白天陽(yáng),張春光,陳向東,王冬華,冷宏宇
( 國(guó)網(wǎng)思極位置服務(wù)有限公司, 北京 102209 )
國(guó)家電網(wǎng)有限公司(以下簡(jiǎn)稱:國(guó)網(wǎng)公司)為推進(jìn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)服務(wù)在電力業(yè)務(wù)中的應(yīng)用,推動(dòng)建設(shè)了電力北斗精準(zhǔn)位置服務(wù)網(wǎng),可提供高精度定位導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù). 當(dāng)前電力北斗精準(zhǔn)位置服務(wù)網(wǎng)已為江蘇、山東和安徽等省電力公司的無人機(jī)巡檢業(yè)務(wù)提供高精度服務(wù)[1].
電力北斗精準(zhǔn)位置服務(wù)網(wǎng)采用區(qū)域增強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位(network real-time kinematic, NRTK)技術(shù). NRTK一般要求基準(zhǔn)站間距小于70 km,大氣環(huán)境復(fù)雜地區(qū)基準(zhǔn)站間距甚至要求小于30 km[2-3]. 針對(duì)電力北斗精準(zhǔn)位置服務(wù)網(wǎng)在無公網(wǎng)地區(qū)無法提供服務(wù),在一些地形復(fù)雜地區(qū)或基準(zhǔn)站基線過長(zhǎng)區(qū)域服務(wù)精度無法滿足無人機(jī)巡檢要求,需要花費(fèi)大量的人力和物力進(jìn)行人工電力巡檢. 為解決這一難題,本文提出了一種基于北斗的PPP-RTK技術(shù),為無人機(jī)電力巡檢提供高精度定位服務(wù).
為評(píng)估PPP-RTK技術(shù)為無人機(jī)電力巡檢提供服務(wù)的可行性,本文選取了電力北斗精準(zhǔn)位置服務(wù)網(wǎng)在國(guó)網(wǎng)四川省電力公司經(jīng)營(yíng)范圍內(nèi)的電力北斗基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行了PPP-RTK服務(wù)端產(chǎn)品的計(jì)算和用戶端仿動(dòng)態(tài)的定位試驗(yàn),并進(jìn)行分析得出相關(guān)結(jié)論.
PPP-RTK技術(shù)[4-16]集成了傳統(tǒng)精密單點(diǎn)定位(precise point positioning, PPP)與實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位(realtime kinematic, RTK)的優(yōu)點(diǎn),使用全球基準(zhǔn)站或區(qū)域基準(zhǔn)站的GNSS數(shù)據(jù),解算精密的衛(wèi)星產(chǎn)品(衛(wèi)星軌道、鐘差、相位偏差和碼偏差),和局域的大氣改正產(chǎn)品,為用戶提供基于單臺(tái)接收機(jī)的實(shí)時(shí)快速厘米級(jí)定位服務(wù).
PPP-RTK技術(shù)分為非差組合PPP-RTK和非差非組合PPP-RTK兩種模式[17],其本質(zhì)都是基于高精度的狀態(tài)域改正信息,借助局部大氣改正實(shí)現(xiàn)快速收斂,通過相位偏差產(chǎn)品恢復(fù)整周模糊度特性來提高定位精度的可靠性和穩(wěn)定性,下面給出非差非組合GNSS觀測(cè)方程:
式(1)中:r、s、j、i分別為接收機(jī)、衛(wèi)星、頻率及歷元編號(hào);為偽距觀測(cè)值;為相位觀測(cè)值;為衛(wèi)星到測(cè)站的距離; dtr(i) 為接收機(jī)鐘差誤差; dts為衛(wèi)星鐘差誤差; τr(i) 為天頂對(duì)流層濕延遲;為對(duì)流層濕延遲投影函數(shù);fj為第j頻率;為其他頻率電離層與第一頻率電離層的比值;為第j頻率載波相位的波長(zhǎng);c為光在真空中的傳播速度;為第一頻率電離層斜延遲;dr,j為接收機(jī)碼偏差;為衛(wèi)星碼偏差; δr,j為接收機(jī)相位偏差; εP,r,j(i) 為偽距未模型化誤差及隨機(jī)噪聲;εφ,r,j(i)為相位未模型化誤差及隨機(jī)噪聲.
