千尋北斗地基增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)下的實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)解碼及定位性能分析

黃永帥，史俊波,2，歐陽(yáng)晨皓，陸星寧

(1. 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 精密工程與工業(yè)測(cè)量國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079)

千尋北斗地基增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)下的實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)解碼及定位性能分析

黃永帥1，史俊波1,2，歐陽(yáng)晨皓1，陸星寧1

(1. 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 精密工程與工業(yè)測(cè)量國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079)

2016年5月，千尋位置網(wǎng)正式公開運(yùn)營(yíng)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)。作為國(guó)內(nèi)首家商用北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，千尋位置網(wǎng)可以為全國(guó)大部分范圍內(nèi)的用戶提供高精度定位服務(wù)。本文首先介紹了千尋北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸格式，然后在武漢、重慶兩地分別對(duì)千尋北斗地基增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的RTK、RTD定位服務(wù)進(jìn)行了性能測(cè)試。結(jié)果表明，其定位性能能夠達(dá)到實(shí)時(shí)RTK厘米級(jí)和RTD亞米級(jí)，同時(shí)驗(yàn)證了解碼程序的正確性。本文的研究?jī)?nèi)容對(duì)于北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的應(yīng)用推廣具有一定的借鑒意義。

千尋北斗地基增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)；RTCM MSM；厘米級(jí)RTK；亞米級(jí)RTD

Abstract： As the first commercial BeiDou ground based augmentation system (GBAS) in China, the Qianxun location network announced in May 2016 is able to provide high-precision positioning service for users in majority territory. This paper first introduces the message formatting and decoding broadcast by the Qianxun Beidou GBAS, and then evaluates the RTK and RTD positioning performance in Wuhan and Chongqing. Numerical results show that the positioning precision can reach centimeter for RTK and sub-meter for RTD, respectively. The aim of this paper is to provide a basis for the promotion of BeiDou GBAS.

Keywords： Qianxun BeiDou ground based augmentation system; RTCM MSM; centimeter level RTK; sub-meter level RTD

2016年5月，千尋位置網(wǎng)開始向用戶提供亞米級(jí)(千尋跬步-Find m)、厘米級(jí)(千尋知寸-Find cm)和毫米級(jí)(千尋見微-Find mm)3種高精度定位服務(wù)，覆蓋全國(guó)大部分省市。該服務(wù)基于我國(guó)自主建設(shè)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)[1]，通過RTD/RTK定位原理，利用互聯(lián)網(wǎng)提供全天候差分播發(fā)服務(wù)[2]。

高精度北斗差分?jǐn)?shù)據(jù)的播發(fā)需要將數(shù)據(jù)以RTCM(radio technical commission for marine service)V3.2多電文信息(multiple signal message，MSM)格式進(jìn)行編碼并通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行播發(fā)[3]。在2013年11月RTCM V3.2版本發(fā)布之前，國(guó)際上并沒有統(tǒng)一的協(xié)議規(guī)定北斗導(dǎo)航系統(tǒng)差分?jǐn)?shù)據(jù)的播發(fā)格式[4]。RTCM V3.2發(fā)布之后，唐文杰[5]、伍鑫[6]等使用RTCM V3.2的差分?jǐn)?shù)據(jù)格式驗(yàn)證了上海和珠海兩個(gè)區(qū)域CORS北斗RTK定位的可行性。劉天恒[7]、陳振[8]等利用河南地區(qū)的北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，分別驗(yàn)證了基于河南、四川兩個(gè)區(qū)域北斗地區(qū)增強(qiáng)系統(tǒng)RTD定位精度達(dá)到亞米級(jí)。

作為國(guó)內(nèi)第一個(gè)商用北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，千尋北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)能夠覆蓋全國(guó)大部分范圍，支持以RTCM V3.2標(biāo)準(zhǔn)格式播發(fā)數(shù)據(jù)。本文在研究RTCM V3.2 MSM電文格式的基礎(chǔ)上，在武漢和重慶兩地分別對(duì)千尋北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)所播發(fā)的虛擬參考站觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，并進(jìn)行RTK和RTD差分解算，研究千尋北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的服務(wù)性能及定位精度。

