星基增強(qiáng)系統(tǒng)“中國精度”與CORS網(wǎng)的對(duì)比分析

郭四清，張 丁

（1.廣州思拓力測(cè)繪科技有限公司，廣東 廣州 510670）

星基增強(qiáng)系統(tǒng)“中國精度”與CORS網(wǎng)的對(duì)比分析

郭四清1，張 丁1

（1.廣州思拓力測(cè)繪科技有限公司，廣東 廣州 510670）

隨著“數(shù)字城市”建設(shè)的進(jìn)行，CORS網(wǎng)已經(jīng)成為城市空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，在高精度測(cè)量和位置服務(wù)中起到越來越重要的作用；而GNSS廣域差分星基增強(qiáng)系統(tǒng)卻沒有得到快速的發(fā)展和大量的應(yīng)用，普及范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。在此背景下，介紹了中國首套GNSS廣域差分星基增強(qiáng)系統(tǒng)“中國精度”，并對(duì)比分析了“中國精度”（Atlas）與CORS的差異與協(xié)作等。

Atlas；中國精度；CORS；廣域差分星基增強(qiáng)系統(tǒng)；星鏈續(xù)航

從1999年深圳第一套CORS網(wǎng)開始建設(shè)，到現(xiàn)在全國大部分省市CORS網(wǎng)絡(luò)基本建成，特別是北斗時(shí)代的到來，各地新建和改建的北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)已經(jīng)非常普遍；同時(shí)，基于全球數(shù)據(jù)的星基增強(qiáng)系統(tǒng)也在快速發(fā)展中。這樣的兩個(gè)體系，從工作原理、使用范圍和便利程度，以及它們共同協(xié)作等方面，給我們的工作和應(yīng)用帶來了巨大的變化。

1 兩個(gè)系統(tǒng)的差異

從工作原理上來看，這兩個(gè)系統(tǒng)的工作方式有很大的差異。

1）CORS網(wǎng)地基增強(qiáng)是采用CORS站的數(shù)據(jù)，利用“相關(guān)性”來求解構(gòu)網(wǎng)，模擬一個(gè)區(qū)域內(nèi)的GNSS信號(hào)和電離層、對(duì)流層的模型。對(duì)m級(jí)需求的位置服務(wù)，整個(gè)區(qū)域作RTD的數(shù)據(jù)輸出；對(duì)于cm級(jí)的高精度測(cè)繪需求，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶的單點(diǎn)定位位置，輸出一個(gè)虛擬的基站數(shù)據(jù)，用戶端接收機(jī)再和這個(gè)虛擬基站作“相關(guān)性”解算，得到cm級(jí)的高精度結(jié)果。這種服務(wù)對(duì)通信互聯(lián)網(wǎng)有較高的要求，整個(gè)數(shù)據(jù)交流都依賴于當(dāng)?shù)氐墓W(wǎng)信號(hào)，在一些山區(qū)會(huì)有一定困難。

2）星基增強(qiáng)系統(tǒng)是利用全球布局的CORS站，通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)到星基增強(qiáng)數(shù)據(jù)中心，計(jì)算出3類廣域差分修正值，即每一顆GNSS衛(wèi)星的星歷改正、鐘差改正和電離層時(shí)間延遲改正等參數(shù)，然后通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)將這些差分信息上傳到專用的通信衛(wèi)星，通過L波段向地面?zhèn)鬏敚诳蛻舳私K端接收該信號(hào)。根據(jù)相同的數(shù)據(jù)服務(wù)和接收機(jī)自身的數(shù)據(jù)，全球可實(shí)現(xiàn)m級(jí)、dm級(jí)、cm級(jí)的定位精度，這種服務(wù)對(duì)于山區(qū)、荒漠、海洋等沒有公網(wǎng)通信信號(hào)的區(qū)域，是非常有價(jià)值的。同時(shí)，由于有了“星鏈續(xù)航”功能與區(qū)域CORS網(wǎng)的配合，使得高精度需求的客戶徹底脫離了信號(hào)不良的狀態(tài)，可以更高效地進(jìn)行工作。

2 GNSS廣域差分星基增強(qiáng)系統(tǒng)概述

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

以“中國精度”Atlas為例，GNSS廣域差分星基增強(qiáng)系統(tǒng)由一個(gè)主控站（數(shù)據(jù)中心）、一個(gè)星鏈播發(fā)站（數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)站）、多個(gè)GNSS衛(wèi)星跟蹤站（又稱基準(zhǔn)站或地面參考站）和監(jiān)測(cè)站、相應(yīng)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)和若干個(gè)用戶站組成，如圖1所示。

