北斗地基增強系統測試及精度分析

楊建科,莫懦

(南寧市勘察測繪地理信息院,廣西 南寧 530022)

0　引　言

北斗衛星導航系統(BDS)是我國自行研制的全球衛星定位與通信系統,是繼GPS和GLONASS之后第三個成熟的衛星導航系統,由空間段、地面段和用戶段組成[1-2]。北斗地基增強系統,通過北斗衛星導航系統衛星信號增強,改善導航衛星的幾何分布,增加可見衛星數,削弱衛星定位誤差影響,保障了RTK定位的可靠度與穩定性,提高了連續運行參考站網絡系統(簡稱CORS)的可用性。

南寧北斗地基增強系統項目,通過升級改造已有5個連續運行的地面基準站,新建4個基準站,建設1個控制中心,形成覆蓋面積達6 900 km2兼容BDS/GPS/GLONASS的三系統多頻多模北斗地基增強系統,系統采用虛擬參考站技術(VRS)技術進行動態服務。本文對該系統進行相關的測試與數據分析,總結低緯度地區的實驗數據,以利于其他類似項目的借鑒和參考。

1　南寧北斗地基增強系統測試

2014年底建成南寧北斗地基增強系統,系統包括9個基準站、1個控制中心、數據通信系統與用戶子系統,基準站間最長距離117.928 km,最短距離30.212 km,平均間距55.5 km,本文主要對系統的RTK定位精度、時間可用性、空間可用性以及系統覆蓋范圍進行測試。

1.1　系統RTK定位精度及時間可用性測試

測試目的:得到系統實時RTK定位精度;得到系統服務的空間范圍及其時間可用性。

在系統覆蓋區域及周邊選擇有坐標的已知點,進行RTK實時動態測試。采用三角架設站,

數據采樣率為1 s.記錄不同儀器在檢測點上獲得固定解的時間、衛星數、坐標值,統計內符合精度和外符合精度。

1) 空曠環境下

以徠卡系統GPS導航接收機進行數據觀測和處理。觀測時間為2014年8月22日13:04:02至2014-8-23 13:04:01,理論觀測值個數應為86 400個。精度統計如下:

a) 平面收斂精度設為3 cm的觀測值平面內符合精度計算

與平均位置較差距離小于等于2倍中誤差即6 cm的觀測值70 914個,占測試時間的81.14%,70 914個較差計算平面位置中誤差為±0.013 m.

b) 大地高收斂精度為5 cm的大地高內符合精度計算

與大地高平均值較差絕對值小于等于2倍收斂中誤差即的觀測值為69 841個,占測試時間的 79.92%,這69 841個較差計算大地高中誤差內符合精度為±0.024 m.

聯系人: 楊建科 E-mail: 1021632944@qq.com

同時滿足與平均位置較差距離小于等于2倍中誤差即6 cm,與大地高平均值較差絕對值小于等于2倍收斂中誤差即0.1 m的觀測值為69459個,占測試時間的79.48%.

2) 隱蔽環境下

定義:本文的隱蔽環境定義為GPS接收機180°范圍內,衛星截止高度角90°以下有障礙物的環境。為測試北斗地基增強系統對作業范圍可用性的優化情況,在某村選取搜星環境比較惡劣的測點(測點一邊緊靠兩層樓房),進網絡RTK測試。

測試時間:2014-10-27日5:00:11至28日4:59:38.

1.2　站間距設計之加密站點區域效果測試

通過加密參考站點應對低緯度地區的南寧區域電離層影響,是本項目提高網絡RTK的時間可用性的重要方法。隨著參考站間距離的增加,空間環境特別是電離層的變化,致使參考站間模糊度固定難度不斷加大,空間相關誤差區域模型精度亦逐漸降低[3],項目開展了加密站點區域時間可用效果測試,為以后的擴建改造提供技術依據。

關于參考站相鄰間平均邊長《衛星定位城市測量規范》CJJ/T73-2010給出的是40 km,《全球導航系統連續運行參考站網技術規范》GB/T28588-2012認為厘米級實時定位精度要求參考站間平均距離≤70 km.日本GPS連續應變監測系統(COSMOS)在最密的地區如關東、東京、京都等地區站間間距10～15 km.珠澳大橋GNSS連續運行參考站系統3個參考站之間的距離分別為16 km、28 km 和36 km[4].南寧區域原5個參考站相鄰間距NANN至JILG最近30.1 km, NACH至JILG最長58.1 km,平均站間距為40.8 km.考慮到五象新區為建設工程應用測量需求密集的區域,項目組在那馬鎮加密了站參考站,加密后站點NAMA分布及測試位置如圖1所示。

