GDCORS多星系統定位平臺測試與分析

鄧思勝,劉文建, 胡斯斌

(廣東省國土資源測繪院,廣東 廣州 510500)

0 引 言

廣東省連續運行衛星定位服務系統(GDCORS，以下簡稱“原平臺”)于2006年建成并投入運行,已連續不間斷運行10余年，可提供單GPS的網絡實時動態(RTK)服務,服務成果精度相對穩定、可靠,獲得用戶的廣泛認可.

為了進一步提升現代測繪基準社會化服務能力,推進現代測繪基準的廣泛應用,按照廣東省2017和2018年基礎測繪項目計劃要求,建成了GDCORS兼容多星系統的北斗地基增強平臺(以下簡稱“新平臺”). 為確保新平臺服務的穩定、可靠,在平臺正式投入運行前,組織開展了新平臺與原平臺的外業測試,以評估新平臺多星定位服務的精度實際情況,并為GDCORS用戶使用新/原平臺提供實際應用參考.

預期新平臺的實時精密定位精度由表1示出.

表1 實時精密定位精度技術指標

1 測試方案

1.1 方案設計

為了多方面考察多星定位服務系統,計劃在粵東、粵北、珠三角和粵西四個區域,各選取1～2個地級市作為測試區,每個測試區選取20～30個等級點(C/D/E級控制點,同時要求盡可能提供控制點的CGCS2000坐標成果);每個點采用三腳架對中、整平后接入如表2所示的3種服務系統進行5個時段的觀測,每個時段以1 s采樣間隔觀測不少于60個歷元,從獲得固定解開始記錄測量結果,并填寫觀測記錄表[1]. 為方便表述,新平臺標識為Cur,原平臺標識為Pri.

表2 外業測試服務系統及觀測時段列表

表2中列明觀測系統及時段的目的在于:

Cur-CGCS2000、Cur-ITRF2000兩者各需接入不同差分數據格式的源節點來完成2個時段的觀測,其目的在于考察系統平臺對移動終端的兼容性;如缺少其中某個時段的觀測數據并不影響后續的精度統計分析.

Cur-CGCS2000、Cur-ITRF2000兩者用來考察新平臺在不同坐標系統下的服務能力,特別是能否直接在CGCS2000空間直角坐標系下提供有效的實時精密定位服務;

Cur-ITRF2000、Pri-ITRF2000兩者均運行在ITRF2000空間直角坐標系(2006.9歷元),即GDCORS坐標框架,可以考察新舊系統定位服務的一致性.

Pri-ITRF2000已連續不間斷運行10余年,服務成果精度穩定可靠,不是本次測試的重點,主要作為Cur-ITRF2000乃至新平臺服務成果精度參考,特別是在控制點沒有已知成果的情況下.

1.2 實施情況

本次測試經細化后具體劃分為以下7個區域:肇慶高要市區域、廣州番禺區域、珠海市區域、韶關市區域、河源市區域、揭陽市區域和清遠市區域;每個區域1個小組,每個小組的成員包括3人(含司機),于2018年11月間完成了測試. 共獲取178個測試點位成果,其中有145個點位上同時接入前述3種服務系統獲取了觀測成果;具體情況如表3所示.

表3 測試點接入觀測系統情況

各服務系統的接入觀測情況如表4所示.

表4 各服務系統的接入觀測情況

測試區域和測試點的分布情況如圖1所示

圖1 測試區域和測試點分布示意圖

2 實時精密定位精度測試結果分析

2.1 網絡RTK定位精度分析

網絡RTK定位精度統計可以分為內符合精度評定、重復性精度評定、外符合精度評定三個部分;并在此基礎上對新平臺與原平臺的坐標精度進行了比對分析. 囿于篇幅,不在此贅述各指標的具體計算公式[2].

2.1.1 內符合與重復性精度分析

本次測試的3種服務系統各自內符合與重復性精度分別如表5～6所示.

表5 內符合精度統計表

表6 重復性精度統計表

表注:Pri-ITRF2000系統僅觀測了一個時段,故不統計重復性精度指標.

新平臺在內符合精度方面,平面精度優于1 cm,高程精度優于2 cm;重復性精度方面,平面精度優于1 cm,高程精度優于2 cm. 結果表明,新平臺所提供的實時觀測數據質量及定位服務精度在不同坐標系統、不同端口下是一致的;與原平臺比較,兩者在內符合、重復性精度方面均處于同等水平.

2.1.2 新平臺與原平臺比對分析

在ITRF2000空間直角坐標系(2006.9歷元),保證測試點在Cur-ITRF2000、Pri-ITRF2000至少各有一個時段觀測的前提下,將觀測數據合并在一起進行內符合和重復性檢驗,結果如表7所示.