圖1 “中國精度”系統(tǒng)構(gòu)成

1）數(shù)據(jù)中心。系統(tǒng)中最關(guān)鍵的是數(shù)據(jù)中心，通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)接收各跟蹤站傳輸?shù)腉NSS觀測(cè)數(shù)據(jù)和電離層時(shí)間延遲改正值，計(jì)算出3類廣域差分修正值，然后通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)將這些差分信息傳輸給差分信息播發(fā)站。

2）星鏈播發(fā)系統(tǒng)。由于廣域差分星基增強(qiáng)系統(tǒng)要求覆蓋面廣、傳輸?shù)男畔⒘看螅瑪?shù)據(jù)中心傳輸和播發(fā)站向用戶站的差分信息傳播，須選用長波、衛(wèi)星通信。所以，數(shù)據(jù)通信具有數(shù)據(jù)量大、速度快、通信距離長、覆蓋面大等特點(diǎn)，目前大都是采用國際海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)（INMARSAT）。

3）衛(wèi)星跟蹤站。跟蹤站的任務(wù)是將其原始觀測(cè)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和當(dāng)?shù)仉婋x層時(shí)間延遲改正等各類數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地或準(zhǔn)實(shí)時(shí)地傳輸至數(shù)據(jù)中心。

4）用戶站。用戶站是用戶測(cè)量時(shí)使用的GNSS接收機(jī)，需要有能夠接收L波段信號(hào)的能力和內(nèi)置算法，能夠用廣域星基增強(qiáng)信號(hào)計(jì)算高精度單點(diǎn)位置。

2.2 系統(tǒng)的工作流程

廣域差分星基增強(qiáng)系統(tǒng)的工作流程為：

1）在已知精確地心坐標(biāo)的若干個(gè)地面參考站上，跟蹤接收GNSS衛(wèi)星的廣播星歷、偽距、載波相位等信息；

2）將跟蹤站所獲得的信息，通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)計(jì)算中心；

3）計(jì)算出相對(duì)于衛(wèi)星廣播星歷的衛(wèi)星軌道誤差改正、衛(wèi)星鐘差改正及電離層時(shí)間延遲改正；

4）將廣域差分改正信息值通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)站傳輸至地球同步衛(wèi)星，該同步衛(wèi)星以L1或L-band為載波，將上述差分改正信息當(dāng)作導(dǎo)航電文傳輸至用戶站；

5）用戶站利用這些改正值的計(jì)算來改善GPS導(dǎo)航定位精度。

2.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

1）由于數(shù)據(jù)傳輸鏈采用GPS L1或L-band載波頻率，因此用戶GPS接收機(jī)可以直接接收到廣域增強(qiáng)差分系統(tǒng)的差分改正信息，無需外加通信鏈。

2）同步衛(wèi)星信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸能力強(qiáng)，而且可以覆蓋很大的區(qū)域，從而較好地解決主控站與播發(fā)站、播發(fā)站與用戶站之間的數(shù)據(jù)傳輸問題。

2.4 系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

全球已經(jīng)建立起了多個(gè)廣域差分星基增強(qiáng)系統(tǒng)，建設(shè)比較早也比較完善的是美國WAAS系統(tǒng)。歐盟、澳大利亞、日本、印度和中國等國家也都陸續(xù)建立了自己的衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)[1]，如歐盟的EGNOS[2]、俄羅斯的SDCM、日本的MSAS以及印度的GAGAN，還有商用的星基增強(qiáng)系統(tǒng)OmniStar、Terrastar等。中國在2015-06-15發(fā)布了國內(nèi)首個(gè)廣域差分星基增強(qiáng)系統(tǒng)——“中國精度”，國際命名為Atlas。

“中國精度”是覆蓋全球運(yùn)營的星基增強(qiáng)服務(wù)系統(tǒng)[3]，GNSS用戶無需架設(shè)基準(zhǔn)站，即可在全球任一地點(diǎn)任意時(shí)刻，體驗(yàn)從亞m級(jí)、dm級(jí)到cm級(jí)不同層級(jí)的高精度定位增強(qiáng)服務(wù)。“中國精度”是目前行業(yè)內(nèi)最靈活的高精度服務(wù)系統(tǒng)，通過L-band衛(wèi)星或者Internet網(wǎng)絡(luò)播發(fā)，為用戶提供不同精度層級(jí)的增強(qiáng)服務(wù)。“中國精度”采用分布于全球的近200個(gè)地面參考站，L-band衛(wèi)星可覆蓋南緯75°至北緯75°，覆蓋全球所有陸地區(qū)域，同時(shí)Internet網(wǎng)絡(luò)播發(fā)方式可覆蓋全球，如圖2所示。

