星基增強加持CORS數據斷點續航測試分析

許艷博 李 毅 崔醒宇 王名洋

(1. 北京市測繪設計研究院, 北京 100038; 2. 城市空間信息工程北京市重點實驗室, 北京 100038)

0 引言

星基增強系統是全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System,GNSS)不可或缺的重要組成部分,目前都是一些世界聞名的科研機構來進行精密單點定位的數據處理和研究,如美國的噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)、加拿大聯邦自然資源部(Natural Resources Canada,NRCan)、德國波茨坦地學研究中心(The Helmholtz Centre Potsdam German Research Center for Geosciences,GFZ)等。GFZ研究出采用最小二乘估計法;美國的JPL則研究出了采用平方根濾波估計方法(SIRF);這兩種方法可以應用在全球衛星導航系統(Global Positioning System,GPS)衛星星歷及鐘差計算上,國際衛星導航系統服務(International Global Navigation Satellite System Service，IGS)全球框架的建立、低軌衛星的定軌計算。利用這兩種不同方法確定的GPS軌道參數精度可以到達2～5 cm,確定衛星鐘差精度可以達到0.1～0.2 ns,測站靜態定位水平精度達到厘米級,高程精度達到厘米級[1-4]。隨著自主知識產權北斗系統的建立,我國專業學者也對精密單點定位進行了深入的研究。魏子卿、葛茂榮在GPS相對定位的數學模型中介紹了相對定位模型中非差模式的處理方法[5]。由武漢大學測繪學院2005年研制成功的精密單點定位軟件trip,通過處理單臺GNSS接收機的非差觀測值,可以實現厘米級甚至是毫米級的單點靜態定位和分米級至厘米級的動態單點定位精度[6-9]。

國內目前的連續運行參考站(Continuously Operating Reference Stations,CORS)數量有2 000個左右,基本都是GPS、俄羅斯全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System,GLONASS),面臨著升級北斗系統的需求,并且國內的CORS建設沒有停歇,加密的需求日趨嚴峻。國內當前的CORS系統以國土、測繪、規劃、氣象、地震部門引領,隨著北斗產業的擴展,其應用范圍大大超出上述行業主體,其他各個行業都有CORS的建設需求,如交通運輸、能源、個人位置服務等。中國、美國、俄羅斯、歐洲的四大導航系統,擁有超過100顆的導航衛星,多系統兼容的研究和發展已成為大趨勢,在和平發展的前提下要充分整合資源。

國內也有一套星基增強系統于2015年正式提供全球厘米級商業服務。未來的技術熱點是CORS系統與星基增強系統的非差相位精密單點定位技術的融合。CORS系統與星基增強系統各自有著鮮明的優缺點和互補性,新的定位技術發展必將掀起高精度衛星定位應用的新高潮。本文闡述星基增強系統、CORS系統的原理及優缺點。因為CORS系統基準站與流動站需要雙向的數據通信網絡環境,所以在應用區域、網絡環境和用戶量載荷方面存在先天的劣勢,引出星基增強、CORS協同作業的方式和基本原理。最后通過實驗實測CORS和星基增強系統下的測量數據,用數據分析了兩個系統在精度、收斂時間等方面的差異及各自的優缺點,針對兩個系統的差異與互補性探討了星基增強加持CORS數據斷點續航的作業方式帶來的優勢。

1 星基增強與CORS系統的原理及差異

1.1 星基增強系統

星基增強系統是利用分布在地面上的參考站網絡對導航衛星進行測量來獲取定位信息,并將定位信息發送到主控站,測量的數據經過主控站的數據處理,對星歷誤差、電離層延遲誤差、衛星鐘差等信息進行改正,通過上行注入站發送給搭載衛星導航增強信號轉發器的地球靜止軌道衛星,最終向用戶播發,實現對于原有衛星導航系統定位精度的改進[10]，星基增強系統原理如圖1所示。