表7 ITRF2000下新平臺&原平臺精度統計表

總共有152點436個有效時段參與統計計算,其中132點觀測了3個時段(即新平臺觀測2時段,原平臺觀測1時段),占87%,20點觀測2個時段(即新平臺與原平臺各觀測1時段),占13%.

又將上述152點分別在Cur-ITRF2000、Pri-ITRF2000下的觀測位置成果進行高斯投影平面坐標、大地高兩項比較,結果如表8所示.

表8 ITRF2000下新平臺與原平臺位置較差精度統計表

新平臺與原平臺平面較差中誤差、大地高較差中誤差均優于5 cm,達到了測試預期精度.

因此,新平臺和原平臺的內符合精度、重復性精度以及兩者在平面位置與大地高較差結果表明,兩套獨立平臺在同一坐標框架下提供的網絡RTK服務測量成果無差別. 因此,新平臺的可用性良好,且與原平臺有良好的契合度,可完全提供原平臺的服務功能.

2.1.3 新平臺外符合精度統計

在上述測試點中,最后收集到了57個控制點已有的CGCS2000成果(其中GPS-C級點34個,GPS-D級點21個,GPS-E級點2個)作為本次網絡RTK測試的外符合精度檢核點[3]. 外符合精度檢核點上接入Cur-CGCS2000獲得網絡RTK測量結果與已知CGCS2000成果的較差情況如圖2所示.

圖2 CGCS2000外符合精度較差情況

外符合精度統計情況如表9所示.

表9 CGCS2000外符合精度統計表

表注:坐標分量較差按絕對值統計.

可見,所有點位較差均小于5 cm,點位較差最大值為4.0 cm;其中45個點的點位較差小于2.0 cm,占79%;12個點位較差在2.0～4.0 cm,占21%;誤差區間分布符合正態分布. 整體上,Cur-CGCS2000測試點位外符合平面點位中誤差為±1.7 cm. 新平臺的定位結果可靠,精度良好.

2.2 網絡RTK定位初始化時長分析

初始化時長是指流動站全球導航衛星系統(GNSS)接收機接入GDCORS到獲得固定解所經歷的時間. 初始化時長受GNSS接收機、觀測環境、衛星信號、網絡信號等多種因素的影響[4-5]. 目前,初始化時長尚無明確的閾值要求. 但初始化時間的長短反映了用戶獲得固定解的速率,是綜合因素作用下連續運行參考站(CORS)系統服務可用性和生產效率高低的直接反映,也是基于心理等待時間的用戶體驗良好與否的直觀感受.

本次測試中,記錄了各測試點GNSS接收機在接入Cur-CGCS2000、Cur-ITRF2000、Pri-ITRF2000三種服務狀態的初始化時長數據,最終獲得62組共186個有效數據(同時具有三種服務狀態的數據為有效數據). 初始化時長數據具體如圖3所示.

圖3 初始化時長情況圖

對3種服務狀態的初始化時長分別進行最長時長、最短時長和平均時長的統計,并將多星系統初始化時長匯總一起進行相應統計,各服務狀態的初始化時長統計結果如表10所示.

根據上述統計結果,結合網絡RTK測量特點,我們認為在初始化等待過程中,30 s的初始化時長是無需等待的范疇,屬于極佳的用戶體驗;并人為設定120 s(2 min)為基于心理時間的初始化等待時間閾值,是一個可接受的等待范疇,超過等待時間閾值后將導致測量員產生不良情緒. 據此對各服務狀態的初始化時長區間分布統計結果如表11和圖4所示.

表10 初始化時長統計結果

表11 初始化時長區間分布統計結果

圖4 初始化時長區間分布統計圖

所有186個初始化時長中,最長時長為550 s(不超過10 min),最短時長為1.5 s;其中180個數據在100 s之內,僅有6個數據超過100 s. 原平臺單星系統平臺總平均時長為33 s, 新平臺多星系統平臺總平均時長為16 s. 從區間分布統計結果來看,多星系統平臺初始化時長更集中在不超過30 s的區間.

3 結束語

本次測試結果符合測試方案要求,達到了預期的精度指標;GDCORS兼容多星系統的北斗地基增強平臺(新平臺)具有以下特點:

1) 平臺軟件支持RTCM v2.x/3.x,CMR/CMR+等各種國際標準、行業標準的差分數據格式,移動終端兼容性、可用性良好.

2) 平臺提供的網絡RTK實時定位服務,在坐標框架和定位精度上與原平臺系統是相容的,一致的.

3) 平臺可以直接在2000國家大地坐標系(CGCS2000)下發布服務,定位結果更為直接,減少了坐標轉換環節.

4) 多星系統在初始化時長的各個指標上均優于單星系統,表明同等條件下多星系統可以更快獲得固定解,減少了用戶等待時間,提高了生產效率,用戶體驗更好.

綜上所述,GDCORS兼容多星系統的北斗地基增強平臺的定位結果可靠、精度優良,可正式提供網絡RTK服務.