假設(shè)接收機(jī)r的三維坐標(biāo)為(Xr,Yr,Zr),衛(wèi)星S的三維坐標(biāo)為(Xs,Ys,Zs),則上述衛(wèi)星到測(cè)站距離可進(jìn)一步按測(cè)站三維坐標(biāo)增量( Δx,Δy,Δz)線性化為
式(1)中部分參數(shù)間存在線性相關(guān)(如接收機(jī)鐘差和衛(wèi)星鐘差、模糊度和接收機(jī)相位偏差等參數(shù)之間線性相關(guān)),導(dǎo)致函數(shù)模型秩虧,無法估計(jì)所有參數(shù)的絕對(duì)值. 為解決這一問題,使用文獻(xiàn)[17-19]提到的基于S-basis消秩虧理論來消除參數(shù)間的相關(guān)性.
S-basis消秩虧理論是在參數(shù)域?qū)Ω黝愊嚓P(guān)參數(shù)進(jìn)行重新組合,組合后的參數(shù)唯一可估,主要包括判別秩虧、確定基準(zhǔn)及構(gòu)建滿秩方程三個(gè)步驟. 文獻(xiàn)[18]詳細(xì)的歸納了GNSS原始觀測(cè)碼/相位觀測(cè)方程的十類秩虧及其基準(zhǔn),如第一類是接收機(jī)鐘差與衛(wèi)星鐘差間秩虧,秩虧數(shù)為1,選擇首站接收機(jī)鐘差dt1(i)為基準(zhǔn),其余類型秩虧和基準(zhǔn)可詳細(xì)參照文獻(xiàn)[18],這里將不在具體列出.
本文在使用S-basis消秩虧理論時(shí),參照文獻(xiàn)[18]選取的基準(zhǔn),得到PPP-RTK函數(shù)模型如下所示:
表1 非差非組合PPP-RTK各類參數(shù)可估形式
表1中下標(biāo)IF和GF對(duì)應(yīng)的為GNSS觀測(cè)方程中的消電離層組合(ionosphere-free combination, IF)和幾何無關(guān)組合(geometry-free combination, GF),具體表達(dá)式如下所示:
其余各符號(hào)表達(dá)式同式(1)中所述.
在構(gòu)建PPP-RTK區(qū)域?qū)α鲗幽P蜁r(shí),主要是利用區(qū)域參考站網(wǎng)解算的實(shí)時(shí)天頂對(duì)流層參數(shù),運(yùn)用恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型內(nèi)插出用戶天頂對(duì)流層延遲改正數(shù),獲得較高精度的對(duì)流層延遲結(jié)果,進(jìn)而縮短PPP-RTK的收斂時(shí)間,提高定位精度.
本文中對(duì)流層模型文章采用HIQM4模型[20],該模型同時(shí)考慮了對(duì)流層在N方向和E方向具有不同的梯度. 該模型表示為
式中: αi(i=0...4) 為天頂對(duì)流層濕延遲多項(xiàng)式系數(shù);Δφr=φr-φ0和 Δθr=θr-θ0分別為基準(zhǔn)站r的經(jīng)緯度(φr,θr)與測(cè)區(qū)中央經(jīng)緯度 (φ0,θ0) 之差;hr為參考站r的大地高.
在建立PPP-RTK區(qū)域電離層模型時(shí),首先假設(shè)電離層集中在某個(gè)薄層,而投影在該薄層的各個(gè)基準(zhǔn)站相對(duì)位置與地面等價(jià),因而可直接基于基準(zhǔn)站經(jīng)緯度 (φr,θr) 相對(duì)于測(cè)區(qū)中心經(jīng)緯度 (φ0,θ0) 的差值( Δφr=φr-φ0, Δθr=θr-θ0),對(duì)單星電離層斜延遲進(jìn)行二維二階泰勒展開. 該模型表示為
式中, βi(i=0,···,5) 為電離層斜延遲多項(xiàng)式系數(shù),其中 β0表示與參考站無關(guān)項(xiàng), βi(i=1,···,5) 表示與參考站經(jīng)緯度相關(guān)項(xiàng).