“中國精度”在中國大陸信號(hào)非常好，服務(wù)方式非常靈活。近幾年，所有的客戶都可以享受“免費(fèi)”的信號(hào)服務(wù)，這是國際上，高精度cm級(jí)服務(wù)中唯一的一家。中國自有的全球星基增強(qiáng)系統(tǒng)的出現(xiàn)，打破了國外的壟斷，為中國衛(wèi)星導(dǎo)航工業(yè)的發(fā)展和北斗走向世界，邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

圖2 “中國精度”信號(hào)覆蓋范圍

3 廣域差分星基增強(qiáng)系統(tǒng)與CORS的對(duì)比分析

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成的不同

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)[4]，一般由基準(zhǔn)站網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)、用戶應(yīng)用系統(tǒng)等部分構(gòu)成，可以由省級(jí)或某測(cè)繪單位自己建設(shè)。

廣域差分星基增強(qiáng)系統(tǒng)構(gòu)成見§2.1，系統(tǒng)要求有較好的軟硬件和高效率的通信設(shè)備，需要租用衛(wèi)星服務(wù)，因此投資、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用相對(duì)來說比較高。

3.2 技術(shù)原理和精度的不同

GNSS廣域差分技術(shù)的基本思想是對(duì)GNSS觀測(cè)量的誤差源加以區(qū)分，并對(duì)每一個(gè)誤差源分別加以“模型化”[5]，然后將計(jì)算出的每個(gè)誤差源的誤差修正值（差分改正值），通過數(shù)據(jù)通信鏈傳輸給用戶，對(duì)用戶GNSS接收機(jī)的觀測(cè)值誤差加以改正，以達(dá)到降低這些誤差源的影響，改善用戶GNSS定位精度的目的。它削弱了基準(zhǔn)站和用戶站之間對(duì)時(shí)空“相關(guān)性”的要求，是利用廣域差分?jǐn)?shù)據(jù)的“直接定位”。

區(qū)域CORS網(wǎng)技術(shù)是在一定區(qū)域內(nèi)建立多個(gè)連續(xù)運(yùn)行參考站，對(duì)該地區(qū)構(gòu)成網(wǎng)狀覆蓋[6]，以區(qū)域內(nèi)的CORS物理站或者虛擬參考站相對(duì)于用戶終端作“相關(guān)性”結(jié)算，因?yàn)榫嚯x較近，收斂時(shí)間和精度都優(yōu)于廣域差分系統(tǒng)。

在北美、日本等國家都有免費(fèi)的信號(hào)，現(xiàn)在的“中國精度”已經(jīng)覆蓋到全球，在中國大陸提供免費(fèi)的信號(hào)。“中國精度”目前有3個(gè)層次的服務(wù)：Atlas、Atlas L1、Atlas local。3個(gè)都提供顛覆性的精度和開放式的合作經(jīng)營模式，但是精度對(duì)應(yīng)不同的客戶群：Atlas為有高精度需求的客戶提供0.1 m定位精度；Atlas L1為有中低等精確度要求的客戶提供亞m級(jí)定位服務(wù)；Atlas Local通過衛(wèi)星接收播發(fā)RTK信號(hào)，為客戶提供cm級(jí)精度定位服務(wù)。

“中國精度”的硬件產(chǎn)品，支持各種接收機(jī)GNSS多功能智能定位終端，支持GPS、GLONASS、BeiDou；可播發(fā)標(biāo)準(zhǔn)RTCM“中國精度”差分?jǐn)?shù)據(jù)。

3.3 工作方式和覆蓋范圍的差異

1）廣域差分星基增強(qiáng)系統(tǒng)解決了對(duì)GSMGPRS公共網(wǎng)絡(luò)和Internet的依賴，直接從衛(wèi)星L波段播發(fā)，滿足在無人區(qū)、遠(yuǎn)海地區(qū)的差分需求。除了通過L波段播發(fā)外，還具有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器接入端口。而CORS則完全依賴GSMGPRSInternet向用戶傳輸數(shù)據(jù)，若網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到或網(wǎng)絡(luò)信號(hào)出現(xiàn)問題，則無法高精度作業(yè)。

2）廣域差分星基增強(qiáng)系統(tǒng)的地面觀測(cè)站的間距比區(qū)域CORS站大很多，是從宏觀上去計(jì)算衛(wèi)星的誤差。系統(tǒng)的作用覆蓋區(qū)域可以擴(kuò)展到全球，覆蓋一些困難地區(qū)，如遠(yuǎn)洋、沙漠等[7]。而CORS系統(tǒng)一般要求基站間距在40～100 km之間，用戶只有在網(wǎng)內(nèi)（網(wǎng)外很小范圍），才能保證cm級(jí)的精度。