圖1 星基增強系統原理圖

星基增強系統定位精度高、速度快、覆蓋面廣,用戶無須建基站,用戶設備簡單易用,無須額外差分數據鏈路,在難以設計基準站的海洋、沙漠、山地等地區具有廣泛的使用前景[11]。實時解算大地坐標,沒有誤差累積,測量長邊時相對精度非常高,以10 cm的絕對誤差計,10 km為1/10萬,100 km為1/100萬。相對于實時動態載波相位差分技術(Real-Time Kinematic，RTK)或CORS站其精度收斂慢(平均20 min),收斂后的精度可達到5 cm左右。

1.2 CORS系統

CORS系統是在一定區域范圍內,根據地理情況按照一定密度布設一定數目的固定參考站,利用衛星通信技術與網絡通信技術將各基準站、數據處理中心緊密地聯系起來,數據處理中心將來自各參考站的觀測數據進行加工計算,然后通過數據鏈將定位相關的信息發送給流動站(用戶),流動站利用自身內帶軟件獲取定位結果。此方法借鑒了廣域差分和局域差分技術的原理,消除或減弱了各種系統誤差,提高了定位精度[12]，系統原理如圖2所示。

圖2 CORS系統原理圖

CORS解決了常規RTK覆蓋范圍10 km以內的束縛,在相同基準站的情況下,常規RTK技術是在作業半徑內,流動站圍繞基準站工作,各個基準站相互獨立,而網絡RTK解算的是多基站的差分數據,在網絡覆蓋的范圍內測量精度不會因為和基準站距離的增大而變化,差分的范圍還可以向網外延展。

1.3 星基增強系統與CORS系統的差異

(1)星基增強系統與CORS系統的構成不同,CORS可以定義為一個或若干個固定的、連續運行的GNSS參考站,是利用現代計算機、數據通信和互聯網(LAN/WAN)技術組成的網絡[13],可以實時向不同需求的用戶發送不同類型的服務信息。廣域差分星基增強系統是基于衛星的增強系統,用戶需要接收來自同步衛星發送的差分改正數據來實現高精度定位,對通信設施要求更高,因此，其成本、使用及維護費用也比較高。

(2)星基增強系統與CORS系統定位精度不同,星基增強收斂后的精度一般為5～12 cm,CORS則可以實現厘米級定位精度。

(3)星基增強系統與CORS系統工作方式和覆蓋范圍的不同,星基增強系統直接從衛星L波段或者網絡服務器接入端口播發廣域差分數據,解決了無人區、海域的差分需求,也解決了對3 G、4 G公網及電臺數據鏈路的依賴。而CORS則是利用互聯網LANWAN網絡向用戶傳輸經過檢驗的差分數據,在網絡信號不好或者網絡覆蓋有問題時,就不能很好地保障高精度作業[14]。

(4)收斂時間的不同,CORS收斂時間在10 s以內,星基增強系統的收斂時間一般為20 min。

2 星基增強加持CORS數據斷點續航原理

GPS流動站接收機在接收CORS站發送的差分數據的同時也會接收來自星基增強系統發送的廣域差分數據,當CORS數據鏈路因為意外情況中斷,系統就會根據預先設置好的差分延遲閾值判斷CORS差分信號是否中斷,如果判定數據中斷,就會啟用星基增強的差分數據去加持CORS的定位精度[15]，星基增強加持斷點續航流程圖如圖3所示。

圖3 星基增強加持斷點續航工作流程

精密單點定位采用IGS精密星歷,所以精密單點定位解算出的坐標是基于所使用的IGS精密星歷的坐標框架,而非各GNSS廣播星歷所用的坐標系統。另外,不同時期IGS精密星歷所使用的國際地球參考框架(International Terrestrial Reference Frame,ITRF)也不同,所以在進行精密單點定位數據處理時,需要明確所用精密星歷對應的參考框架和歷元,并通過框架和歷元的轉換公式進行統一。斷點續航不會更改CORS的坐標框架,接收機客戶端不需要任何儀器設置,但由于星基增強系統的定位精度一般為5～12 cm,如果CORS通訊鏈路不能及時恢復,GPS的定位精度會隨著時間推移而逐漸下降,最后會維持在星基增強的定位精度。