為評(píng)估基于BDS的PPP-RTK技術(shù)為無人機(jī)電力巡檢提供高精度定位服務(wù)的可行性,本文將對(duì)PPP-RTK服務(wù)端解算的衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星相位偏差、大氣產(chǎn)品的穩(wěn)定性和終端的PPP-RTK的定位結(jié)果進(jìn)行分析.
如圖1所示,本文選擇了國(guó)網(wǎng)公司電力北斗精準(zhǔn)位置服務(wù)網(wǎng)四川省內(nèi)的7個(gè)電力北斗基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)進(jìn)行PPP-RTK服務(wù)端產(chǎn)品的解算,用紅色三角形進(jìn)行標(biāo)記;8個(gè)電力北斗基準(zhǔn)站模擬用戶端進(jìn)行PPP-RTK定位,用藍(lán)色五角星進(jìn)行標(biāo)記. 服務(wù)端采用的電力北斗基準(zhǔn)站間距最大在190 km,最小間距在92 km. 解算的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)的日期為2023年10月1日至2023年10月6日(年積日274—279).
圖1 國(guó)家電網(wǎng)四川省連續(xù)運(yùn)行參考網(wǎng)15個(gè)參考站分布圖
在解算服務(wù)端產(chǎn)品時(shí),使用了BDS和GPS的廣播星歷以及BDS的B1、B3和GPS的L1、L2 的觀測(cè)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)采樣間隔為1 s. 兩個(gè)系統(tǒng)采用等權(quán)處理策略,偽距和相位觀測(cè)值的精度分別為0.3 m和0.003 m,使用衛(wèi)星高度角進(jìn)行加權(quán). 對(duì)流層干延遲模型采用UNB3模型,濕延遲采用隨機(jī)游走模型,譜密度為0.001m/,投影函數(shù)采取全球投影函數(shù) (global mapping function, GMF). 衛(wèi)星鐘差和電離層延遲采用白噪聲,相位偏差作為時(shí)不變參數(shù),模糊度作為弧段常數(shù)進(jìn)行估計(jì);各參考站坐標(biāo)均固定.
模糊度固定時(shí)采用部分模糊度法[21]固定:在模糊度固定前,先選取大于20°觀測(cè)值的衛(wèi)星高度角作為候選模糊度子集,然后采用模糊度精度因子(ambiguity dilution of precision, ADOP)值法[22]對(duì)候選的模糊度子集再進(jìn)行篩選,ADOP值的閾值為0.5周. 最后采用最小二乘降相關(guān)算法(least-squares AMBiguity decorrelation adjustment, LAMBDA )[23]對(duì)最終篩選出的模糊度子集進(jìn)行模糊度固定,當(dāng)解算的模糊度ratio值大于等于2時(shí),認(rèn)為模糊度固定成功.
用戶端和服務(wù)端的解算策略一致,但衛(wèi)星鐘差、相位偏差和大氣產(chǎn)品采用服務(wù)端解算的產(chǎn)品,位置參數(shù)在動(dòng)態(tài)或者仿動(dòng)態(tài)情況下作為時(shí)變參數(shù)進(jìn)行處理.
文獻(xiàn)[24]提出非差非組合PPP-RTK技術(shù)在同時(shí)估計(jì)衛(wèi)星鐘差、相位偏差和大氣產(chǎn)品時(shí),各類產(chǎn)品之間是高度相關(guān)的,單獨(dú)評(píng)估每一類產(chǎn)品精度的意義不大. 下面給出2023年10月1日(年積日274天)服務(wù)端各類產(chǎn)品時(shí)間序列圖及其精度進(jìn)行分析,如圖2~5所示,需要注意的是各產(chǎn)品的精度(standard deviation,STD)是由PPP-RTK服務(wù)端的方差協(xié)方差陣通過誤差傳播定律得到的.
