海洋測繪中GNSS差分定位的方法與精度

董 江

(1.武漢大學(xué)測繪學(xué)院.武漢4:30079；2.交通運輸部天津海事測繪中心，天津　300222))

0 引言

在海洋測繪中，當(dāng)前確定測船的水平位置主要依靠全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)的差分定位方法，可用的GNSS包括美國的全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GLONASS)、歐洲的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo navigation satellite system，Galileo)和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)。備選的差分定位方法包括實時動態(tài)(real-time kinematic，RTK)差分、信標(biāo)差分和星站差分等。在海上作業(yè)時，測船在大多數(shù)情況下無法接收到陸域差分用的連續(xù)運行參考站(continuously operating reference stations，CORS)信號，故本文不討論CORS定位的相關(guān)問題。

各種差分定位方式的作用距離和定位精度各異。文獻[1-2]研究了GNSS-RTK星座組合進行常規(guī)差分定位的精度，文獻[3]研究了RTK在高層建筑動態(tài)變形監(jiān)測方面的應(yīng)用，文獻[4]介紹了中國沿海信標(biāo)(Beacon)差分定位系統(tǒng)，文獻[5-6]對星站差分技術(shù)做了相應(yīng)介紹，文獻[7]研究了星站差分技術(shù)在海島礁控制測量上的可行性，文獻[8]研究了BDS廣域差分性能的評估技術(shù)。目前大部分學(xué)者只是針對同一種差分定位技術(shù)或同一種系統(tǒng)的差分進行研究，探討其精度和應(yīng)用。然而對于用戶來說，如何選擇一種即滿足精度要求又能兼顧作用距離、效率、費用等因素的差分定位方式是很重要的。本文通過實測的方法，對這些差分定位技術(shù)在海洋測繪中的精度進行驗證和比較分析，從而得出一些有益的結(jié)論，為業(yè)內(nèi)同仁提供參考依據(jù)。

1 GNSS差分定位方法

GNSS系統(tǒng)的工作原理是根據(jù)多顆衛(wèi)星的位置信息和到達地面點的距離值解算地面點的具體位置。在解算過程中由于受到衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星時鐘誤差、電離層時間延遲誤差、對流層誤差、信號多路徑效應(yīng)、地球固體潮、用戶接收機時鐘誤差、接收機跳變等因素的影響，實測距離并非衛(wèi)星到用戶的真實距離。差分技術(shù)就是通過地面點已知位置(基站)和接收機觀測數(shù)據(jù)解算出上述誤差的改正信息，或利用地球靜止軌道衛(wèi)星和全球分布的位置已知的參考站，通過對GNSS定位測量的誤差源進行區(qū)分和模型化，計算出每一種誤差的改正值，再將這些改正信息實時發(fā)送給用戶，用戶接收機將測量結(jié)果進行改正就能得到精確位置。根據(jù)目前國內(nèi)海洋測繪差分定位系統(tǒng)的使用現(xiàn)狀，可以將這些差分定位技術(shù)分為兩大類：地基增強局域差分系統(tǒng)和星基增強廣域差分系統(tǒng)。

1.1 地基增強局域差分系統(tǒng)

RTK差分是同時采用2臺GNSS接收機工作，1臺安置在地面已知坐標(biāo)的基準(zhǔn)點上，通過該點測得的坐標(biāo)與已知坐標(biāo)比較，得到測區(qū)一定范圍內(nèi)的公共誤差值，然后將公共誤差值通過電臺實時傳輸?shù)搅?臺接收機，該臺接收機將所在測點測得的坐標(biāo)進行誤差改正，獲得該點精確的坐標(biāo)值。RTK常規(guī)差分定位的優(yōu)點是定位精度高，通常為厘米級；但缺點也很明顯，例如計算整周模糊度需要的數(shù)據(jù)量很大，計算時間長，需要架設(shè)基站，作用范圍小(一般10 km以內(nèi))等[1-3]。