3.4 收斂時(shí)間和精度情況

“中國精度”在廣州、三沙、北京、青海、安徽、黑龍江、河南等地作了大量的測(cè)試工作，得到的收斂時(shí)間一般為20 min左右。表1為其中10次測(cè)試的結(jié)果。

表1 “中國精度”收斂時(shí)間

圖3為測(cè)試之一，收斂時(shí)間為18 min；收斂后的精度一般為6～8 cm，其中一次測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

3.5 在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)劣勢(shì)分析

雖然“中國精度”此類星基增強(qiáng)系統(tǒng)具有良好的信號(hào)覆蓋，可以不依賴通信公網(wǎng)，在山區(qū)、荒漠、海洋有較好的應(yīng)用，在普通的地區(qū)也能達(dá)到5～12cm的精度，但收斂時(shí)間和精度，目前還是不能和區(qū)域CORS網(wǎng)相比，區(qū)域的CORS網(wǎng)可以達(dá)到2～5 cm，收斂速度也快得多。

圖3 “中國精度”測(cè)試

“中國精度”在已建好CORS網(wǎng)、公網(wǎng)信號(hào)也很好的地區(qū)，是否沒有應(yīng)用意義呢？“中國精度”的一項(xiàng)特殊功能“星鏈續(xù)航”，徹底解決了這個(gè)問題，它能夠使區(qū)域的CORS網(wǎng)和廣域的星基增強(qiáng)系統(tǒng)相互彌補(bǔ)，如圖5所示。

圖4 “中國精度”誤差圖

圖5 “星鏈續(xù)航”與CORS模式的差異

在CORS系統(tǒng)的工作模式下，由于需要作“相關(guān)性”解算，對(duì)差分?jǐn)?shù)據(jù)的時(shí)效性要求非常高，當(dāng)基站數(shù)據(jù)丟失或者CORS網(wǎng)的信號(hào)中斷時(shí)，定位的解算雖然有一定的外推功能，但基本上都在幾個(gè)歷元后就發(fā)散了。在實(shí)際工作中，十幾秒以后，精度基本上都在dm級(jí)甚至m級(jí)了。

“星鏈續(xù)航”把從“中國精度”衛(wèi)星中得到的廣域差分信號(hào)和利用“相關(guān)性”解算的算法結(jié)合起來，在丟失基站和CORS網(wǎng)的信號(hào)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，保持原有精度2～5 cm，長達(dá)30～40 min，這個(gè)時(shí)間內(nèi)測(cè)量人員感覺不到基站數(shù)據(jù)的丟失或CORS網(wǎng)信號(hào)的中斷。如果40 min后，信號(hào)還不能恢復(fù)，則精度回到廣域星基增強(qiáng)的精度，這種珠聯(lián)璧合的配合，是區(qū)域CORS技術(shù)和廣域星基增強(qiáng)技術(shù)的完美結(jié)合。圖6為測(cè)試人員在海南進(jìn)行測(cè)試。

圖6 測(cè)試人員海南測(cè)試

4 結(jié) 語

從目前已經(jīng)較為成熟的CORS網(wǎng)技術(shù)發(fā)展到“中國精度”此類更加宏觀的廣域差分星基增強(qiáng)系統(tǒng)，提供位置服務(wù)的手段越來越多樣化。“中國精度”的“星鏈續(xù)航”功能使得星基增強(qiáng)信號(hào)和區(qū)域CORS信號(hào)同時(shí)聯(lián)手作用于接收機(jī)，在一定區(qū)域的工作中，幾乎完全避免了高精度的丟失，提高了作業(yè)效率。

從本文中也可以看到，“中國精度”接收機(jī)的精度和收斂時(shí)間，在各地的測(cè)試中達(dá)到了預(yù)先設(shè)定的精度，由于星基增強(qiáng)信號(hào)是從衛(wèi)星到接收機(jī)，可以不依賴公網(wǎng)信號(hào)，徹底解決了山區(qū)、荒漠、海洋等地區(qū)沒有公網(wǎng)信號(hào)的難題，給用戶端帶來了非常簡便的工作方式。“中國精度”接收機(jī)在各種位置服務(wù)，特別是高精度定位中，應(yīng)用簡便、高效，應(yīng)該在更多的領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，“中國精度”在應(yīng)急測(cè)繪、全球測(cè)圖、一路一帶工作中，應(yīng)該大力推廣。

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1672-4623（2016）05-0001-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.05.001

郭四清，廣州思拓力測(cè)繪科技有限公司董事長，主要研究方向?yàn)镚NSS高精度裝備的研制。

2016-04-13。