圖5所示，本次跑車在城市道路，約22 km，經(jīng)過多處高架橋、隧道等路段.

圖5 動態(tài)跑車測試路線圖

RTK接收機采集頻率為1 Hz，本次測試多處因遮擋等原因?qū)е翿TK重新初始化，有的時段為浮點解，統(tǒng)計得到本次測試固定解比例為94.8%. 提取固定解結(jié)果跟SPAN結(jié)果比較，基線差在N、E、U三方向的殘差序列圖如圖6所示，動態(tài)測量結(jié)果N、E、U方向統(tǒng)計精度如表3所示.

由圖6和表3可知，常規(guī)格網(wǎng)劃分條件下，RTK動態(tài)定位測試水平殘差序列為厘米級，高程殘差序列在分米級，精度統(tǒng)計為水平在2 cm以內(nèi)，高程在3 dm以內(nèi)，固定率為94.8%，能夠達(dá)到動態(tài)應(yīng)用精度要求.

圖6 RTK與SPAN設(shè)備動態(tài)定位測量結(jié)果偏差序列圖

表3 動態(tài)測量結(jié)果精度統(tǒng)計 m

3 總 結(jié)

本文介紹了基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法原理與流程，設(shè)計并實現(xiàn)了基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法軟件，然后測試分析了格網(wǎng)劃分分辨率不同對網(wǎng)絡(luò)RTK精度影響，最后在常規(guī)格網(wǎng)劃分條件下，選取動態(tài)場景的應(yīng)用數(shù)據(jù)，分析了基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法的網(wǎng)絡(luò)RTK動態(tài)應(yīng)用精度.

測試結(jié)果表明，隨著格網(wǎng)劃分距離增加，網(wǎng)絡(luò)RTK精度隨距離增加會降低. 其中，2′×2′和4′×4′格網(wǎng)劃分模式下，定位殘差序列除個別異常點外，幾乎都在厘米級內(nèi)，且精度統(tǒng)計相當(dāng)，可以選擇4′×4′作為常規(guī)格網(wǎng)劃分，滿足相對固定的虛擬格網(wǎng)點觀測量計算，且定位精度維持在厘米級. 常規(guī)格網(wǎng)劃分條件下，RTK動態(tài)定位水平殘差序列為厘米級，高程殘差序列在分米級，能夠達(dá)到動態(tài)應(yīng)用精度要求. 因此，基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法改進的常規(guī)VRS方法，能夠支持為大并發(fā)用戶服務(wù)，精度為厘米級.

本文基于靜態(tài)和短距離低速動態(tài)場景對基于格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法精度進行了測試和分析，長距離以及復(fù)雜環(huán)境的格網(wǎng)化高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)方法及性能驗證是下一步需研究的問題和方向.