交通運輸部于1995—2000年在我國沿海地區(qū)建造了20座信標(biāo)臺站，并于2002年全面開通，它是通過基于區(qū)域信標(biāo)基站的差分，正式為公眾用戶提供免費的海上高精度導(dǎo)航定位服務(wù)，通常稱為Beacon信標(biāo)差分。信標(biāo)臺站相當(dāng)于RTK差分定位的基準(zhǔn)站，這些信標(biāo)臺站24 h發(fā)送航海無線電技術(shù)委員會(radio technical commission for maritime services，RTCM)差分校正信息，其作用距離陸地為100 km，海上約300 km，用戶端只需要1臺GNSS接收機就可以實現(xiàn)高精度的實時定位。有研究表明，隨著BDS的建設(shè)和完善，目前通過BDS偽距差分和BDS/GPS聯(lián)合偽距差分算法，信標(biāo)差分的平面定位精度優(yōu)于1.5 m[4，9-10]。

1.2 星基增強廣域差分系統(tǒng)

廣域差分定位系統(tǒng)又稱星基增強系統(tǒng)(satellite-based augmentation system，SBAS)或星站差分系統(tǒng)，是利用地球靜止軌道衛(wèi)星和全球分布的參考站(位置已知)，對導(dǎo)航定位衛(wèi)星進行監(jiān)測，獲得原始定位數(shù)據(jù)(偽距、載波相位觀測值等)，并送至中央處理設(shè)施(主控站)，將GNSS定位測量的誤差源進行區(qū)分和模型化，算得每一種誤差的修正值，并將修正值通過上行注入站發(fā)給地球靜止軌道(geostationary Earth orbit，GEO)衛(wèi)星，再利用數(shù)據(jù)通訊鏈將修正值播發(fā)給廣大用戶，對用戶測得的坐標(biāo)值加以修正，從而提高定位測量的精度。廣域差分定位系統(tǒng)將星歷誤差、衛(wèi)星鐘差和電離層時延等組成的誤差校正矢量提供給用戶，用戶通過這種誤差矢量校正技術(shù)，既可以克服局域差分技術(shù)中定位誤差對基準(zhǔn)站和用戶站之間的時空相關(guān)性，又能達到局域差分定位系統(tǒng)的精度水平。因此，從理論上講，在廣域差分定位系統(tǒng)中，借助于強大的數(shù)據(jù)通訊鏈，用戶與基準(zhǔn)站之間的距離不受限制。目前SBAS星站差分有美國的廣域增強系統(tǒng)(wide area augmentation aystem，WAAS)、歐洲的靜地導(dǎo)航重疊服務(wù)系統(tǒng)(European geostationary navigation overlay service，EGNOS)、日本的多功能衛(wèi)星增強系統(tǒng)(multi-functional satellite augmentation system，MSAS)等，在我國海域SBAS星站差分可以采用覆蓋亞洲大陸的日本MSAS的免費部分[5-8]。

中國精度ChinaCM差分系統(tǒng)也是一種星基增強系統(tǒng)，是北京合眾思壯科技股份有限公司于2015年6月推出的，是一套兼容BDS、GPS、GLONASS等導(dǎo)航定位系統(tǒng)的綜合服務(wù)系統(tǒng)，目前尚處于設(shè)計試驗階段。其設(shè)計理念是：利用全球范圍內(nèi)的CORS站，通過數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)到星基增強數(shù)據(jù)中心，計算出3類廣域差分定位系統(tǒng)中的誤差修正值，即每一顆GNSS衛(wèi)星的星歷誤差、衛(wèi)星鐘差和電離層時延等誤差修正值；然后通過數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)將這些誤差修正值上傳到專用的通信衛(wèi)星，通過L波段地球同步軌道通信衛(wèi)星向全球播發(fā)差分?jǐn)?shù)據(jù)；用戶端接收該差分?jǐn)?shù)據(jù)。根據(jù)用戶定位服務(wù)的等級需求和GNSS接收機自身的數(shù)據(jù)，差分定位精度可分別達到米級、分米級和厘米級，使地基增強局域差分系統(tǒng)的信號無法到達的，如高山、沙漠、海洋等區(qū)域也能夠?qū)崿F(xiàn)類似局域差分系統(tǒng)的高精度的定位服務(wù)[11]。

