衛(wèi)星導航差分系統(tǒng)和增強系統(tǒng)（四）

+ 劉天雄

2.3.3 連續(xù)運行參考站系統(tǒng)

在大地測量、形變監(jiān)測、道路施工、精準農業(yè)等領域，對衛(wèi)星導航系統(tǒng)提出了動態(tài)厘米級、靜態(tài)毫米級的定位精度要求，僅靠衛(wèi)星導航系統(tǒng)自身無法滿足如此高的定位要求，因此，需要建設增強系統(tǒng)提高其精度，連續(xù)運行參考站系統(tǒng)（continuous operation reference station system，CORS）就是為滿足這些應用需求發(fā)展起來的。

CORS是地基差分系統(tǒng)，由若干個參考基準站、一個中心站和通信鏈路組成，數(shù)據(jù)處理中心與參考基準站之間一般需要建立雙向通信鏈路。每個參考基準站配置雙頻衛(wèi)星導航接收機，基準站應按規(guī)定的采樣率進行連續(xù)觀測，并通過數(shù)據(jù)通信鏈實時將偽距、載波相位測量觀測數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)流動站送來的近似坐標(可根據(jù)偽距法單點定位求得)判斷出該站位于由哪三個基準站所組成的三角形內，然后根據(jù)這三個基準站的觀測資料求出流動站處所受到的系統(tǒng)誤差，并播發(fā)給流動用戶來進行修正以獲得精確的結果，必要時可將上述過程迭代一次，實現(xiàn)靜態(tài)8～10mm，動態(tài)3～5cm的高精度定位。

圖10 連續(xù)運行參考站系統(tǒng)的工作原理

參考基準站與數(shù)據(jù)處理中心間的數(shù)據(jù)通信可采用數(shù)字數(shù)據(jù)網(wǎng)DON或無線通信等方法進行。流動站和數(shù)據(jù)處理中心間的雙向數(shù)據(jù)通信則可通過移動電話GSM等方式進行。數(shù)據(jù)處理中心利用通信鏈路播發(fā)修正數(shù)據(jù)，播發(fā)系統(tǒng)有單向和雙向兩種工作方式，在單向方式中，用戶從數(shù)據(jù)處理中心得到一致的修正數(shù)據(jù)；在雙向方式中，用戶將自己的粗略位置傳送給數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心將針對性的修正數(shù)據(jù)播發(fā)給用戶，每個用戶可能得到不同的修正數(shù)據(jù)。用戶終端根據(jù)得到的修正數(shù)據(jù)，修正定位信息，以達到增加定位精度的目的，CORS的工作原理如圖10所示。

CORS應用多基站網(wǎng)絡RTK技術解決參考基準站差分改正數(shù)據(jù)作用距離有限的問題，RTK技術基于載波相位觀測量進行實時差分，用戶站同時接收導航信號和參考站傳輸?shù)挠^測數(shù)據(jù)，根據(jù)相對定位原理，實時解算整周模糊度未知數(shù)并得到用戶坐標，網(wǎng)絡RTK技術中，線性衰減的單點導航差分誤差模型被區(qū)域型的導航差分網(wǎng)絡誤差模型取代，通過多個參考站組成的導航網(wǎng)絡估計一個地區(qū)的誤差模型，并為該網(wǎng)絡覆蓋地區(qū)的用戶提供校正數(shù)據(jù)。

對于CORS系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)處理中心是其核心，CORS利用特定的算法對參考站網(wǎng)的數(shù)據(jù)進行處理得出精確的差分改正，使用戶得到更好的定位精度。應用較廣泛的CORS技術有天寶（Trimble）公司的虛擬參考站(VRS)技術和Leica公司的主輔站改正(MAX)技術，這兩種技術都是將所有的固定參考站數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心，進行聯(lián)合解算，再以RTCM等標準格式播發(fā)到移動站，但兩者也存在一定的差別。

