广东省北斗地基增强系统的建立与性能分析

刘文建，邹 璇

（1.武汉大学 卫星导航定位技术研究中心，湖北 武汉 430079；2.广东省国土资源测绘院，广东 广州 510500）

广东省北斗地基增强系统的建立与性能分析

刘文建1,2，邹 璇1

（1.武汉大学 卫星导航定位技术研究中心，湖北 武汉 430079；2.广东省国土资源测绘院，广东 广州 510500）

探讨了广东省北斗地基增强系统的建立方法与流程，并对系统定位性能进行了全面的测试。结果表明，北斗、GPS、GLONASS三大系统融合服务稳定、可靠、可用性高，可向用户提供实时cm级、亚m级和1 m级导航定位服务。

GDCORS；北斗；地基增强系统；精密定位服务

北斗卫星导航系统（BDS）是我国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。系统建设目标是建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的BDS，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用[1-2]。

当前，BDS高精度导航定位应用面临的主要问题是缺少必要的BDS地面综合服务基础设施，无法为各类用户提供无缝的服务。为此，我国正按照“统一规划、统一标准、共建共享”的原则构建“全国一张网”的地基增强系统；计划到2018年底，在框架网的基础上建立全国范围的加密CORS站网，将数据精度提高到cm级，后处理定位精度将达到mm级[3-4]。

针对广东省连续运行参考站（GDCORS）系统广泛提供应用服务而又迫切需要升级的现状，采取“先实验、后示范、再实施”的总体流程，经过近2 a的发展，于2015年12月建成了我国第一个具有完全自主知识产权的广域与区域融合的北斗精密定位在线运行服务系统——广东省北斗地基增强系统（GDBDAS）。

1 系统建立

1.1 广东省CORS概况

广东省CORS大多数在2008年前完成建设，因此90%的区域仍只支持GPS的区域增强服务，设备开始老化，迫切需要升级。本文采用“先实验、后示范、再实施”的总体流程，重点研究并解决了设备选型测试、与已有天线的兼容性测试、差分数据源格式测试、基准站升级、坐标基准延续等问题。

1.2 系统建立

示范系统（试点工程）建成以来，在珠海区域得到了广泛应用， GDCORS升级于2015年进入全面建设阶段，完成了85个北斗/GNSS基准站和1个控制中心的建设工作；建立了北斗网络RTK、DGNSS、PPP、PPP-RTK服务平台，可向广东省各类用户提供实时cm级、亚m级和m级导航定位服务。

基准站的北斗/GNSS接收机采用并置升级方案，即充分利用原基准站系统设备及通信链路，采用功分器将新天线（如原有天线不支持北斗信号）的数据流一 分为二，分别进入原有的GPS接收机和升级后的北斗/ GPS/GLONASS接收机。升级后的基准站结构见图1。

图1 基准站结构图

控制中心功能软件主要包括北斗/GNSS基准站管理系统、北斗/GNSS网络RTK处理系统等，实现了广域/区域融合的快速实时精密定位和事后高精度定位等服务，总体软件部署及功能如图2所示。

2 系统关键技术

2.1 网络RTK系统完备性监测技术

为保障网络RTK系统服务时的完备性，在基准站间模糊度固定完备性监测时，采用统计量区别检验法，成功率、失败率指标法和组合法对所固定的模糊度进行正确性评估；在大气误差完备性监测时，通过建立不同类型大气误差区域内插模型的方式计算其完备性监测指标RIM及内插不确定性指标RIU；在用户自主完备性监测时，用户在接收到各卫星的观测数据后，利用最小二乘或卡尔曼滤波方法进行差分定位。根据用户接收机的多余观测值，基于单位权中误差进行粗差探测。当单位权方差在给定置信水平下大于特定限值时，采用卡方检验对观测值中存在的粗差进行有效剔除，从而监测用户定位结果的完备性[5]。

图2 控制中心主要软件部署及功能

2.2 北斗/GNSS区域PPP-RTK技术

针对我国北斗系统在建设初期各类误差改正模型尚未有效精化的现状，采用北斗系统区域地基增强信息实时差分建模方法，综合利用北斗三频组合观测值、精确已知的基准站坐标等多个条件，实现了基准站网双差三频模糊度的快速固定；再通过加入适当的整数模糊度基准，映射得到各基准站与可视卫星间的非差整数模糊度，进而实现区域PPP-RTK增强信息的快速实时建模[6-7]。

2.3 北斗/GNSS广域区域融合的PPP技术

在综合分析比较现有非差、历元间差分、混合差分等函数模型优缺点的基础上，采用一种兼容多系统、多类型参数一步法估计的严密函数模型，并基于对各类导航系统星载原子钟特性的分析，建立了相应的钟差随机模型，实现了区域多系统的实时钟差解算；采用对每颗北斗/GNSS可视卫星进行实时电离层估计的方法，在一个先验电离层模型的基础上，为每颗卫星在每个历元提供一个额外的电离层延迟改正，从而有效反映电离层延迟小的局域性空间和时间变化特征；通过对多系统实时PPP的数学模型与数据处理方法的研究，提高了多系统实时PPP的精度和收敛速度。

3 系统性能测试及分析

在GDCORS系统改造升级项目试运行过程中进行了大量的野外测试工作，以验证各项技术指标是否满足设计要求，主要包括动态参考基准、事后精密定位、区域实时定位（网络RTK）、广域PPP实时定位等性能与精度的测试。

