許艷博 李 毅 崔醒宇 王名洋

(1. 北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院, 北京 100038; 2. 城市空間信息工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100038)

0 引言

星基增強(qiáng)系統(tǒng)是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)不可或缺的重要組成部分,目前都是一些世界聞名的科研機(jī)構(gòu)來進(jìn)行精密單點(diǎn)定位的數(shù)據(jù)處理和研究,如美國(guó)的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)、加拿大聯(lián)邦自然資源部(Natural Resources Canada,NRCan)、德國(guó)波茨坦地學(xué)研究中心(The Helmholtz Centre Potsdam German Research Center for Geosciences,GFZ)等。GFZ研究出采用最小二乘估計(jì)法;美國(guó)的JPL則研究出了采用平方根濾波估計(jì)方法(SIRF);這兩種方法可以應(yīng)用在全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)衛(wèi)星星歷及鐘差計(jì)算上,國(guó)際衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)(International Global Navigation Satellite System Service，IGS)全球框架的建立、低軌衛(wèi)星的定軌計(jì)算。利用這兩種不同方法確定的GPS軌道參數(shù)精度可以到達(dá)2～5 cm,確定衛(wèi)星鐘差精度可以達(dá)到0.1～0.2 ns,測(cè)站靜態(tài)定位水平精度達(dá)到厘米級(jí),高程精度達(dá)到厘米級(jí)[1-4]。隨著自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)北斗系統(tǒng)的建立,我國(guó)專業(yè)學(xué)者也對(duì)精密單點(diǎn)定位進(jìn)行了深入的研究。魏子卿、葛茂榮在GPS相對(duì)定位的數(shù)學(xué)模型中介紹了相對(duì)定位模型中非差模式的處理方法[5]。由武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院2005年研制成功的精密單點(diǎn)定位軟件trip,通過處理單臺(tái)GNSS接收機(jī)的非差觀測(cè)值,可以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)甚至是毫米級(jí)的單點(diǎn)靜態(tài)定位和分米級(jí)至厘米級(jí)的動(dòng)態(tài)單點(diǎn)定位精度[6-9]。

國(guó)內(nèi)目前的連續(xù)運(yùn)行參考站(Continuously Operating Reference Stations,CORS)數(shù)量有2 000個(gè)左右,基本都是GPS、俄羅斯全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GLONASS),面臨著升級(jí)北斗系統(tǒng)的需求,并且國(guó)內(nèi)的CORS建設(shè)沒有停歇,加密的需求日趨嚴(yán)峻。國(guó)內(nèi)當(dāng)前的CORS系統(tǒng)以國(guó)土、測(cè)繪、規(guī)劃、氣象、地震部門引領(lǐng),隨著北斗產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)展,其應(yīng)用范圍大大超出上述行業(yè)主體,其他各個(gè)行業(yè)都有CORS的建設(shè)需求,如交通運(yùn)輸、能源、個(gè)人位置服務(wù)等。中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯、歐洲的四大導(dǎo)航系統(tǒng),擁有超過100顆的導(dǎo)航衛(wèi)星,多系統(tǒng)兼容的研究和發(fā)展已成為大趨勢(shì),在和平發(fā)展的前提下要充分整合資源。

國(guó)內(nèi)也有一套星基增強(qiáng)系統(tǒng)于2015年正式提供全球厘米級(jí)商業(yè)服務(wù)。未來的技術(shù)熱點(diǎn)是CORS系統(tǒng)與星基增強(qiáng)系統(tǒng)的非差相位精密單點(diǎn)定位技術(shù)的融合。CORS系統(tǒng)與星基增強(qiáng)系統(tǒng)各自有著鮮明的優(yōu)缺點(diǎn)和互補(bǔ)性,新的定位技術(shù)發(fā)展必將掀起高精度衛(wèi)星定位應(yīng)用的新高潮。本文闡述星基增強(qiáng)系統(tǒng)、CORS系統(tǒng)的原理及優(yōu)缺點(diǎn)。因?yàn)镃ORS系統(tǒng)基準(zhǔn)站與流動(dòng)站需要雙向的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,所以在應(yīng)用區(qū)域、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和用戶量載荷方面存在先天的劣勢(shì),引出星基增強(qiáng)、CORS協(xié)同作業(yè)的方式和基本原理。最后通過實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)CORS和星基增強(qiáng)系統(tǒng)下的測(cè)量數(shù)據(jù),用數(shù)據(jù)分析了兩個(gè)系統(tǒng)在精度、收斂時(shí)間等方面的差異及各自的優(yōu)缺點(diǎn),針對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)的差異與互補(bǔ)性探討了星基增強(qiáng)加持CORS數(shù)據(jù)斷點(diǎn)續(xù)航的作業(yè)方式帶來的優(yōu)勢(shì)。

