基于北斗導航定位系統的區域CORS系統建立

張岳山

（湖北曉雲科技有限公司，湖北 武漢 437000）

1 概述

北斗衛星導航系統 （BeiDou Navigation Satellite System，BDS）作為我國獨立自主研制的全球衛星導航系統，為我國經濟發展和國家防御提供強有力保障，按照計劃，2020年左右將全面建成并覆蓋全球[1]，可以提供全世界范圍內的短報文、授時、定位等功能。北斗衛星導航系統具有與GPS、GLONASS等全球衛星定位系統兼容的功能，研究基于BDS的多衛星導航系統綜合應用具有重要意義[2]。CORS是基于RTK技術和差分GPS技術發展起來的，它由GPS參考系統，數據處理中心，通信網絡系統及用戶系統等組成[3]，CORS系統通過連續運行的固定參考站獲取衛星觀測數據，通過數據處理自動地向用戶發布不同類型的GPS原始數據和改正數據，用戶即可實現高精度的快速的或事后的導航定位[4]。目前，CORS系統在基準站站址選擇、觀測墩建設、數據采集和傳輸方式等方面并沒有統一的標準[5]。建設北斗多星CORS系統，推廣北斗CORS應用，將使用戶享受到更優質的衛星導航服務和更好的體驗[6]。本文對基于BDS的CORS技術進行了深入研究，依托于CORS系統的建設項目，完成了BDS區域CORS系統的建設及系統的測試工作。

2 區域CORS系統建設

2.1 系統組成

CORS系統主要由GPS接收機、GPS天線、天線罩以及天線電纜等設備組成，區域CORS系統是CORS系統的一種因地制宜的簡化，它由幾臺臺永久性連續運行參考站，幾臺臺負責處理數據和控制系統的計算機服務器及用戶接收機組成。系統通過參考站連續運行，采集偽距和相位觀測數據，并且控制接收機定期下載文件數據和發布流動站需要的數據。實時的用戶可以通過GPRS/CDMA上網登錄到服務器獲取數據處理中心的改正數據，進行測量或定位，對于事后用戶，可以通過FTP下載GPS參考站軟件服務器上的數據進行處理[7]。

2.2 選址建設

由于受到GPS誤差源的影響，差分信號質量受參考站所獲取的信號質量影響巨大。因此，站址選擇通常是建立區域CORS站所面臨的一個重要問題。為了減弱信號源誤差的影響，盡量提高觀測數據的質量，采用了在建筑物頂部建站的形式，消除高壓線、無線電發射塔等電磁的干擾物；同時能夠有效避開了大部分高層建筑物，使得10°高度角以上的衛星信號基本無干擾，并且建筑物頂部具有良好的防雷設施和CORS站相連。移動端通過訪問服務器IP獲取差分數據，所有基站設備均使用單位內部電源供電，基站服務結構示意圖如圖1所示。

2.3 數據質量分析

站址觀測數據分析主要包括觀測數據多路徑效應分析有效率分析，多路徑效應分析主要是反映L1和L2波段多路徑效應的MP1和MP2數值[8]，MP1表示L1載波的多路徑效應，MP2表示L2載波的多路徑效，MP1和MP2應小于0.5m。站址的多路徑星空圖和信噪比星空圖可以輔助分析，選擇其中一個站址的分析圖（如圖2所示），從中可以看出L1，L2載波受到的多路徑影響只在10°高度角周邊，建站后數據觀測高度角可設為15°。有效數據觀測量為95.9%，該點完全滿足建站條件，可以在該點建立參考站進行工作。據此完成了四個參考站的數據質量分析，均滿足建站要求。

圖1 基站服務結構示意圖

圖2 分析圖

2.4 基站數據平差解算

CORS基站安裝完畢后，采用GAMIT軟件及CGO軟件進行基線處理，基線解的相對精度能夠達到10-9左右。提取連續24h原始數據，歷元間隔30s，通過GAMIT v10.4軟件及CGO與IGS站聯合解算，得出各基站的精準WGS-84坐標。CORS基站平差后的空間直角坐標見表1，二個方向的中誤差在0.05m以內，精度指標符合中誤差優于0.1m的要求[9]。

表1 基站精度統計表（單位：m）

3 性能測試

在本次CORS系統建設完成后，需要對系統精度及穩定性等性能進行評價測試，測試發現，系統24h正常運行，通過連接流動站觀測獲得固定解時間均小于2min，在一周后進行了精度和距離的測試。