VRS技術工作原理：在特定區(qū)域建立永久的固定參考站(通常相距50～70km)，用戶接收機通過GSM短信息功能向控制中心發(fā)送一個概略坐標，控制中心根據(jù)用戶的位置，選擇一組最佳的參考站，利用特定的模型算法，相當于在用戶位置附近建立一個虛擬參考站，并利用此參考站產生高精度的差分改正信息，控制中心將標準格式的改正信息發(fā)送給用戶接收機進行載波相位差分改正，從而產生厘米級的定位結果，解決了RTK技術作業(yè)距離限制上的問題口。

MAX技術工作原理：利用多基站、多系統(tǒng)、多頻(L1，L2，L5)及多信號非差處理算法，采用了Leica公司的SpiderNET軟件包，利用了LAMBDA算法(Teunissen，1994)解算整周模糊度，利用卡爾曼濾波進行平差處理。利用網(wǎng)絡處理軟件將網(wǎng)絡中所有參考站相位距離歸算到一個公共的整周未知數(shù)水平，并據(jù)此對每一對衛(wèi)星／接收機以及每一個頻率計算出彌散性(誤差值與頻率有關)和非彌散性(誤差值與頻率無關)誤差，并將此誤差的差分改正數(shù)作為網(wǎng)絡的改正數(shù)據(jù)播發(fā)給流動站。主輔站技術克服了VRS技術需要雙向通信的缺陷，且無網(wǎng)大小限制，也沒有網(wǎng)中臺站及流動用戶的數(shù)量限制。

根據(jù)以上工作原理，在CORS覆蓋區(qū)域內，無論用戶在哪里，中心站都可根據(jù)用戶當前所在的粗略位置，為該用戶計算出所需的差分數(shù)據(jù)，好象在用戶的附近建立了一個臨時虛擬基站，從而保證用戶可以連續(xù)地進行高精度定位，避免了用戶不斷切換基站的問題。CORS的工作原理決定了每個用戶需要保持與中心站雙向數(shù)據(jù)通信。每個基站需要保持與中心站單向數(shù)據(jù)通信，同時要求每個基站能夠同時提供偽距測量值和載波相位測量值。

目前，CORS采用的主流解算方法虛擬參考站（VRS）算法，已被美國天寶公司申請專利，在建設北斗地基差分系統(tǒng)的過程中，如何正確使用現(xiàn)有的技術資源，同時又不觸犯對方的知識產權，避免知識產權糾紛，是建設過程中不可避免遇到的問題。

2013年6月21日，中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室召開“北斗應用推廣示范工程”工作會，提出建設覆蓋全國的北斗地基增強骨干網(wǎng)建設目標，在全國建設150個均勻分布的框架參考網(wǎng)站，在湖北、湖南和廣東建立150個示范加密網(wǎng)參考站，建設一個綜合數(shù)據(jù)處理中心和一個備份數(shù)據(jù)處理中心，三個區(qū)域數(shù)據(jù)處理中心，完成交通、測繪、地理國情監(jiān)測和大眾應用服務示范系統(tǒng)建設，實現(xiàn)廣域、區(qū)域、輔助增強一體化集成服務。

2014年4月，國家重大專項領導小組確定由中國北方工業(yè)集團公司承擔國家北斗地基增強系統(tǒng)研制建設總體任務，與國家交通運輸部、國家測繪局、中國氣象局、中國地震局、國土資源部、中科院國家授時中心、教育部武漢大學等單位共同實施項目研制建設。北斗地基增強系統(tǒng)利用多基站網(wǎng)絡RTK技術建立連續(xù)運行參考站系統(tǒng)，也稱為北斗CORS系統(tǒng)，提供北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)定位精度的增強服務。北斗地基增強系統(tǒng)是在一定區(qū)域范圍內，由若干個連續(xù)運行的基準站、數(shù)據(jù)通信鏈路、數(shù)據(jù)中心和用戶終端構成的局域網(wǎng)絡。北斗地基增強系統(tǒng)綜合應用衛(wèi)星導航定位技術、計算機技術、數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)（LAN/WAN）技術進行實時差分改正信息解算，可向用戶自動提供經(jīng)過檢驗的衛(wèi)星導航信號觀測值（載波相位、偽距）、差分改正數(shù)、狀態(tài)信息等衛(wèi)星導航增強信息，為不同行業(yè)、不同類型用戶提供多種多樣的高精度導航定位解算服務。