2 差分定位精度實測試驗

為了驗證上述RTK常規(guī)差分、Beacon信標(biāo)差分、MSAS星站差分、ChinaCM星站差分等這4種差分定位方法的作用距離和定位精度，本文將實測試驗分為3次：第1次試驗地點設(shè)在內(nèi)陸，第2次試驗地點設(shè)在海岸邊，第3次試驗地點設(shè)在海上。

2.1 實測試驗1

2.1.1 試驗儀器及方法

本次試驗地點位于天津市濱海新區(qū)，且離海邊約40 km的一處內(nèi)陸開闊地帶。

試驗所用儀器：2臺海星達H32型接收機(RTK的平面定位精度：±(10 mm+1×10-6D))，2臺Hemisphere R330型接收機(平面定位精度：±0.3 m)，1臺合眾思壯G10A型接收機(平面定位精度：①常規(guī)RTK：±(8 mm+1×10-6D)；②中國區(qū)域的精度：±(5～12 cm))。

本次試驗是將1臺海星達H32型接收機架設(shè)在一個已知點上作為基準(zhǔn)站，其余接收機均任意設(shè)站，其中另1臺海星達H32型接收機采集常規(guī)RTK差分?jǐn)?shù)據(jù)，2臺Hemisphere R330型接收機分別采集Beacon信標(biāo)差分?jǐn)?shù)據(jù)和日本MSAS星站差分?jǐn)?shù)據(jù)，1臺合眾思壯G10A型接收機采集中國精度ChinaCM星站差分?jǐn)?shù)據(jù)。所有接收機連續(xù)采集1 h，采樣頻率均為1 Hz。

2.1.2 試驗結(jié)果與分析

圖1～圖4分別為本次在陸地(離海邊約40 km)試驗的RTK常規(guī)差分、Beacon信標(biāo)差分、MSAS星站差分和ChinaCM星站差分的定位點云圖。表1為本次試驗的坐標(biāo)及點位中誤差。

圖1 陸地RTK常規(guī)差分定位點云圖

圖2 陸地Beacon信標(biāo)差分定位點云圖

(說明：與數(shù)學(xué)坐標(biāo)系相反，圖中為測量坐標(biāo)系，豎軸為X軸。)

圖3 陸地MSAS星站差分定位點云圖

圖4 陸地ChinaCM星站差分定位點云圖

表1 陸地試驗的坐標(biāo)及點位中誤差 m

在圖1～圖4中，點云圖都以6個同心圓為參考背景，圖1和圖4的最大同心圓半徑分別為2.4 cm和6.0 cm，圖2和圖3的最大同心圓半徑均為1.2 m。從圖1～圖4可以看出：在離海邊約40 km的內(nèi)陸，RTK的離散度最小，點云基本都集中在2.0 cm以內(nèi)，與常識相符；ChinaCM的離散度次之，其X方向有極少數(shù)超過6.0 cm，Y方向都在4.0 cm以內(nèi)；Beacon的離散度最大，其X方向有少數(shù)超過1.2 m ，Y方向都在1.0 m以內(nèi)；MSAS的定位點云是沿著一條明晰的連續(xù)曲線漂移，其漂移曲線的范圍為X方向在1.1 m以內(nèi)，Y方向在0.7 m以內(nèi)。

從表1中可以得知，RTK和ChinaCM的點位中誤差均在厘米級，分別為±1.0 cm和±2.5 cm；Beacon和MSAS的點位中誤差均在分米級，分別為±6.41 dm和±4.92 dm。