3 星基增強與CORS差異性和斷點續航測試實驗

3.1 星基增強與CORS的差異性測試實驗

為了驗證星基增強系統和CORS系統的差異,本文設計以下測試:將一臺RTK設備(合眾思壯G970)和一臺星站RTK設備(合眾思壯G10A)固定在三腳架上分別進行1 h的CORS接入測試和星基增強單點定位測量測試。

G970的CORS系統接入測試過程中模擬部分情況下CORS差分信號中斷。這在實際CORS測量的過程中是非常普遍的,一方面原因是網絡信號的不穩定性造成的差分數據中斷,另一方面是由于CORS網對用戶接入數量的限制,當大量用戶接入的時候會出現部分用戶被系統踢下線的情況發生。在1 h的測試過程中分別在第10、20、35、50 min的時間點手動斷開CORS信號,模擬差分信號分別斷掉2、5、10、2 min的應用場景。通過控制網絡的接通與否來控制差分信號的接入或斷掉，測試情況見表1、圖4所示。

圖4 CORS系統測試

從測試數據可以看出CORS系統的優缺點如下:

(1)初始化速度快,首次初始化時間優于10 s(表1)。

表1 北京市測繪設計研究院CORS系統快速初始化

(2)定位精度高,在測試環境較好的情況下,內符合中誤差在1～2 cm左右。

(3)受制于差分信號的限制,在差分信號中斷的情況下精度快速降低到70～80 cm左右。

G10A接收機利用星基增強系統進行單點定位，模擬在沒有網絡信號情況下的定位測量，星基增強系統測試如圖5所示。在荒漠、深山、海洋等無法獲取差分信號源的作業環境下,星基增強系統是唯一的依賴。

圖5 星基增強系統測試

從測試數據可以看出星基增強系統的優缺點如下:

(1)對通信網絡沒有依賴,單機可實現厘米級定位。

(2)單機長時間觀測收斂以后的平面中誤差可以達到5～12 cm,基本滿足高精度測量需求。

(3)收斂時間長,需要20 min左右的時間,精度才能降到10 cm左右。

3.2 星基增強加持CORS數據斷點續航測試實驗

將一臺合眾思壯G10A星站差分RTK設備同時接入CORS系統和星基增強系統，并進行測試。測試過程中斷掉CORS系統差分數據,即在1 h的測試過程中分別在約10、20、35、50 min的時間點斷開CORS數據2、5、10、2 min的應用場景。通過控制網絡的接通與否來控制差分信號的接入或斷掉,測試結果如圖6所示。

圖6 星基、CORS、斷點續航測試數據對比

從數據可以看出,即使CORS系統的差分數據中斷,在星基增強系統的作用下依然保持了固定解的測量結果。精度會有略微的發散,但依然在可接受的范圍內,且在CORS系統的差分信號恢復的時候立即收斂到CORS系統的精度范圍。

在CORS系統模式下作業,用戶接收機需要時時接收來自參考站的差分數據,所以數據鏈路必須保持通暢不能中斷,但外業工作環境復雜,信號受到強磁干擾、意外中斷不可避免,雖然在信號中斷后可繼續解算,但維持不了幾秒鐘時間。

4 結束語

從本文的實驗數據分析結果可以看出,支持星基增強的接收機在測試中收斂時間和數據精度都達到了我們的預期。星基增強加持CORS數據斷點續航作業是把從星基增強系統中獲得的廣域差分數據利用“相關性”的解算方法與CORS系統中的數據結合起來,在公網意外中斷無法接收基準站的差分改正數后,利用星基增強的信號來擴展“相關性”的外推時間,維持2～5 cm的定位精度,時間長達20～40 min,這段時間可以繼續進行測量工作。如果40 min以后,流動站的接收機仍舊接收不到來自CORS網的差分數據,則精度回到星基增強系統的精度,這種珠聯璧合的配合,是CORS和星基增強系統的完美結合。在實際的測量工作中,CORS系統的差分信號往往是斷續性的,這個斷續時間通常不會很長,有了星基增強系統的配合,外業數據采集時幾乎不會丟失固定解,從而提高了工作效率。