圖2 PPP-RTK服務(wù)端計(jì)算的衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品及精度
圖3 PPP-RTK服務(wù)端計(jì)算的衛(wèi)星相位偏差產(chǎn)品及精度
由圖2~5可知,PPP-RTK服務(wù)端在解算產(chǎn)品時(shí)需要一定的收斂時(shí)間,收斂后產(chǎn)品的STD值才趨于穩(wěn)定. 衛(wèi)星鐘差的STD在2 cm左右,衛(wèi)星相位偏差的STD值在1 cm左右;電離層產(chǎn)品的STD值在2 cm左右;對(duì)流層產(chǎn)品的STD值在2 mm左右.
結(jié)合圖2~4的STD時(shí)間序列圖,發(fā)現(xiàn)三者對(duì)應(yīng)衛(wèi)星的STD值得變化趨勢(shì)基于一致,從而也證明了文獻(xiàn)[24]中的結(jié)論:采用非差非組合PPP-RTK技術(shù)在同時(shí)估計(jì)衛(wèi)星鐘差、相位偏差和大氣產(chǎn)品時(shí),衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星相位偏差和電離層之間是相關(guān)的.
對(duì)比圖2~3中BDS和GPS的衛(wèi)星鐘差和衛(wèi)星相位偏差產(chǎn)品及精度,發(fā)現(xiàn)GPS衛(wèi)星鐘差和相位偏差的時(shí)間序列的波動(dòng)性要比BDS的小一些,原因是北斗二號(hào)(BeiDou-2 Navigation Satellite System, BDS-2)衛(wèi)星鐘的穩(wěn)定性相比北斗三號(hào)(BeiDou-3 Navigation Satellite System, BDS-3)和GPS鐘的穩(wěn)定性要差一些,而上圖中BDS產(chǎn)品是包含了BDS-2的.
由圖4可知,BDS衛(wèi)星建模的電離層數(shù)量少于衛(wèi)星鐘差和衛(wèi)星相位偏差的數(shù)目,原因是前期BDS衛(wèi)星的衛(wèi)星相位鐘差和相位偏差的波動(dòng)性較大,導(dǎo)致解算出來的電離層精度較低,無法滿足電離層建模的要求,這也證明了采用非差非組合PPPRTK技術(shù)在同時(shí)估計(jì)衛(wèi)星鐘差、相位偏差和大氣產(chǎn)品時(shí),衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星相位偏差和電離層之間是相關(guān)的. 在圖4中,BDS和GPS部分衛(wèi)星出現(xiàn)了電離層值為負(fù)的情況,說明電離層的值和接收機(jī)碼偏差是相關(guān)的.
圖4 PPP-RTK服務(wù)端計(jì)算的電離層產(chǎn)品及精度
圖5 PPP-RTK服務(wù)端計(jì)算的對(duì)流層產(chǎn)品及精度
為評(píng)估PPP-RTK用戶端的定位性能,本文從收斂時(shí)間、定位精度和首次固定時(shí)間(time to first fixed,TTFF)三方面進(jìn)行了分析. 收斂的定義為水平定位誤差小于5 cm,高程定位誤差小于8 cm且至少連續(xù)20個(gè)歷元. 定位精度由收斂后三個(gè)方向的RMS值來確定. 首次固定時(shí)間是針對(duì)模糊度固定解模式下,模糊度ratio大于2,且達(dá)到收斂條件.
為了避免PPP-RTK服務(wù)端產(chǎn)品收斂過程對(duì)PPP-RTK用戶端定位性能的影響,當(dāng)PPP-RTK服務(wù)端啟動(dòng)2 h后,用戶端才使用服務(wù)端的產(chǎn)品進(jìn)行定位解算.