1 MSM電文內(nèi)容

相較于之前版本，RTCM V3.2新增了MSM格式用于支持BDS差分?jǐn)?shù)據(jù)的播發(fā)[9]。MSM電文內(nèi)容共分為7個(gè)電文組(MSM1～7)，每種MSM都由3部分組成：電文頭、衛(wèi)星數(shù)據(jù)、信號(hào)數(shù)據(jù)。電文組成及每部分內(nèi)容簡(jiǎn)介如圖1所示。

1.1 電文頭

MSM1～7電文頭內(nèi)容是相同的[10]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。黑色文字部分是該數(shù)據(jù)區(qū)的名稱；名稱下方的DFXXX為數(shù)據(jù)區(qū)(Data Filed，DF)編號(hào)；括號(hào)中為數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，單位為比特(bit)，uint表示無(wú)符號(hào)整型；省略號(hào)表示該數(shù)據(jù)區(qū)電文內(nèi)容與本文無(wú)關(guān)。

圖1 MSM電文組成

圖2 MSM電文頭結(jié)構(gòu)

電文編號(hào)(DF002)的長(zhǎng)度為12 bit，決定了解碼觀測(cè)值所屬衛(wèi)星系統(tǒng)。目前，千尋位置網(wǎng)播發(fā)的RTCM3.2多電文編號(hào)為MSM4，包括1074(GPS)、1084(GLONASS)、1124(BDS)等電文。

衛(wèi)星掩碼(DF394)的長(zhǎng)度為64 bit，每一個(gè)bit對(duì)應(yīng)一個(gè)衛(wèi)星PRN。GPS和BDS衛(wèi)星PRN和衛(wèi)星掩碼ID按照從小到大對(duì)應(yīng)，即G01/B01對(duì)應(yīng)衛(wèi)星掩碼中的第一個(gè)bit，G02/B02對(duì)應(yīng)衛(wèi)星掩碼中的第二個(gè)bit，以此類推。衛(wèi)星掩碼中ID值默認(rèn)為0，當(dāng)其值被設(shè)置為1時(shí)，表明在該段電文中含有該衛(wèi)星的觀測(cè)值。衛(wèi)星掩碼值為1的ID的個(gè)數(shù)即為Nsat的值。Nsat的值決定了衛(wèi)星數(shù)據(jù)塊中共有多少個(gè)衛(wèi)星。

信號(hào)掩碼(DF495)的長(zhǎng)度為32 bit，每一個(gè)bit對(duì)應(yīng)一種信號(hào)。信號(hào)掩碼的值默認(rèn)為0，當(dāng)其值被設(shè)置為1時(shí)，表明在該段點(diǎn)文中含有該類信號(hào)的觀測(cè)值。信號(hào)掩碼ID值為1的總個(gè)數(shù)即為Nsig的值。

單元掩碼(DF396)大小在解碼前是未知的，其大小由衛(wèi)星掩碼和信號(hào)掩碼中的內(nèi)容決定，即X=Nsat*Nsig。單元掩碼相當(dāng)于一個(gè)二維表格，表格的行代表衛(wèi)星掩碼(DF394)中ID設(shè)置為1的衛(wèi)星，表格的列代表信號(hào)掩碼(DF395)中ID設(shè)置為1的衛(wèi)星，在電文中則以列優(yōu)先的順序存儲(chǔ)。單元掩碼中每個(gè)單元格默認(rèn)值為0，單元掩碼中某單元格值被設(shè)置為1，表示在該段電文中，含有某衛(wèi)星某信號(hào)的觀測(cè)值。單元掩碼中值為1的個(gè)數(shù)即為Ncell的值。

1.2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)