2.2 實測試驗2

2.2.1 試驗儀器及方法

在本次和下次試驗中，RTK常規(guī)差分方法不再參與試驗。

本次試驗地點位于天津市濱海新區(qū)的一處海岸邊上。與試驗1相比，除了不再用2臺海星達H32型接收機以外，試驗所用儀器、儀器的采集時間和采樣頻率均與試驗1相同。

2.2.2 試驗結(jié)果與分析

圖5～圖7分別為本次在海岸邊試驗的Beacon信標(biāo)差分、MSAS星站差分和ChinaCM星站差分的定位點云圖，表2為海岸邊試驗的坐標(biāo)及點位中誤差。

在圖5～圖7中，點云圖亦都以6個同心圓為參考背景，圖5和圖6的最大同心圓半徑均為0.9 m，圖7的最大同心圓半徑為4.2 cm。

圖5 海岸邊Beacon信標(biāo)差分定位點云圖

圖6 海岸邊MSAS星站差分定位點云圖

圖7 海岸邊ChinaCM星站差分定位點云圖

表2 海岸邊試驗的坐標(biāo)及點位中誤差 m

從圖5～圖7可以看出：在靠近海岸邊上，ChinaCM的離散度最小，除了極個別以外，基本都在4.2 cm以內(nèi)；Beacon的離散度還是最大，除了極個別以外，基本都在0.9 m以內(nèi)；MSAS的定位點云亦是沿著一條明晰的連續(xù)曲線漂移，其漂移曲線的范圍為X方向在0.6 m以內(nèi)，Y方向在0.3 m以內(nèi)。

從表2中可以得知：ChinaCM的點位中誤差為厘米級，為±1.7 cm；Beacon和MSAS的點位中誤差均在分米級，分別為±3.83 dm和±3.31 dm。這3種差分定位方法在海岸邊比其在內(nèi)陸的點位中誤差都要小(參看表1)。

2.3 實測試驗3

2.3.1 試驗儀器及方法

本次試驗地點位于渤海海域且離岸約80 km的一座海洋石油鉆井平臺上。試驗所用儀器、儀器的采集時間和采樣頻率均與試驗2相同。

2.3.2 試驗結(jié)果與分析

圖8～圖10分別為本次在海上試驗的Beacon信標(biāo)差分、MSAS星站差分和ChinaCM星站差分的定位點云圖。

圖8 海上Beacon信標(biāo)差分定位點云圖

圖9 海上MSAS星站差分定位點云圖

圖10 海上ChinaCM星站差分定位點云圖

表3 海上試驗的坐標(biāo)及點位中誤差 m

在圖8～圖10中，點云圖亦都以6個同心圓為參考背景，圖8的最大同心圓半徑為2.4 m，圖9的最大同心圓半徑為3.6 m，圖10的最大同心圓半徑為24 cm。從圖8～圖10可以看出:在離岸約80 km的海上，還是ChinaCM的離散度最小，除極少數(shù)以外，基本都在24 cm以內(nèi)；Beacon的離散度的最大范圍比MSAS的要小，X方向在2.0 m以內(nèi)，Y方向在1.2 m以內(nèi)；MSAS的定位點云是沿著一條明晰的具有一定直線度的連續(xù)曲線漂移，其漂移曲線的范圍為X方向在3.6 m以內(nèi)，Y方向在2.4 m以內(nèi)。

從表3中可以得知， Beacon、MSAS 和ChinaCM的點位中誤差均為分米級，它們分別為±6.29 dm、±4.07 dm和±1.06 dm。Beacon和MSAS與它們在內(nèi)陸的點位中誤差相當(dāng)，但比它們在海岸邊的點位中誤差要大(參看表1和表2)，ChinaCM比其在內(nèi)陸和海岸邊的點位中誤差都要大得多(參看表1和表2)。

3 結(jié)束語

1)RTK、Beacon、MSAS、ChinaCM這4種差分定位方法中，還是RTK常規(guī)差分的精度最高(點位中誤差在厘米級：±1.0 cm;定位點云范圍在2.0 cm以內(nèi))，但眾所周知其作用范圍較小(10 km)，因此，對于離岸線較近且要求定位精度較高的海洋測繪，可以考慮采用此方法。