1 星基增強(qiáng)與CORS系統(tǒng)的原理及差異

1.1 星基增強(qiáng)系統(tǒng)

星基增強(qiáng)系統(tǒng)是利用分布在地面上的參考站網(wǎng)絡(luò)對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)量來獲取定位信息,并將定位信息發(fā)送到主控站,測(cè)量的數(shù)據(jù)經(jīng)過主控站的數(shù)據(jù)處理,對(duì)星歷誤差、電離層延遲誤差、衛(wèi)星鐘差等信息進(jìn)行改正,通過上行注入站發(fā)送給搭載衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器的地球靜止軌道衛(wèi)星,最終向用戶播發(fā),實(shí)現(xiàn)對(duì)于原有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的改進(jìn)[10]，星基增強(qiáng)系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 星基增強(qiáng)系統(tǒng)原理圖

星基增強(qiáng)系統(tǒng)定位精度高、速度快、覆蓋面廣,用戶無須建基站,用戶設(shè)備簡(jiǎn)單易用,無須額外差分?jǐn)?shù)據(jù)鏈路,在難以設(shè)計(jì)基準(zhǔn)站的海洋、沙漠、山地等地區(qū)具有廣泛的使用前景[11]。實(shí)時(shí)解算大地坐標(biāo),沒有誤差累積,測(cè)量長(zhǎng)邊時(shí)相對(duì)精度非常高,以10 cm的絕對(duì)誤差計(jì),10 km為1/10萬(wàn),100 km為1/100萬(wàn)。相對(duì)于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)(Real-Time Kinematic，RTK)或CORS站其精度收斂慢(平均20 min),收斂后的精度可達(dá)到5 cm左右。

1.2 CORS系統(tǒng)

CORS系統(tǒng)是在一定區(qū)域范圍內(nèi),根據(jù)地理情況按照一定密度布設(shè)一定數(shù)目的固定參考站,利用衛(wèi)星通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將各基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)處理中心緊密地聯(lián)系起來,數(shù)據(jù)處理中心將來自各參考站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工計(jì)算,然后通過數(shù)據(jù)鏈將定位相關(guān)的信息發(fā)送給流動(dòng)站(用戶),流動(dòng)站利用自身內(nèi)帶軟件獲取定位結(jié)果。此方法借鑒了廣域差分和局域差分技術(shù)的原理,消除或減弱了各種系統(tǒng)誤差,提高了定位精度[12]，系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 CORS系統(tǒng)原理圖

CORS解決了常規(guī)RTK覆蓋范圍10 km以內(nèi)的束縛,在相同基準(zhǔn)站的情況下,常規(guī)RTK技術(shù)是在作業(yè)半徑內(nèi),流動(dòng)站圍繞基準(zhǔn)站工作,各個(gè)基準(zhǔn)站相互獨(dú)立,而網(wǎng)絡(luò)RTK解算的是多基站的差分?jǐn)?shù)據(jù),在網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍內(nèi)測(cè)量精度不會(huì)因?yàn)楹突鶞?zhǔn)站距離的增大而變化,差分的范圍還可以向網(wǎng)外延展。

1.3 星基增強(qiáng)系統(tǒng)與CORS系統(tǒng)的差異

(1)星基增強(qiáng)系統(tǒng)與CORS系統(tǒng)的構(gòu)成不同,CORS可以定義為一個(gè)或若干個(gè)固定的、連續(xù)運(yùn)行的GNSS參考站,是利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)(LAN/WAN)技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò)[13],可以實(shí)時(shí)向不同需求的用戶發(fā)送不同類型的服務(wù)信息。廣域差分星基增強(qiáng)系統(tǒng)是基于衛(wèi)星的增強(qiáng)系統(tǒng),用戶需要接收來自同步衛(wèi)星發(fā)送的差分改正數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)高精度定位,對(duì)通信設(shè)施要求更高,因此，其成本、使用及維護(hù)費(fèi)用也比較高。

(2)星基增強(qiáng)系統(tǒng)與CORS系統(tǒng)定位精度不同,星基增強(qiáng)收斂后的精度一般為5～12 cm,CORS則可以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位精度。