本文以千尋北斗地基增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)播發(fā)的MSM4為例，介紹MSM電文的衛(wèi)星數(shù)據(jù)及信號(hào)數(shù)據(jù)。衛(wèi)星數(shù)據(jù)是指衛(wèi)星掩碼(DF394)中ID被設(shè)置為1的衛(wèi)星的相關(guān)信息。MSM4衛(wèi)星的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，Sat1～SatN即為衛(wèi)星掩碼中衛(wèi)星ID被設(shè)置為1的衛(wèi)星按ID從小到大進(jìn)行排列，其他各項(xiàng)所代表的含義同前。

圖3 MSM4衛(wèi)星數(shù)據(jù)內(nèi)容

1.3 信號(hào)數(shù)據(jù)

信號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的是單元掩碼中ID值被設(shè)置為1的衛(wèi)星信號(hào)信息，格式如圖4所示。其中，Ncell為單元掩碼中值被設(shè)置為1的個(gè)數(shù)，int表示該電文數(shù)據(jù)類型為有符號(hào)整型。

圖4 MSM4信號(hào)數(shù)據(jù)內(nèi)容

衛(wèi)星數(shù)據(jù)用于恢復(fù)衛(wèi)星的粗略測(cè)距，結(jié)合信號(hào)數(shù)據(jù)，就可以構(gòu)建出完整的偽距、相位觀測(cè)值，計(jì)算公式為

(1)

式中，c為光速，值為299 792 458 m/s[11]。

2 厘米、亞米級(jí)北斗差分定位性能分析

利用千尋北斗地基增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)，本文在武漢、重慶兩地分別進(jìn)行厘米級(jí)RTK、亞米級(jí)RTD定位性能分析，流程如圖5所示。首先，架設(shè)流動(dòng)站進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，獲取流動(dòng)站近似坐標(biāo)；其次，流動(dòng)站將近似坐標(biāo)發(fā)送給千尋網(wǎng)絡(luò)；然后，服務(wù)器根據(jù)流動(dòng)站發(fā)送的近似坐標(biāo)，生成虛擬參考站觀測(cè)數(shù)據(jù)[12]，并發(fā)送至流動(dòng)站；最后，流動(dòng)站接收虛擬參考站觀測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行解碼，聯(lián)合流動(dòng)站觀測(cè)值，進(jìn)行差分解算[13]。

圖5 利用千尋網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行差分定位示意圖

本文在武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院樓頂架設(shè)流動(dòng)站，觀測(cè)時(shí)間為2016年8月18日5:45—6:32(UTC)，使用靜態(tài)模擬動(dòng)態(tài)方式進(jìn)行試驗(yàn)。流動(dòng)站觀測(cè)環(huán)境如圖6(a)所示，從圖中可以看出，流動(dòng)站天線靜止架設(shè)在強(qiáng)制對(duì)中樁上，觀測(cè)環(huán)境較為開闊，使用的接收機(jī)是司南K505 BDS、GPS雙星五頻觀測(cè)板卡，高度截止角為15°，采樣率為1 s。將該區(qū)域近似坐標(biāo)發(fā)送到千尋網(wǎng)絡(luò)，獲取虛擬參考站觀測(cè)值，并按上一節(jié)原理進(jìn)行解碼。

圖6

圖6(b)為觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)流動(dòng)站BDS可見衛(wèi)星數(shù)和PDOP(position dilution of precision)值。從圖中可以看出，在觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)，衛(wèi)星數(shù)維持在9顆以上，說明觀測(cè)環(huán)境很開闊。PDOP值從另一方面反映了觀測(cè)環(huán)境，當(dāng)衛(wèi)星幾何結(jié)構(gòu)變差時(shí)，PDOP值變大。05:44—06:02時(shí)間段內(nèi)，衛(wèi)星數(shù)沒有發(fā)生變化，但PDOP值減小，是衛(wèi)星幾何結(jié)構(gòu)變好所致[14]。

