衛星導航差分系統和增強系統（四）

+ 劉天雄

2.3.3 連續運行參考站系統

在大地測量、形變監測、道路施工、精準農業等領域，對衛星導航系統提出了動態厘米級、靜態毫米級的定位精度要求，僅靠衛星導航系統自身無法滿足如此高的定位要求，因此，需要建設增強系統提高其精度，連續運行參考站系統（continuous operation reference station system，CORS）就是為滿足這些應用需求發展起來的。

CORS是地基差分系統，由若干個參考基準站、一個中心站和通信鏈路組成，數據處理中心與參考基準站之間一般需要建立雙向通信鏈路。每個參考基準站配置雙頻衛星導航接收機，基準站應按規定的采樣率進行連續觀測，并通過數據通信鏈實時將偽距、載波相位測量觀測數據傳送給數據處理中心，數據處理中心根據流動站送來的近似坐標(可根據偽距法單點定位求得)判斷出該站位于由哪三個基準站所組成的三角形內，然后根據這三個基準站的觀測資料求出流動站處所受到的系統誤差，并播發給流動用戶來進行修正以獲得精確的結果，必要時可將上述過程迭代一次，實現靜態8～10mm，動態3～5cm的高精度定位。

圖10 連續運行參考站系統的工作原理

參考基準站與數據處理中心間的數據通信可采用數字數據網DON或無線通信等方法進行。流動站和數據處理中心間的雙向數據通信則可通過移動電話GSM等方式進行。數據處理中心利用通信鏈路播發修正數據，播發系統有單向和雙向兩種工作方式，在單向方式中，用戶從數據處理中心得到一致的修正數據；在雙向方式中，用戶將自己的粗略位置傳送給數據處理中心，數據處理中心將針對性的修正數據播發給用戶，每個用戶可能得到不同的修正數據。用戶終端根據得到的修正數據，修正定位信息，以達到增加定位精度的目的，CORS的工作原理如圖10所示。

CORS應用多基站網絡RTK技術解決參考基準站差分改正數據作用距離有限的問題，RTK技術基于載波相位觀測量進行實時差分，用戶站同時接收導航信號和參考站傳輸的觀測數據，根據相對定位原理，實時解算整周模糊度未知數并得到用戶坐標，網絡RTK技術中，線性衰減的單點導航差分誤差模型被區域型的導航差分網絡誤差模型取代，通過多個參考站組成的導航網絡估計一個地區的誤差模型，并為該網絡覆蓋地區的用戶提供校正數據。

對于CORS系統而言，數據處理中心是其核心，CORS利用特定的算法對參考站網的數據進行處理得出精確的差分改正，使用戶得到更好的定位精度。應用較廣泛的CORS技術有天寶（Trimble）公司的虛擬參考站(VRS)技術和Leica公司的主輔站改正(MAX)技術，這兩種技術都是將所有的固定參考站數據發送到數據處理中心，進行聯合解算，再以RTCM等標準格式播發到移動站，但兩者也存在一定的差別。

VRS技術工作原理：在特定區域建立永久的固定參考站(通常相距50～70km)，用戶接收機通過GSM短信息功能向控制中心發送一個概略坐標，控制中心根據用戶的位置，選擇一組最佳的參考站，利用特定的模型算法，相當于在用戶位置附近建立一個虛擬參考站，并利用此參考站產生高精度的差分改正信息，控制中心將標準格式的改正信息發送給用戶接收機進行載波相位差分改正，從而產生厘米級的定位結果，解決了RTK技術作業距離限制上的問題口。

MAX技術工作原理：利用多基站、多系統、多頻(L1，L2，L5)及多信號非差處理算法，采用了Leica公司的SpiderNET軟件包，利用了LAMBDA算法(Teunissen，1994)解算整周模糊度，利用卡爾曼濾波進行平差處理。利用網絡處理軟件將網絡中所有參考站相位距離歸算到一個公共的整周未知數水平，并據此對每一對衛星／接收機以及每一個頻率計算出彌散性(誤差值與頻率有關)和非彌散性(誤差值與頻率無關)誤差，并將此誤差的差分改正數作為網絡的改正數據播發給流動站。主輔站技術克服了VRS技術需要雙向通信的缺陷，且無網大小限制，也沒有網中臺站及流動用戶的數量限制。