圖6~8分別展示了ABRT、ABWC和ABLH三個(gè)參考站在仿動(dòng)態(tài)模式下使用BDS、GPS和BDS+GPS模糊度固定解和浮點(diǎn)解的PPP-RTK定位結(jié)果.由圖6~8可知,無論是BDS和GPS還是BDS+GPS的PPP-RTK固定解,精度和收斂時(shí)間都明顯優(yōu)于PPP-RTK浮點(diǎn)解的定位結(jié)果,這也說明模糊度固定解不僅能提高PPP-RTK精度還能縮短收斂時(shí)間. (需要說明的ABRT、ABWC和ABLH三個(gè)參考站分別位于PPP-RTK服務(wù)端網(wǎng)外、網(wǎng)邊緣和網(wǎng)內(nèi)). 為了更好的說明PPP-RTK用戶端的定位性能,下面給出具體的量化統(tǒng)計(jì)指標(biāo).
圖6 ABRT測(cè)站PPP-RTK模糊度固定解和浮點(diǎn)解的定位結(jié)果
圖7 ABWC 測(cè)站PPP-RTK模糊度固定解和浮點(diǎn)解的定位結(jié)果
圖8 ABLH 測(cè)站PPP-RTK 模糊度固定解和浮點(diǎn)解的定位結(jié)果
表2展示了使用BDS、GPS和BDS+GPS三個(gè)測(cè)站在年積日274天不同解算模式下的平均收斂時(shí)間和三個(gè)方向的平均RMS. 需要注意的是,表2的收斂時(shí)間針對(duì)PPP-RTK固定解模式也代表模糊度首次固定時(shí)間,說明在PPP-RTK固定解的解算模式下,當(dāng)模糊度首次固定時(shí)就已經(jīng)滿足了上述提到的收斂要求.
表2 BDS/GPS/GPS+BDS 定位平均收斂時(shí)間與RMS
使用BDS時(shí),PPP-RTK模糊度浮點(diǎn)解的收斂時(shí)間在16 min左右,水平方向的RMS小于5 cm,高程方向的RMS小于10 cm;使用GPS時(shí),收斂時(shí)間在10 min左右,水平方向的RMS小于8 cm,高程方向的RMS小于15 cm;使用BDS+GPS時(shí),PPP-RTK模糊度的收斂時(shí)間在15 min左右,水平方向的RMS小于3 cm,高程方向的RMS小于6 cm;從浮點(diǎn)解的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)來看,單獨(dú)使用GPS時(shí),浮點(diǎn)解的收斂時(shí)間最短,但相比使用BDS和BDS+GPS,三個(gè)方向的RMS值較大,表明收斂后定位結(jié)果不穩(wěn)定或出現(xiàn)了重收斂的情況.
通過分析PPP-RTK服務(wù)端的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在年積日274日03:00時(shí)后,基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)出現(xiàn)短暫的中斷,導(dǎo)致用戶端產(chǎn)品缺失,用戶端在定位時(shí)出現(xiàn)了可用衛(wèi)星數(shù)反復(fù)跳變的情況,由于使用BDS或BDS+GPS時(shí),衛(wèi)星數(shù)目較多,可用衛(wèi)星數(shù)反復(fù)跳變對(duì)其影響較小,但對(duì)單獨(dú)使用GPS的用戶而言,影響較大,所以單獨(dú)使用GPS時(shí),浮點(diǎn)解和固定解收斂后的三個(gè)方向的RMS比較大.
使用單BDS或者使用BDS+GPS時(shí),PPP-RTK模糊度首次固定平均時(shí)間都小于1 min,固定后水平方向的RMS值小于3 cm,高程方向的RMS小于8 cm.PPP-RTK模糊度固定解的收斂時(shí)間和精度都遠(yuǎn)優(yōu)于PPP-RTK模糊度浮點(diǎn)解,針對(duì)BDS而言,PPP-RTK模糊度固定相比PPP-RTK模糊度浮點(diǎn)解,在E、N和U三個(gè)方向的RMS分別提高了80%、83.3%和23.2%,收斂時(shí)間提高了96.8%. 針對(duì)BDS+GPS而言,PPP-RTK模糊度固定解相比PPP-RTK模糊度浮點(diǎn)解,在E、N和U三個(gè)方向的RMS分別提高了78.6%、36.4%和-0.07%,收斂時(shí)間提高了99.4%.