基于千尋北斗地基增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的厘米級(jí)RTK、亞米級(jí)RTD定位結(jié)果誤差序列如圖7所示，本文以靜態(tài)基線解算的結(jié)果為參考值。由于虛擬參考站數(shù)據(jù)是通過“編碼—傳輸—解碼”到達(dá)流動(dòng)站[15]，會(huì)造成一定數(shù)據(jù)的缺失，導(dǎo)致流動(dòng)站有一部分歷元無(wú)法進(jìn)行差分解算，本次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)缺失率(即：沒有虛擬參考站數(shù)據(jù)的歷元/總歷元數(shù))為0.9%。

圖7 武漢地區(qū)差分定位誤差序列

流動(dòng)站和虛擬參考站之間的距離約為5.2 km，RTK模糊度驗(yàn)證的Ratio值為2。從圖7可以看出，BDS RTK在N、E方向誤差主要集中在5 cm以內(nèi)，U方向誤差主要集中在0～-15 cm；BDS RTD在N、E方向誤差主要集中在±1 m以內(nèi)，U方向誤差在±2 m以內(nèi)。

為了驗(yàn)證千尋RTK厘米級(jí)和RTD亞米級(jí)的定位精度，本文在圖7的基礎(chǔ)上進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)定位精度。表1列出了武漢地區(qū)BDS RTK定位模糊度固定情況及BDS RTK、RTD定位結(jié)果。其中，模糊度固定率是指Ratio值大于2的歷元(固定歷元)數(shù)占總歷元數(shù)的比例，即

(2)

從表1可以看出，BDS固定率為97.3%，其RTK在N、E、U方向平均值分別為-0.6、-0.2、-6.7 cm，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.8、0.7、4.3 cm，滿足厘米及定位精度；RTD在N、E、U方向平均值分別為-25.8、2.0、-10.0 cm，標(biāo)準(zhǔn)差分別為22.4、18.3、78.3 cm，滿足亞米級(jí)定位精度。為便于比較，表1也列出了相應(yīng)的GPS結(jié)果。可以看出，GPS定位精度和BDS定位精度相當(dāng)，從另一方面驗(yàn)證了基于千尋北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的定位性能及可用性。

表1 武漢地區(qū)差分定位模糊度固定情況及定位精度

為了進(jìn)一步驗(yàn)證千尋北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的定位性能，本文于2016年8月25日01:49—02:15(UTC)在重慶地區(qū)進(jìn)行相似試驗(yàn)，最終結(jié)果見表1。從表中可以看出，在重慶地區(qū)其定位精度依然滿足RTK厘米級(jí)和RTD亞米級(jí)，驗(yàn)證了千尋北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的定位性能。

3 結(jié) 論

本文首先介紹了RTCM V3.2中MSM4電文的結(jié)構(gòu)，然后介紹了千尋北斗地基增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的工作原理及所提供的服務(wù)類型。在此基礎(chǔ)上，編寫了解碼程序并在武漢和重慶兩地進(jìn)行了差分定位試驗(yàn)，定位結(jié)果滿足RTK厘米級(jí)和RTD亞米級(jí)精度。該結(jié)果一方面表明RTCM V3.2解碼程序的正確性；另一方面表明，千尋北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)所提供的定位服務(wù)能夠達(dá)到實(shí)時(shí)厘米級(jí)RTK、亞米級(jí)RTD。

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Real-timeObservationDecodingandPositioningAnalysisBasedonQianxunBeiDouGroundBasedAugmentationSystem

HUANG Yongshuai1,SHI Junbo1,2,OUYANG Chenhao1,LU Xingning1

(1. School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, Wuhan 430079, China; 2. Key Laboratory of Precise Engineering and Industry Surveying, National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation, Wuhan 430079, China)

P228

A

0494-0911(2017)09-0011-04

2016-12-27

國(guó)家自然科學(xué)基金(41504027)

黃永帥(1994—)，男，碩士生，主要研究方向?yàn)楦呔菳DS差分定位。E-mail：yshuang@whu.edu.cn

史俊波。E-mail：jbshi@sgg.whu.edu.cn

黃永帥，史俊波，歐陽(yáng)晨皓,等.千尋北斗地基增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)下的實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)解碼及定位性能分析[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(9)：11-14.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0277.