根據以上工作原理，在CORS覆蓋區域內，無論用戶在哪里，中心站都可根據用戶當前所在的粗略位置，為該用戶計算出所需的差分數據，好象在用戶的附近建立了一個臨時虛擬基站，從而保證用戶可以連續地進行高精度定位，避免了用戶不斷切換基站的問題。CORS的工作原理決定了每個用戶需要保持與中心站雙向數據通信。每個基站需要保持與中心站單向數據通信，同時要求每個基站能夠同時提供偽距測量值和載波相位測量值。

目前，CORS采用的主流解算方法虛擬參考站（VRS）算法，已被美國天寶公司申請專利，在建設北斗地基差分系統的過程中，如何正確使用現有的技術資源，同時又不觸犯對方的知識產權，避免知識產權糾紛，是建設過程中不可避免遇到的問題。

2013年6月21日，中國衛星導航系統管理辦公室召開“北斗應用推廣示范工程”工作會，提出建設覆蓋全國的北斗地基增強骨干網建設目標，在全國建設150個均勻分布的框架參考網站，在湖北、湖南和廣東建立150個示范加密網參考站，建設一個綜合數據處理中心和一個備份數據處理中心，三個區域數據處理中心，完成交通、測繪、地理國情監測和大眾應用服務示范系統建設，實現廣域、區域、輔助增強一體化集成服務。

2014年4月，國家重大專項領導小組確定由中國北方工業集團公司承擔國家北斗地基增強系統研制建設總體任務，與國家交通運輸部、國家測繪局、中國氣象局、中國地震局、國土資源部、中科院國家授時中心、教育部武漢大學等單位共同實施項目研制建設。北斗地基增強系統利用多基站網絡RTK技術建立連續運行參考站系統，也稱為北斗CORS系統，提供北斗衛星導航系統定位精度的增強服務。北斗地基增強系統是在一定區域范圍內，由若干個連續運行的基準站、數據通信鏈路、數據中心和用戶終端構成的局域網絡。北斗地基增強系統綜合應用衛星導航定位技術、計算機技術、數據通信和互聯網（LAN/WAN）技術進行實時差分改正信息解算，可向用戶自動提供經過檢驗的衛星導航信號觀測值（載波相位、偽距）、差分改正數、狀態信息等衛星導航增強信息，為不同行業、不同類型用戶提供多種多樣的高精度導航定位解算服務。

圖11 北斗地基增強系統框架網基準站分布

北斗地基增強系統由框架網和加密網基準站、通信網絡系統、數據處理系統、數據播發系統、應用終端等組成。國家北斗地基增強系統在境內建設150個國家框架網北斗基準站，站間距300km～1000km，平均每省、自治區至少有3～5個北斗基準站，每個直轄市至少有1個北斗基準站，框架網基準站分布圖如圖11所示；1200個區域加密網北斗基準站，站間距一般不大于60km，采用國家補貼、企業自籌的方式建設系統，區域加密網基準站分布圖如圖12所示；建立了北斗數據綜合處理系統、數據備份系統、6個行業數據處理系統，利用衛星L波段、C波段、中國移動多媒體廣播（CMMB）、中國數字廣播（CDR）、移動通信等多種方式播發增強數據，實現廣域實時米級和分米級、區域實時厘米級和后處理毫米級四類高精度服務。

圖12 北斗地基增強系統區域加密網基準站分布

北斗地基增強系統框架網基準站用于提供北斗廣域修正（米級、分米級）數據產品解算所需的北斗衛星播出的導航數據。區域加密網基準站用于提供北斗區域差分（厘米級、后處理毫米級）數據產品解算所需的北斗衛星播出的導航數據。通信網絡系統用于連接基準站至國家北斗數據處理系統、國家北斗數據處理系統至行業北斗數據處理系統、國家北斗數據處理系統至數據產品播發系統之間的數據傳輸。數據處理系統用于基準站衛星導航原始觀測數據的接收、存儲、質量分析與評估、解算廣域、區域、后處理高精度數據產品、對數據產品進行解析和封裝、推送到數據播發系統。數據播發系統包括衛星（L波段、C波段）、無線電廣播（CMMB和CDR）、移動通信（2G/3G/4G），將北斗高精度數據產品播發至對應“人、車、物”的應用終端。應用終端接收北斗衛星導航信號和北斗差分數據信號，即可解算出相應的北斗高精度定位信息。通過位置服務運營平臺，降低位置服務的門檻，支撐大眾和行業應用。

