采用融合升級方法的CZCORS北斗增強系統建立與測試

劉全海,王琰開(1．常州市測繪院,江蘇常州 213003; 2．常州市地理信息智能技術中心,江蘇常州 213003)

采用融合升級方法的CZCORS北斗增強系統建立與測試

劉全海1,2?,王琰開1,2
(1．常州市測繪院,江蘇常州 213003; 2．常州市地理信息智能技術中心,江蘇常州 213003)

摘 要:以常州市連續運行參考站系統(CZCORS)為基礎,采用融合升級的方法建立了北斗增強系統,從時間和空間可用性、定位時效性、定位精度等幾個方面對北斗增強系統和原有雙星系統進行了對比測試。結果顯示北斗增強系統可以顯著提高CZCORS的時間和空間可用性,特別是每日11:00～16:00電離層活躍時段及有高大建筑、樹木等遮擋的觀測條件下。同時,北斗增強系統可以提升定位速度約10%,但定位精度略有下降。

關鍵詞:CORS；北斗增強系統；融合升級

1　引 言

城市CORS作為現代測繪基準體系的重要組成部分,在大地測量、工程測量和城市地理信息系統等領域具有廣泛的應用[1]。近十年來,國內許多城市都建立起了基于GPS單星或GPS/ GLONASS雙星的CORS系統。CZCORS于2006年建成[2],截至目前共包含10個基準站。

隨著我國自主知識產權的北斗衛星導航系統的快速發展,建立能兼容北斗衛星的CORS系統從而提高測繪產業效率、推動產業升級,進而減少對GPS衛星的依賴已經成為必然趨勢[3,4]。近年來,國內一些省市已開始啟動相關項目,上海市于2012年底完成了北斗CORS應用示范項目[5],廣東省于2012年6月啟動了廣東省北斗地基增強系統建設項目,湖北省于2012 年11月啟動了北斗地基增強系統建設項目,并于2013年2月完成。

常用的北斗增強系統建設方法有兩種,第一種是在各基準站新增一套接收機,并增加一套服務器系統和一個數據播發端口,該方法實際是建立一套獨立于原有系統的新系統,兩套系統并行,上海市、重慶市建立的北斗增強系統均采用此方法。另一種方法是直接對原有CORS系統進行融合升級,該方法可以充分利用原有資源,從而降低建設成本,CZCORS北斗增強系統的建設采用此方法進行。

2　CZCORS北斗增強系統建設

對CZCORS系統進行融合升級主要包括基準站接收機升級、控制中心數據處理軟件升級和流動站接收機升級三個方面的工作。

2．1基準站接收機

將CZCORS基準站采用的徠卡GR10型接收機的固件升級至3．1版本,使系統支持北斗衛星的解算,并可以發送包含北斗衛星改正數的RTCM3．2(MSM) /徠卡4G兩種差分信號。其中RTCM3．2(MSM)為通用格式,任何品牌的GNSS接收機只要支持此格式均可接入CZCORS進行三星定位。

2．2控制中心數據處理軟件

將基準站網軟件GNSS Spider升級至4．2．1版本,使系統可以對基準站接收到的北斗衛星信號進行處理并播發給實時定位用戶使用,升級后的GNSS Spider軟件如圖1所示。

圖1　GNSS Spider軟件

上圖中可以查看各基準站接收衛星信號的情況(G、R、C分別代表GPS、GLONASS、北斗衛星),包括衛星的信噪比、高度角和方位角等信息。

2．3流動站接收機

將支持北斗衛星的徠卡GS15型接收機的固件升級至5．61版本,使流動站支持北斗、GPS、GLONASS衛星的任意組合定位。同時,GS15型接收機支持單北斗系統定位,這是目前除徠卡外其他任何廠商的GNSS接收機都不具備的功能。流動站GS15型接收機在手簿上可進行衛星系統的選擇(如圖2所示),查看各衛星系統的星座分布(如圖3所示)。

圖2　GS15型接收機衛星系統選擇

圖3　GS15型接收機衛星星座分布

3　系統測試與分析

為了全面評定北斗衛星在CZCORS系統中的作用,采用徠卡GS15型接收機對新建成的北斗增強系統和原有雙星系統進行了對比測試,測試主要從定位時效性(即初始化時間)、空間可用性、時間可用性、內符合精度和外符合精度幾個方面進行[6]。

具體測試方法為在常州市域選取8個精密導線點(其中A058位于大樹下、A062位于房角、A086位于高架路旁,A091兩個方向有高樓遮擋,其余4個點觀測條件良好),在每個點位上分上午(8:00～10:00)、中午(11:00～13:00)、下午(14:00～16:00)三個時段進行觀測,采樣率為1 s。每次從開機到獲得固定解的時間即為初始化時間,當得到固定解后開始記錄測量結果,連續記錄30個歷元作為一個測試數據,共重復3次。測試過程中記錄點名、初始化時間、衛星顆數(北斗、GPS、GLONASS)、觀測環境等必要信息。

3．1空間和時間可用性、定位時效性

各測試點在三個時段的初始化時間如表1所示。

測試點初始化時間 表1

從表1中可以得出以下幾點結論:

(1)在無高大建筑、樹木等遮擋的觀測條件理想區域,北斗增強系統相比原有雙星系統在空間和時間可用性上并不存在明顯的提升。

(2)在有高大建筑、樹木等遮擋的觀測條件不理想區域,北斗增強系統的空間可用性得到了一定的提升,具體表現為在A058和A062兩個測試點,用北斗增強系統可以獲得固定解,而雙星系統無法實現。

(3)在觀測條件不理想的區域,北斗增強系統的時間可用性得到了一定的提升,具體表現為采用北斗增強系統不論是在上午、中午還是下午都可以獲得固定解,而原有雙星系統在11:00～16:00電離層較為活躍的時段往往無法獲得固定解。