3.1 动态参考基准精度分析

为检验静态基线解算精度，利用GDBDAS中所有站点连续5 d的北斗与GPS观测数据，采用武汉大学自主研制的Panda软件，分别得到北斗及GPS的单天解算结果，其RMS统计如表1所示。

表1 BDS各天所有点站点与均值的RMS统计/mm

由表1可知，北斗与GPS解算结果的重复性精度，平面方向均优于高程方向；北斗解算结果在北方向精度最佳，与GPS相当；东方向在某些天稍差于GPS，但处于同一量级；高程方向整体差于GPS解算结果，重复性精度有所提高，这可能与北斗系统的精密轨道与钟差产品以及天线相位中心改正等相关。

3.2 事后精密定位精度分析

选取GDBDAS不同长度的基线，利用Panda基线解算软件进行单基线解算：采用LC无电离层组合双差解算模式，并加入接收机天线相位中心改正；采用法方程叠加的方式，进行最小二乘参数估计，对超过50 km的长基线需增加一组天顶对流层延迟参数。解出方程的浮点解后，采用Lambda算法先固定宽巷模糊度，再固定L1模糊度，从而得到模糊度固定解。对于相对较短基线直接采用广播星历，长基线（＞50 km）则采用精密星历及钟差以提高数据解算精度。

本次测试共包含5组基线，基线长度为32～146 km，连续3 d（每2 h为一时段）解算结果的RMS见表2。

表2 连续3 d解算结果的RMS值（2h）

由表2可知，2 h快速静态解算精度已基本满足水平方向小于2 cm，垂直方向不大于5 cm的要求。

3.3 网络RTK实时定位精度分析

本文选取梅州市、清远市、惠州市和茂名市4个区域，每个区域观测场地为20个；每个观测场地选择无遮挡、一面遮挡、两面遮挡3个测试点；在每个点位上，按原GDCORS系统单GPS、GDBDAS的GPS+BDS等6种模式分别进行观测，总点数为4×20×3=240。在网络RTK精度的测试结果统计中，内符合精度统计点数为240个，外符合精度统计点数为25个（表3）；初始化时间统计见表4。

表3 内符合、外符合精度统计表/m

表4 网络RTK定位初始化时间汇总统计表

由表3可知，区域网覆盖范围内实时定位（GPS+BDS）的内符合精度为平面0.008 m，高程0.016 m，外符合精度为平面0.031 m，高程0.044 m，与原GDCORS系统精度相当，满足一般测绘工程应用需求；由表4可知，BDS、GPS+BDS模式固定率（含困难环境）较原GDCORS系统提升显著，且初始化时间（含困难环境）与原GDCORS的单GPS（困难环境（未固定）未纳入统计）水平一致。

3.4 广域PPP实时定位精度分析

本文模拟进行了基准站网外300 km的广域PPP实时定位精度测试，具体措施为：只选用粤西地区的部分基准站，在广州采用双频、单频流动站手持型接收机外接普通测量天线进行静态模拟动态测试，流动站距离最近基准站的距离约300 km，定位结果见表5。

表5 双频流动站定位精度统计/m

由表5可知，双频定位精度平面和高程均优于10 cm，N、E、U方向平均RMS分别为0.02 m、0.038 m和0.053 m；单频定位精度N、E、U方向平均RMS分别为0.526 m、0.712 m和1.046 m。

4 结 语

系统性能测试分析表明，GDBDAS建立了北斗/ GNSS网络RTK、DGNSS、PPP、PPP-RTK服务平台，可向广东省各类用户提供实时cm级、亚m级和1 m级导航定位服务。GDBDAS核心硬软件设备集中了不同领域具有自主研发知识产权的高科技产品，为北斗产业化的应用终端研制提供了完整的应用规范和标准支撑，将促进广东省乃至全国卫星导航产业应用技术创新及北斗产业化研发的快速发展。

[1]杨元喜. 北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J].测绘学报,2010,39(1):1-6

[2]刘经南,刘晖.建立我国卫星定位连续运行站网的若干思考[J].武汉大学学报(信息科学版),2003,28(增刊1):27-31

[3]宁津生,姚宜斌,张小红.全球导航卫星系统发展综述[J].导航定位学报,2013(1):3-8

[4]杨元喜,李金龙,王爱兵,等.北斗区域卫星导航系统基本导航定位性能初步评估[J].中国科学:地球科学,2014,44(1):72-81

[5]施闯, 赵齐乐, 李敏, 等. 北斗卫星导航系统的精密定轨与定位研究[J].中国科学:地球科学,2012,42(6):854-861

[6]邹璇,唐卫明,施闯,等.区域地基增强PPP-RTK模糊度快速固定方法研究[J].大地测量与地球动力学,2014,34(1):78-83

[7]邹璇,李宗楠,唐卫明,等. 一种适用于大规模用户的非差网络RTK服务新方法[J]. 武汉大学学报(信息科学版),2015,40(9):1 242-1 246

[8]唐卫明,徐坤,金蕾,等.北斗实时动动相对定位精度检测方法[J].武汉大学学报(信息科学版),2014,39(12):1 472-1 476

P228.4

B

1672-4623（2017）07-0014-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.07.004

刘文建，硕士，高级工程师，主要研究方向为CORS技术及其应用。

2016-12-16。

项目来源：武汉大学自主科研资助项目（2042016kf0184）；广东省科技计划资助项目（2013B020200009、2014A020219002）。