圖11 北斗地基增強系統(tǒng)框架網(wǎng)基準站分布

北斗地基增強系統(tǒng)由框架網(wǎng)和加密網(wǎng)基準站、通信網(wǎng)絡系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)、應用終端等組成。國家北斗地基增強系統(tǒng)在境內建設150個國家框架網(wǎng)北斗基準站，站間距300km～1000km，平均每省、自治區(qū)至少有3～5個北斗基準站，每個直轄市至少有1個北斗基準站，框架網(wǎng)基準站分布圖如圖11所示；1200個區(qū)域加密網(wǎng)北斗基準站，站間距一般不大于60km，采用國家補貼、企業(yè)自籌的方式建設系統(tǒng)，區(qū)域加密網(wǎng)基準站分布圖如圖12所示；建立了北斗數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)、6個行業(yè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，利用衛(wèi)星L波段、C波段、中國移動多媒體廣播（CMMB）、中國數(shù)字廣播（CDR）、移動通信等多種方式播發(fā)增強數(shù)據(jù)，實現(xiàn)廣域實時米級和分米級、區(qū)域實時厘米級和后處理毫米級四類高精度服務。

圖12 北斗地基增強系統(tǒng)區(qū)域加密網(wǎng)基準站分布

北斗地基增強系統(tǒng)框架網(wǎng)基準站用于提供北斗廣域修正（米級、分米級）數(shù)據(jù)產品解算所需的北斗衛(wèi)星播出的導航數(shù)據(jù)。區(qū)域加密網(wǎng)基準站用于提供北斗區(qū)域差分（厘米級、后處理毫米級）數(shù)據(jù)產品解算所需的北斗衛(wèi)星播出的導航數(shù)據(jù)。通信網(wǎng)絡系統(tǒng)用于連接基準站至國家北斗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、國家北斗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)至行業(yè)北斗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、國家北斗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)至數(shù)據(jù)產品播發(fā)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于基準站衛(wèi)星導航原始觀測數(shù)據(jù)的接收、存儲、質量分析與評估、解算廣域、區(qū)域、后處理高精度數(shù)據(jù)產品、對數(shù)據(jù)產品進行解析和封裝、推送到數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)包括衛(wèi)星（L波段、C波段）、無線電廣播（CMMB和CDR）、移動通信（2G/3G/4G），將北斗高精度數(shù)據(jù)產品播發(fā)至對應“人、車、物”的應用終端。應用終端接收北斗衛(wèi)星導航信號和北斗差分數(shù)據(jù)信號，即可解算出相應的北斗高精度定位信息。通過位置服務運營平臺，降低位置服務的門檻，支撐大眾和行業(yè)應用。

北斗地基增強系統(tǒng)將中國大陸國土網(wǎng)格化，在網(wǎng)格節(jié)點安裝北斗高精度接收機，接收北斗衛(wèi)星導航信號，通過通信網(wǎng)絡實時傳輸?shù)絿覕?shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)，經(jīng)處理后生成衛(wèi)星精密軌道、鐘差、電離層、綜合改正數(shù)和完好性等數(shù)據(jù)產品，利用衛(wèi)星、數(shù)字廣播、移動通信等方式進行播發(fā)，用戶利用北斗高精度接收機/應用終端接收北斗高精度數(shù)據(jù)產品后進行解算，即可獲得實時米級、分米和厘米級定位服務，及系統(tǒng)提供后處理毫米級的定位服務。

美國連續(xù)運行參考站系統(tǒng)（CORS）由國家大地測量局負責管理，在全美建設參考基站1900多個，基站分布如圖13所示，利用移動通信播發(fā)GPS差分改正數(shù)據(jù)，為大地測量、地理信息、農業(yè)以及工程與科學研究等用戶提供實時厘米級、后處理毫米級定位精度。