2)Beacon信標(biāo)差分定位的精度為分米級，其最優(yōu)精度在海岸邊：點位中誤差為±0.383 m，定位點云范圍在1.0 m以內(nèi)；在離岸40 km的內(nèi)陸和離岸80 km的海上，其點位中誤差基本相當(dāng)，分別為±0.641 m和±0.629 m，定位點云范圍分別為1.4 m和2.0 m。

3)MSAS星站差分定位的精度為分米級，最優(yōu)精度亦在海岸邊：點位中誤差為±0.331 m，定位點云范圍在0.6 m以內(nèi)，在離岸40 km的內(nèi)陸和離岸80 km的海上，其點位中誤差分別為±0.492 m和±0.407 m，定位點云范圍分別為1.1 m和3.6 m。另外，MSAS星站差分定位有一個不同于其它幾種方法的特性：MSAS的定位點云

是沿著一條明晰的連續(xù)曲線漂移，由此可以認(rèn)為，即在較短的時域內(nèi)，它具有較高的內(nèi)符合定位精度。

4)ChinaCM星站差分在離岸40 km的內(nèi)陸和海岸邊的定位精度均為厘米級，其點位中誤差分別為±2.5 cm和±1.7 cm，定位點云范圍基本在6.0 cm和4.2 cm以內(nèi)；在離岸80 km的海上的定位精度為分米級：點位中誤差為±1.06 dm，定位點云范圍基本在2.4 dm以內(nèi)。

5)由于在離岸超過300 km的海上，本次試驗未能找到固定平臺或穩(wěn)固不定的儀器架設(shè)點，因此無法進一步測試或驗證Beacon、MSAS和ChinaCM，相信Beacon將不能使用，MSAS能繼續(xù)使用但其精度怎樣？而ChinaCM是否能繼續(xù)使用？精度又如何？值得進一步試驗研究。

[1] 葉作安，繆錦根. GPS/BDS/GLONASS的RTK定位精度研究[J].導(dǎo)航定位學(xué)報，2016，4(3)：77-81.

[2] 施克，雷海林，陳永生，等.GNSS RTK建立等級控制點精度分析[J].導(dǎo)航定位學(xué)報，2015，3(4)：106-109.

[3] 熊春寶，田力耘，葉作安，等.基于GNSS-RTK技術(shù)的超高層結(jié)構(gòu)動態(tài)變形監(jiān)測[J].測繪通報，2015(7)：14-17，31.

[4] 繆錦根，劉東全.中國沿海RBN-DGPS系統(tǒng)功能升級的構(gòu)想[J].地理空間信息，2010，8(4)：60-62，65.

[5] 邵搏，耿永超，丁群.國際星基增強系統(tǒng)綜述[J].現(xiàn)代導(dǎo)航，2017(3)：157-161.

[6] 楊懷春.星站差分GPS定位技術(shù)介紹[J].物探裝備，2004，14(3)：198-201.

[7] 萬家歡，將其偉.星站差分應(yīng)用于遠海島礁控制測量的可行性分析[J].全球定位系統(tǒng)，2014，39(2)：71-73.

[8] 任暉，辛潔，趙金賢，等.北斗系統(tǒng)廣域差分性能評估技術(shù)研究[J].導(dǎo)航定位學(xué)報，2015，3(4)：7-10.

[9] 王成，崔健慧，施闖，等.中國沿海RBN-DGNSS系統(tǒng)北斗差分定位性能測試及分析[J].大地測量與地球動力學(xué)，2015，35(3)：412-415，423.

[10] 柴進柱，黃永軍.北斗沿海差分導(dǎo)航與精密定位服務(wù)系統(tǒng)[J].海洋測繪，2016，36(3)：41-43，47.

[11] 郭四清，張丁.星基增強系統(tǒng)“中國精度”與CORS網(wǎng)的對比分析[J].地理空間信息，2016，14(5)：1-4.