起點終點基線長度/kmNAMANANN23.3NAMANACH23.5NAMANALU25.5

對加密那馬站后的空曠環境下進行了測試。測試時間:2014-10-24日20:22:28至25日20:21:46,某村委樓頂。

1.3　系統空間可用性測試

系統的可用性包括時間可用性和空間可用性。系統的空間可用性主要參照在系統設備軟件采購測評階段測試數據作為依據,采用網絡RTK進行。

類型定義:網絡RTK覆蓋范圍是指用戶能夠得到RTK固定解的區域范圍[5]。

此項測試采用與網絡RTK實時定位精度測試相同的儀器設備、通訊連接方式,天線與手簿用有線連接,測試模式為網絡RTK測量模式,采樣率為1 s,在作業車輛上進行連續定位,測試車輛按照時速30～90 km之間自網內往網外行使,當測試用戶終端設備無法獲取固定解后,車輛向網外連續5 km或測試車輛向網外走10分鐘以上后,原路返回出發點。測試僅選取在1條自中心城區直線延伸網外的道路進行,測試方連續獲得固定解遠點定義:定位軌跡結果往參考站網內直伸5分鐘(統一扣除臨時停車時間),理論觀測值應為300個,實際觀測記錄固定解分布均勻、有規律且不少于180個的最遠點固定解坐標位置。取固定解坐標位置與內外范圍線垂直距離為網絡RTK覆蓋范圍。

測試時間: 2014-8-21 10:43:26開始,2014-8-21 16:49:34結束。

測試線路:自南寧市茶花園路出發,沿茶花園路-長湖路-秀廂大道-環城高速(二塘-安吉段)-南武城市大道——S107省道至武鳴縣靈馬鎮后,沿去路折回。空間可用性測試線路如圖2所示。

測試結果:網外可達到48.6 km,網絡RTK在行駛車中的固定解比例大于60%.

2　測試數據分析

2.1　系統RTK定位精度及時間可用性測試分析

1) 空曠環境下

根據測試數據,統計分析如表1所示。

表1　空曠環境系統測試

注 1:有效觀測是指符合網絡RTK定位精度指標為平面位置中誤差≤3 cm,大地高中誤差≤5 cm,限差為2倍中誤差精度要求的固定解觀測值[6]。2:時間可用性(%)是指固定解個數占測試理論觀測個數的比例,測試觀測采集頻率1 s.以下測試表同。

從表1的結果來看,在空曠環境條件下:

① 加了北斗的GPS+BDS系統比較未加北斗的常規GPS系統,固定解比例提高約4.7%,時間可用性有所提高;

② 內符合精度基本一致,均符合規范限差要求。

2) 隱蔽環境下

測試數據統計分析如表2所示。

表2　隱蔽環境系統測試

從表2的結果來看,在隱蔽環境條件下:

① 未加北斗的常規GPS系統,固定解比例只有27%,難以滿足實際工作需要;

② 加密那馬基準站(新建)之后,未加北斗的常規GPS系統,固定解比例只有37%,固定解比例提高不明顯;

③ 加密那馬基準站(新建)之后、GPS+BDS系統比較GPS系統,固定解比例提高約51%,達到78.8%,固定解比例顯著提高,基本可以滿足日常工作需要;

④ 內符合精度基本一致,均符合規范限差要求。

2.2　站間距設計之加密站點區域效果測試分析

測試數據統計分析如表3所示。

表3　加密那馬站后的空曠環境系統測試(內符合精度)

通過RTK測量結果與已知點的坐標比較,可以得出RTK 測量的精度外符合精度,加密那馬站后的空曠環境系統測試的外符合精度如表4所示。

表4　加密那馬站后的空曠環境系統測試(外符合精度)

從表3、表4的結果來看,空曠環境條件下,加密那馬站后的系統:

① 比較未加北斗、未加密站點的常規GPS系統,固定解比例固定解比例自84.20%提高至97.43%,提高13.23%,得到明顯改善。

② 加北斗GPS+BDS系統相比未加北斗的常規GPS系統,固定解比例基本一致;

③ 加北斗GPS+BDS系統比較未加北斗、未加密的常規GPS系統,自84.20%提高至97.84%,提高13.64%,得到明顯改善。

④ 內符合精度和外符合精度精度基本一致,均符合規范限差要求。

3　結束語

通過對南寧北斗地基增強系統實時定位精度、系統可用性,空間可用性等測試,通過對測試數據的分析,結果表明:

1) 南寧市北斗地基增強系統,具備了融合GPS、BDS的高精度的時空地理位置信息動態獲取和服務能力,滿足全天候95%覆蓋南寧市厘米級RTK定位精度要求;

2) GPS+BDS組合較單GPS、單BDS在隱蔽環境下的RTK定位時間可用性得到明顯提高,這也驗證了北斗增強系統的優勢所在;

3) 參考站點的加密有助于提高系統的時間可用性。

[1]田建波,陳剛,陳永祥.全球導航定位技術及其應用[J].中國地質大學出版社,2013:152-185.

[2]唐金元.北斗衛星導航區域系統發展應用綜述[J].全球定位系統,2013,38(5):47-52.

[3]張乙志,金鍇,劉立,等.北斗地基增強系統網絡RTK測試分析[J].全球定位系統,2016,41(6):115-118.

[4]丁樂樂,戈樂樂,馮媛媛,等. 天津市北斗地基增強系統性能測試及分析[J].工程勘察,2017(3):64-67.

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[6]謝玉兵,王昌瀚,蔣明富,等.區域北斗地基增強系統動態服務精度分析[J].地理信息空間， 2016(11):12-13.