美國政府對地基增強系統(tǒng)的應用既傳統(tǒng)又開放，一方面通過明確的政策法規(guī)，推薦使用GPS及GLONASS導航系統(tǒng)信號；另一方面，積極鼓勵各州政府與民眾合作共建，共享數(shù)據(jù)。美國NDGPS系統(tǒng)和CORS系統(tǒng)的運行發(fā)展較為成熟，但高精度定位應用仍局限于傳統(tǒng)領域，尚未凸顯位置服務的智能化作用。

圖13 美國連續(xù)運行參考站系統(tǒng)（CORS）基站分布

英國國家大地測量局建設了OSNet地基增強系統(tǒng)，在全英建設參考基站140多個，利用移動通信和互聯(lián)網(wǎng)播發(fā)GPS差分改正數(shù)據(jù)，OSNet系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)被提供給Leica 、Trimble、Topcon等5家公司，由其提供市場服務，為用戶提供實時厘米級、后處理毫米級定位精度。德國國家測量部門聯(lián)合運輸、建筑等部門共建了SAPOS地基增強系統(tǒng)，在全德建設參考基站200個左右，利用移動通信和互聯(lián)網(wǎng)播發(fā)GPS差分改正數(shù)據(jù)，為地震監(jiān)測、地面沉降監(jiān)測、海平面監(jiān)測、水汽含量的精確測定、高速公路管理等用戶提供實時厘米級、后處理毫米級定位精度，且基于SAPOS地基增強系統(tǒng)實現(xiàn)了德國高速公路不停車收費服務。受歐盟一體化、政治體系差異的影響，歐洲各國的基準站網(wǎng)絡尚未聯(lián)結，目前歐洲框架網(wǎng)（EUREF）的主要服務有高精度站坐標值和速度場、站時間序列以及對流層大氣延遲參數(shù)等，但尚未轉化至高精度民用領域。

加拿大大地測量局和地質測量局建設了CACS地基增強系統(tǒng)，基于加拿大大地測量動態(tài)參考框架，在全加建設參考基站40多個，利用移動通信和互聯(lián)網(wǎng)播發(fā)GPS差分改正數(shù)據(jù)，為測量、地球物理等用戶提供1-10米，后處理優(yōu)于3厘米定位精度。澳大利亞新南威爾士土地和財產管理局建設了CORSnet-NSW地基增強系統(tǒng)，在全澳建設參考基站80多個，利用移動通信和互聯(lián)網(wǎng)播發(fā)GPS差分改正數(shù)據(jù)，為測量、農業(yè)、礦業(yè)、緊急服務、科學研究、建筑和氣象探測等行業(yè)用戶提供實時厘米級、后處理毫米級定位精度。作為前英聯(lián)邦國家，加拿大與澳大利亞均沿襲了英國成熟發(fā)達的測繪地理信息技術體系，并在此基礎上進一步發(fā)展。由于地廣人稀、區(qū)域發(fā)展不均，加拿大和澳大利亞的高精度應用主要集中在本國發(fā)達地區(qū)的國土測繪、公共事務、交通航道等應用領域。

日本國家地理院建設了COSMOS地基增強系統(tǒng)，在日本境內建設參考基站1200個，基站分布如圖14所示，系統(tǒng)站點平均密度20km，利用移動通信和互聯(lián)網(wǎng)播發(fā)GPS差分改正數(shù)據(jù)，為地震監(jiān)測與預報、工程控制與監(jiān)測、測圖與地理信息系統(tǒng)更新、氣象監(jiān)測與預報等行業(yè)用戶提供實時厘米級、后處理毫米級定位精度。由于自然災害頻發(fā)，基于災害的監(jiān)測需求，日本建設了全球基準站密度最高的地基增強網(wǎng)絡，通過發(fā)達的通信網(wǎng)絡，做到秒級實時響應，應用領域以傳統(tǒng)行業(yè)為主。

圖14 日本COSMOS地基增強系統(tǒng)基站分布