北斗地基增強系統將中國大陸國土網格化，在網格節點安裝北斗高精度接收機，接收北斗衛星導航信號，通過通信網絡實時傳輸到國家數據綜合處理系統，經處理后生成衛星精密軌道、鐘差、電離層、綜合改正數和完好性等數據產品，利用衛星、數字廣播、移動通信等方式進行播發，用戶利用北斗高精度接收機/應用終端接收北斗高精度數據產品后進行解算，即可獲得實時米級、分米和厘米級定位服務，及系統提供后處理毫米級的定位服務。

美國連續運行參考站系統（CORS）由國家大地測量局負責管理，在全美建設參考基站1900多個，基站分布如圖13所示，利用移動通信播發GPS差分改正數據，為大地測量、地理信息、農業以及工程與科學研究等用戶提供實時厘米級、后處理毫米級定位精度。

美國政府對地基增強系統的應用既傳統又開放，一方面通過明確的政策法規，推薦使用GPS及GLONASS導航系統信號；另一方面，積極鼓勵各州政府與民眾合作共建，共享數據。美國NDGPS系統和CORS系統的運行發展較為成熟，但高精度定位應用仍局限于傳統領域，尚未凸顯位置服務的智能化作用。

圖13 美國連續運行參考站系統（CORS）基站分布

英國國家大地測量局建設了OSNet地基增強系統，在全英建設參考基站140多個，利用移動通信和互聯網播發GPS差分改正數據，OSNet系統的原始數據被提供給Leica 、Trimble、Topcon等5家公司，由其提供市場服務，為用戶提供實時厘米級、后處理毫米級定位精度。德國國家測量部門聯合運輸、建筑等部門共建了SAPOS地基增強系統，在全德建設參考基站200個左右，利用移動通信和互聯網播發GPS差分改正數據，為地震監測、地面沉降監測、海平面監測、水汽含量的精確測定、高速公路管理等用戶提供實時厘米級、后處理毫米級定位精度，且基于SAPOS地基增強系統實現了德國高速公路不停車收費服務。受歐盟一體化、政治體系差異的影響，歐洲各國的基準站網絡尚未聯結，目前歐洲框架網（EUREF）的主要服務有高精度站坐標值和速度場、站時間序列以及對流層大氣延遲參數等，但尚未轉化至高精度民用領域。

加拿大大地測量局和地質測量局建設了CACS地基增強系統，基于加拿大大地測量動態參考框架，在全加建設參考基站40多個，利用移動通信和互聯網播發GPS差分改正數據，為測量、地球物理等用戶提供1-10米，后處理優于3厘米定位精度。澳大利亞新南威爾士土地和財產管理局建設了CORSnet-NSW地基增強系統，在全澳建設參考基站80多個，利用移動通信和互聯網播發GPS差分改正數據，為測量、農業、礦業、緊急服務、科學研究、建筑和氣象探測等行業用戶提供實時厘米級、后處理毫米級定位精度。作為前英聯邦國家，加拿大與澳大利亞均沿襲了英國成熟發達的測繪地理信息技術體系，并在此基礎上進一步發展。由于地廣人稀、區域發展不均，加拿大和澳大利亞的高精度應用主要集中在本國發達地區的國土測繪、公共事務、交通航道等應用領域。

日本國家地理院建設了COSMOS地基增強系統，在日本境內建設參考基站1200個，基站分布如圖14所示，系統站點平均密度20km，利用移動通信和互聯網播發GPS差分改正數據，為地震監測與預報、工程控制與監測、測圖與地理信息系統更新、氣象監測與預報等行業用戶提供實時厘米級、后處理毫米級定位精度。由于自然災害頻發，基于災害的監測需求，日本建設了全球基準站密度最高的地基增強網絡，通過發達的通信網絡，做到秒級實時響應，應用領域以傳統行業為主。

圖14 日本COSMOS地基增強系統基站分布