(3)星基增強(qiáng)系統(tǒng)與CORS系統(tǒng)工作方式和覆蓋范圍的不同,星基增強(qiáng)系統(tǒng)直接從衛(wèi)星L波段或者網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器接入端口播發(fā)廣域差分?jǐn)?shù)據(jù),解決了無人區(qū)、海域的差分需求,也解決了對(duì)3 G、4 G公網(wǎng)及電臺(tái)數(shù)據(jù)鏈路的依賴。而CORS則是利用互聯(lián)網(wǎng)LANWAN網(wǎng)絡(luò)向用戶傳輸經(jīng)過檢驗(yàn)的差分?jǐn)?shù)據(jù),在網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不好或者網(wǎng)絡(luò)覆蓋有問題時(shí),就不能很好地保障高精度作業(yè)[14]。

(4)收斂時(shí)間的不同,CORS收斂時(shí)間在10 s以內(nèi),星基增強(qiáng)系統(tǒng)的收斂時(shí)間一般為20 min。

2 星基增強(qiáng)加持CORS數(shù)據(jù)斷點(diǎn)續(xù)航原理

GPS流動(dòng)站接收機(jī)在接收CORS站發(fā)送的差分?jǐn)?shù)據(jù)的同時(shí)也會(huì)接收來自星基增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)送的廣域差分?jǐn)?shù)據(jù),當(dāng)CORS數(shù)據(jù)鏈路因?yàn)橐馔馇闆r中斷,系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的差分延遲閾值判斷CORS差分信號(hào)是否中斷,如果判定數(shù)據(jù)中斷,就會(huì)啟用星基增強(qiáng)的差分?jǐn)?shù)據(jù)去加持CORS的定位精度[15]，星基增強(qiáng)加持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)航流程圖如圖3所示。

圖3 星基增強(qiáng)加持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)航工作流程

精密單點(diǎn)定位采用IGS精密星歷,所以精密單點(diǎn)定位解算出的坐標(biāo)是基于所使用的IGS精密星歷的坐標(biāo)框架,而非各GNSS廣播星歷所用的坐標(biāo)系統(tǒng)。另外,不同時(shí)期IGS精密星歷所使用的國(guó)際地球參考框架(International Terrestrial Reference Frame,ITRF)也不同,所以在進(jìn)行精密單點(diǎn)定位數(shù)據(jù)處理時(shí),需要明確所用精密星歷對(duì)應(yīng)的參考框架和歷元,并通過框架和歷元的轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行統(tǒng)一。斷點(diǎn)續(xù)航不會(huì)更改CORS的坐標(biāo)框架,接收機(jī)客戶端不需要任何儀器設(shè)置,但由于星基增強(qiáng)系統(tǒng)的定位精度一般為5～12 cm,如果CORS通訊鏈路不能及時(shí)恢復(fù),GPS的定位精度會(huì)隨著時(shí)間推移而逐漸下降,最后會(huì)維持在星基增強(qiáng)的定位精度。

3 星基增強(qiáng)與CORS差異性和斷點(diǎn)續(xù)航測(cè)試實(shí)驗(yàn)

3.1 星基增強(qiáng)與CORS的差異性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證星基增強(qiáng)系統(tǒng)和CORS系統(tǒng)的差異,本文設(shè)計(jì)以下測(cè)試:將一臺(tái)RTK設(shè)備(合眾思?jí)袵970)和一臺(tái)星站RTK設(shè)備(合眾思?jí)袵10A)固定在三腳架上分別進(jìn)行1 h的CORS接入測(cè)試和星基增強(qiáng)單點(diǎn)定位測(cè)量測(cè)試。

G970的CORS系統(tǒng)接入測(cè)試過程中模擬部分情況下CORS差分信號(hào)中斷。這在實(shí)際CORS測(cè)量的過程中是非常普遍的,一方面原因是網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的不穩(wěn)定性造成的差分?jǐn)?shù)據(jù)中斷,另一方面是由于CORS網(wǎng)對(duì)用戶接入數(shù)量的限制,當(dāng)大量用戶接入的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)部分用戶被系統(tǒng)踢下線的情況發(fā)生。在1 h的測(cè)試過程中分別在第10、20、35、50 min的時(shí)間點(diǎn)手動(dòng)斷開CORS信號(hào),模擬差分信號(hào)分別斷掉2、5、10、2 min的應(yīng)用場(chǎng)景。通過控制網(wǎng)絡(luò)的接通與否來控制差分信號(hào)的接入或斷掉，測(cè)試情況見表1、圖4所示。

圖4 CORS系統(tǒng)測(cè)試

從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出CORS系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)如下:

(1)初始化速度快,首次初始化時(shí)間優(yōu)于10 s(表1)。

表1 北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院CORS系統(tǒng)快速初始化

(2)定位精度高,在測(cè)試環(huán)境較好的情況下,內(nèi)符合中誤差在1～2 cm左右。

(3)受制于差分信號(hào)的限制,在差分信號(hào)中斷的情況下精度快速降低到70～80 cm左右。

G10A接收機(jī)利用星基增強(qiáng)系統(tǒng)進(jìn)行單點(diǎn)定位，模擬在沒有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)情況下的定位測(cè)量，星基增強(qiáng)系統(tǒng)測(cè)試如圖5所示。在荒漠、深山、海洋等無法獲取差分信號(hào)源的作業(yè)環(huán)境下,星基增強(qiáng)系統(tǒng)是唯一的依賴。

圖5 星基增強(qiáng)系統(tǒng)測(cè)試

從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出星基增強(qiáng)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)如下:

(1)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)沒有依賴,單機(jī)可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位。

(2)單機(jī)長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)收斂以后的平面中誤差可以達(dá)到5～12 cm,基本滿足高精度測(cè)量需求。

(3)收斂時(shí)間長(zhǎng),需要20 min左右的時(shí)間,精度才能降到10 cm左右。

3.2 星基增強(qiáng)加持CORS數(shù)據(jù)斷點(diǎn)續(xù)航測(cè)試實(shí)驗(yàn)

將一臺(tái)合眾思?jí)袵10A星站差分RTK設(shè)備同時(shí)接入CORS系統(tǒng)和星基增強(qiáng)系統(tǒng)，并進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過程中斷掉CORS系統(tǒng)差分?jǐn)?shù)據(jù),即在1 h的測(cè)試過程中分別在約10、20、35、50 min的時(shí)間點(diǎn)斷開CORS數(shù)據(jù)2、5、10、2 min的應(yīng)用場(chǎng)景。通過控制網(wǎng)絡(luò)的接通與否來控制差分信號(hào)的接入或斷掉,測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 星基、CORS、斷點(diǎn)續(xù)航測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

從數(shù)據(jù)可以看出,即使CORS系統(tǒng)的差分?jǐn)?shù)據(jù)中斷,在星基增強(qiáng)系統(tǒng)的作用下依然保持了固定解的測(cè)量結(jié)果。精度會(huì)有略微的發(fā)散,但依然在可接受的范圍內(nèi),且在CORS系統(tǒng)的差分信號(hào)恢復(fù)的時(shí)候立即收斂到CORS系統(tǒng)的精度范圍。

在CORS系統(tǒng)模式下作業(yè),用戶接收機(jī)需要時(shí)時(shí)接收來自參考站的差分?jǐn)?shù)據(jù),所以數(shù)據(jù)鏈路必須保持通暢不能中斷,但外業(yè)工作環(huán)境復(fù)雜,信號(hào)受到強(qiáng)磁干擾、意外中斷不可避免,雖然在信號(hào)中斷后可繼續(xù)解算,但維持不了幾秒鐘時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)

從本文的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出,支持星基增強(qiáng)的接收機(jī)在測(cè)試中收斂時(shí)間和數(shù)據(jù)精度都達(dá)到了我們的預(yù)期。星基增強(qiáng)加持CORS數(shù)據(jù)斷點(diǎn)續(xù)航作業(yè)是把從星基增強(qiáng)系統(tǒng)中獲得的廣域差分?jǐn)?shù)據(jù)利用“相關(guān)性”的解算方法與CORS系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)結(jié)合起來,在公網(wǎng)意外中斷無法接收基準(zhǔn)站的差分改正數(shù)后,利用星基增強(qiáng)的信號(hào)來擴(kuò)展“相關(guān)性”的外推時(shí)間,維持2～5 cm的定位精度,時(shí)間長(zhǎng)達(dá)20～40 min,這段時(shí)間可以繼續(xù)進(jìn)行測(cè)量工作。如果40 min以后,流動(dòng)站的接收機(jī)仍舊接收不到來自CORS網(wǎng)的差分?jǐn)?shù)據(jù),則精度回到星基增強(qiáng)系統(tǒng)的精度,這種珠聯(lián)璧合的配合,是CORS和星基增強(qiáng)系統(tǒng)的完美結(jié)合。在實(shí)際的測(cè)量工作中,CORS系統(tǒng)的差分信號(hào)往往是斷續(xù)性的,這個(gè)斷續(xù)時(shí)間通常不會(huì)很長(zhǎng),有了星基增強(qiáng)系統(tǒng)的配合,外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)幾乎不會(huì)丟失固定解,從而提高了工作效率。