從總體定位結(jié)果來看,本次試驗(yàn)使用BDS、GPS和BDS+GPS在U方向的定位結(jié)果略差,主要是因?yàn)閰⒖颊居胁糠纸邮諜C(jī)天線型號(hào)缺失,在服務(wù)端解算產(chǎn)品時(shí)沒有進(jìn)行接收機(jī)端的天線改正,因此從總的定位誤差來看,U方向的定位性能較差.
國(guó)網(wǎng)公司正在大力推進(jìn)BDS在電力業(yè)務(wù)中的應(yīng)用,當(dāng)前已建立了電力北斗精準(zhǔn)位置服務(wù)網(wǎng)和時(shí)頻服務(wù)網(wǎng),可提供高精度定位導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù). 針對(duì)電力北斗精準(zhǔn)位置服務(wù)網(wǎng)在無公網(wǎng)地區(qū)或地形條件復(fù)雜地區(qū)無法為無人機(jī)電力巡檢提供高精度定位服務(wù)保障的問題,本文結(jié)合GNSS當(dāng)前最前沿的精密定位技術(shù)PPP-RTK,提出了基于BDS的PPP-RTK技術(shù)來實(shí)現(xiàn)無人機(jī)電力巡檢業(yè)務(wù),該技術(shù)不需要依賴分布在全球的參考站計(jì)算的高精度軌道信息,服務(wù)端只需要廣播星歷和GNSS觀測(cè)值就可以解算出高精度的改正產(chǎn)品供用戶端進(jìn)行使用,用戶端采用服務(wù)端的產(chǎn)品就可以解算到高精度的位置信息.
為驗(yàn)證基于BDS的PPP-RTK技術(shù)來實(shí)現(xiàn)無人機(jī)電力巡檢業(yè)務(wù)的可行性,選用了國(guó)網(wǎng)公司四川省內(nèi)電力北斗基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行了BDS、GPS和BDS+GPS定位解算試驗(yàn),主要結(jié)論如下:
1)在PPP-RTK服務(wù)端采用非差非組合的PPPRTK的函數(shù)模型進(jìn)行衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星相位偏差、電離層和對(duì)流層同步估計(jì)時(shí),各類產(chǎn)品是高度相關(guān)的,當(dāng)PPP-RTK服務(wù)端產(chǎn)品穩(wěn)定收斂后,各類產(chǎn)品的STD值可達(dá)到厘米級(jí).
2)用國(guó)網(wǎng)公司四川省內(nèi)電力北斗基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)模擬PPP-RTK用戶,在仿動(dòng)態(tài)模式下,使用BDS時(shí),PPP-RTK模糊度浮點(diǎn)解的收斂時(shí)間在16 min左右,水平方向的RMS小于5 cm,高程方向的RMS小于10 cm;使用GPS時(shí),收斂時(shí)間在10 min左右,水平方向的RMS小于8 cm,高程方向的RMS小于15 cm;使用BDS+GPS時(shí),PPP-RTK模糊度的收斂時(shí)間在15 min左右,水平方向的RMS小于3 cm,高程方向的RMS小于6 cm.
3)用國(guó)網(wǎng)公司四川省內(nèi)電力北斗基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)模擬PPP-RTK用戶,在仿動(dòng)態(tài)模式下,單使用BDS或者使用BDS+GPS時(shí),PPP-RTK模糊度首次固定平均時(shí)間小于1 min,固定后水平的RMS值小于3 cm,高程方向的RMS小于8 cm.
4)國(guó)網(wǎng)公司四川省內(nèi)電力北斗基準(zhǔn)站網(wǎng)中部分基準(zhǔn)站是建設(shè)在變電站的環(huán)境下的,文章中未考慮變電站環(huán)境下的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)PPP-RTK的定位影響,后期將進(jìn)一步進(jìn)行分析.