3.1 RTK定位精度測試

系統定位算法、可用衛星分布、測站通信、流動站性能等因素都會影響RTK定位精度，通過統計測試坐標的內符合精度和外符合精度確定真實作業條件下RTK的實時定位精度[10]。測試時，選擇了不同環境和不同觀測條件下的點位，測試能反映真實的定位精度水平。采用華測i80，通訊方式采用內置GPRS通訊模塊或手機GPRS。測試經過北斗增強前后系統總體內、外符合精度，系統總體內、外符合精度計算方法如下：

系統總體內符合精度統計，采用如下公式：

其中：mi表示各個測試點在X、Y、H方向的內符合精度；n表示測試點總數；M表示系統在X、Y、H方向的總體內符合精度；

系統總體外符合精度統計，采用如下公式：

其中：τi表示各個測試點在X、Y、H方向的外符合精度；n表示測試點總數；T表示系統在X、Y、H方向的總體外符合精度；

測試點的內符合精度、外符合精度統計全部基于1980西安坐標系，結果見表2、表3。通過總體內、外符合精度對比發現，CORS系統測試精度分布均勻，總體內符合精度優于3cm，總體外符合精度優于4cm，其中經過北斗增強后總體內外符合精度都明顯提高。

表2 總體內符合精度（單位：m）

表3 總體外符合精度（單位：m）

3.2 時間可用性測試

時間可用性RTK實時定位服務的重要指標，容易受到衛星運動、大氣變化、天氣等因素影響，導致CORS系統無法提供有效的定位服務。測試時，根據實測歷元數統計丟失歷元和丟失率，在某12層高樓樓頂架設流動站，采樣率設置為5s，連續12h采集RTK固定解。實際測試從早上8小時30分鐘21秒開始，止于當日20小時50分鐘43秒，實際測試12小時20分鐘。應記數據量8880個，實記數據量8588個，時間可用性為96.71%，時間可用性滿足95%以上的要求。

3.3 空間可用性測試

空間可用性測試主要目的是確定CORS系統中得到RTK固定解的區域范圍，先后在東、南、西、北、中間五個方位采用定點測試的方法進行，得到固定解的距離統計見表4。從表中可以看出，32km處仍能獲得固定解，說明建立的CORS系統能得到固定解的區域可以覆蓋較大的范圍。

表4 固定解距離測試統計表

3.4 網絡RTK初始化時間測試

網絡RTK初始化時間，即網絡RTK定位所需從浮點解到固定解的時間。由浮動解到固定解的時間稱為RTK收斂時間，衛星分布、測站距離和觀測環境以及網絡穩定性等因素都會影響RTK收斂時間。實驗測試了一星（GPS）、雙星（GPS+GLONASS）、二星（BDS+GPS+GLONASS）的收斂時間，測試發現，一星RTK固定解收斂平均為9.5s，二星RTK固定解收斂平均為9.1s，二星RTK固定解收斂平均為8.9s，可以認為，一般觀測條件下，經過北斗增強后，區域CORS模式收斂時間更快。

3.5 應用測試

試驗測區選擇距基準站約20km范圍，測區現有已經布設完成的6個控制點，控制點點位間距平均為1km。測試當天根據星歷預報發現，在設置截止高度角15度的情況下，衛星個數8個，PDOP值為4。利用區域CORS RTK系統作業，選擇兩個校正點，并選擇第二個點作為檢核，實驗發現X、Y、Z二個方向誤差均小于3mm，點校正滿足精度要求，RKT外業測量取3次所測平均值，測試結果與靜態結果比較見表5。

表5 CORS-RTK測量與靜態測量較差值（單位m）

通過對CORS-RTK測量的坐標與靜態測量結果的比較分析，可以得出相對誤差最大17mm，最小1mm，均方根誤差X方向為10mm，Y為方向誤差為9mm，這一精度能夠滿足該區域的導線測量、圖根控制、大比例尺數字化測圖和施工放樣的精度要求。

4 結束語

通過對CORS系統技術指標的測試以及應用試驗，可以發現，加入BDS星座后，測量過程中初始化時間顯著提升、測量結果各測回高程互差差值更小，更加收斂，信號更加穩定。區域CORS系統可替代傳統基于基準站的RTK技術作業，它可為半徑在30km以內的區域提供不間斷服務，系統性能穩定，精度較高，在本地區具有較強的可行性。隨著BDS星座不斷完善，BDS組網成功，北斗CORS系統的定位精度和適用性將會得到進一步的提高。