(4)在任意測試點上北斗增強系統的初始化時間都比雙星系統短,除去雙星系統無法固定的2個測試點,其余6個測試點北斗增強系統平均初始化時間為31 s,雙星系統為34 s,因此北斗增強系統的定位時效性優于原有雙星系統,提升幅度約為10%。

3．2內符合精度

內符合精度反映了系統實時定位結果的穩定性與離散度,計算方法為首先將每一測試點所有測量值取平均值,再將該平均值與每一測量值求差,按下式分別計算系統在x、y、H方向的內符合精度:

式中n為每一測試點的測量值總數;△為測試點的測量值與平均值的差值;m為測試點的內符合精度。

系統總體內符合精度采用如下公式計算:

式中n為測試點總數;mi為各個測試點的內符合精度;M為系統總體內符合精度。各測試點內符合精度如圖4所示(單位:mm)。

圖4　測試點x、y、U方向內符合精度

從上圖可以看出,北斗增強系統在平面方向的內符合精度與原有雙星系統相當,高程方向略低于雙星系統,兩者的統計結果如表2所示。

測試點內符合精度統計 表2

北斗增強系統的總體內符合精度在x、y、U方向上分別為6．3 mm、6．7 mm、12．9 mm,原有雙星系統為5．0 mm、5．1 mm、8．3 mm,因此得出結論,在可以獲得固定解的前提下,北斗增強系統的內符合精度略低于原有雙星系統。

3．3外符合精度

外符合精度反映了測試點實時定位結果的準確度,計算方法為將每一測試點所有測量值與已知坐標和高程求差,再按下式分別計算測試點在x、y、U方向的外符合精度:

式中θ為測試點的測量值與已知坐標之差;n為每一測試點測量值總數;τ為測試點的外符合精度。

系統總體外符合精度采用如下公式計算:

式中n為測試點總數;τi為各測試點的外符合精度;T為系統總體外符合精度。各測試點外符合精度如圖5所示(單位:mm)。

圖5　測試點x、y、U方向外符合精度

從上圖可以看出,北斗增強系統與原有雙星系統的外符合精度相當,兩者的統計結果如表3所示。

北斗增強系統的總體外符合精度在x、y、U方向上分別為19．7 mm、20．3 mm、30．0 mm,原有雙星系統為15．9mm、17．2 mm、23．4 mm,因此得出結論,在可以獲得固定解的前提下,北斗增強系統的外符合精度略低于原有雙星系統。

4　結 語

本文介紹了在常州市建立CZCORS北斗增強系統所采用的融合升級方法,該方法充分利用既有資源,投入成本小,升級方法簡單,具有較強的實用性,為其他城市建立CORS北斗增強系統提供了一定的參考和借鑒。

對CZCORS北斗增強系統和原有雙星系統進行的對比測試顯示,北斗衛星對于CORS最大的貢獻在于時間和空間可用性的顯著提升,即北斗增強系統實現了在每日11:00～16:00電離層活躍時段及有高大建筑、樹木等遮擋的觀測條件下的高精度定位,這是原有雙星系統所不具備的。

通過對比測試,同時可以發現北斗增強系統可以將原有雙星系統的定位速度提升約10%,但定位精度卻略有下降,這可能與北斗在軌衛星數量和衛星信號質量等有關。

參考文獻

[1] 汪偉,史廷玉,張志全．CORS系統的應用發展及展望[J]．城市勘測,2010(3):45～47．

[2] 莊文彬,劉全海,謝中華．常州市連續運行衛星定位服務系統的建設及關鍵技術研究[J]．城市勘測,2007(3): 13～16,31．

[3] 李作虎,楊強文,吳海玲等．北斗地基增強系統建設與產業化發展[J]．高科技與產業化,2014(10):59～65．

[4] 侯倩,蔣勇,李東?。畼嫿ū倍返鼗鰪娤到y打造智慧城市基礎設施[J]．衛星應用,2014(11):29～33．

[5] 林國利,張文言,於永東等．上海北斗連續運行參考站系統(SHBD-CORS)的建設與精度測試[J]．測繪通報, 2013(11):136～137．

[6] 張振軍,謝中華,馮傳勇．RTK測量精度評定方法研究[J]．測繪通報,2007(1):26～28．

The Establishment and Test of Compass Enhancement System by Fusion Upgrade Method of CZCORS

Liu Quanhai1,2,Wang Yankai1,2
(1．Changzhou Surveying and Mapping Institute,Changzhou 213003,China; 2．Changzhou City Geographic Information Technology Center,Changzhou 213003,China)

Abstract:Based on the continuous operation reference station system of Changzhou City(CZCORS),a fusion method is used to establish the Compass enhancement system．A comparative test of the Compass enhancement system and the original system was conducted from the aspects of time and space availability,timeliness and positioning accuracy and the results show that the Compass enhancement system can significantly improve the time and space availability of CZCORS especially when the time is between 11:00am and 4:00pm daily when the ionosphere is active or the observation condition is poor where there are tall buildings and tree．At the same time,the Compass enhancement system can improve the positioning speed of about 10%,while the positioning accuracy is reduced slightly．

Key words:CORS;compass enhancement system;fusion upgrade

文章編號:1672-8262(2015)05-91-04中圖分類號:P228

文獻標識碼:A

收稿日期:?2015—06—29

作者簡介:劉全海(1972—),博士,研究員級高級工程師,主要研究智慧城市及測繪科技管理等。

基金項目:住房與城鄉建設部研究開發項目(2013-K8-5);常州市科技計劃項目(應用基礎研究)(CJ20130038)