基于格網化高精度衛星導航定位服務方法的網絡RTK精度分析

吳海樂

( 交信北斗科技有限公司, 北京 101318 )

0 引 言

基于全球衛星導航系統(GNSS)的連續運行參考站(CORS)服務因其高精度、高效率、實時性的優點，是當前衛星導航領域研究及工程應用的熱點，為測繪、智能交通、車聯網、電網、城市建設、變形監測等領域提供了高精度位置服務支撐[1-6]. 目前，工程應用中絕大部分CORS系統采用基于虛擬參考站(VRS)技術的網絡實時動態定位(RTK)技術來實現區域基準站網高精度衛星導航定位服務[7-9]. 但因該技術需要在數據處理中心承擔大量計算工作以及采用雙向交互方式，受到網絡帶寬、主控站計算能力等限制[10-12]. 針對這些不足，有學者研究提出了基于格網化高精度衛星導航定位服務方法[7-8,13-14]，并逐步推廣到工程應用中，隨著GNSS在各行業應用以及互聯網大數據技術的發展，各省市CORS在升級改造中得到了諸多應用[8,15]，提升了計算能力及用戶交互能力.

目前，針對基于格網化高精度衛星導航定位服務方法性能指標研究主要停留在對定位結果的判斷[7-8,16-17]，而不同格網劃分分辨率對網絡RTK精度影響的研究較少. 為了研究不同格網劃分分辨率對網絡RTK精度影響，以及常規格網劃分條件下，動態應用的網絡RTK精度，本文首先介紹基于格網化高精度衛星導航定位服務方法的設計與實現，然后測試并分析了格網劃分分辨率不同對網絡RTK精度的影響，最后在常規格網劃分條件下，選取動態場景的應用數據，分析了基于格網化高精度衛星導航定位服務方法的網絡RTK動態應用精度.

1 基于格網化高精度衛星導航定位服務方法

基于格網化高精度衛星導航定位服務方法，將虛擬觀測量解算與用戶交互模塊分開，可分布式部署，不受單個網絡帶寬、主控站計算能力限制，得到多方應用，提升了計算能力及用戶交互能力.

1.1 基于格網化高精度衛星導航定位服務方法原理與流程

基于格網化高精度衛星導航定位服務方法是對傳統VRS方法的改進[7-8]，實現了用戶交互模塊與虛擬觀測量解算模塊分離，各模塊可單獨部署. 虛擬觀測量解算模塊部署在數據處理中心，接收區域基準站原始觀測數據，根據預先劃分的區域虛擬格網點位置信息，采用常規VRS方法分別計算區域內所有格網點的虛擬觀測量. 在虛擬格網點劃定后，數據處理中心計算量相對固定，資源開銷變化不大，再通過單向傳輸的模式發送到用戶交互模塊. 該模式下，可設置安全的單向傳輸策略，保證數據處理中心基準站等數據的安全訪問. 用戶交互模塊接收所有格網點的虛擬觀測量，同用戶通過雙向通信的方式，根據用戶概略位置判斷并選擇最近格網點的虛擬觀測量并轉發給用戶[7]. 用戶交互模塊可根據用戶量分布式部署，不受單個網絡帶寬、主控站計算能力限制，能夠為大并發用戶服務[7,9]. 綜上所述，基于格網化高精度衛星導航定位服務方法改進項如表1所示.

表1 基于格網化高精度衛星導航定位服務方法改進項

基于格網化高精度衛星導航定位服務方法是對常規VRS方法的改進，該方法工作流程為：首先根據區域大小和預設的格網分辨率，劃分虛擬格網點，生成格網點三維坐標；然后，數據處理中心接收并進行基準站數據預處理，選取每個虛擬格網點附近3個及以上的基準站點的數據計算虛擬格網點的虛擬觀測量，生成區域增強數據信息；最后，將所有格網點的虛擬區域增強數據信息全部單向推送至用戶交互模塊，用戶交換模塊再通過移動通信網絡或互聯網向通過認證的終端用戶推送用戶請求的增強數據信息. 基于格網化高精度衛星導航定位服務方法工作流程如圖1所示.

圖1 基于格網化高精度衛星導航定位服務方法工作流程圖

1.2 基于格網化高精度衛星導航定位服務方法設計與實現

本文基于格網化高精度衛星導航定位服務方法， 設計了高精度衛星導航定位服務軟件，可提供區域高精度衛星導航定位服務，軟件設計方法如下：

1)虛擬格網劃分，根據區域大小和預設的格網分辨率，劃分虛擬格網點. 再根據區域地形分析和高程變化，對高程變化較大的區域進行適當加密. 最后根據用戶在區域內分布密度以及小區域用戶精度需求，對用戶分布密度較稀或精度需求較高的區域進行適當加密. 最終形成虛擬格網點劃分后所有格網點的三維坐標.

2)虛擬觀測量解算模塊，執行基準站管理、基準站數據處理和虛擬觀測量生成工作. 因基準站網觀測數據和基準站坐標屬于秘密數據[18]，基準站管理與基準站數據處理模塊部署在內網受控環境，通過專線獲取基準站原始觀測數據，監測各基準站實時數據流，對各基準站數據進行周跳探測、粗差探測、模糊度解算、誤差分離等各項數據預處理工作. 然后，采用合適的基準站數據進行格網點虛擬觀測值計算，單向推送至外網用戶交互模塊.

3)用戶交互模塊，執行用戶管理與用戶鑒權，正常狀態的用戶才能使用增強服務. 同用戶交互的每個輸出數據流獨立線程運行，保證各用戶間互無影響.通過移動通信網絡或互聯網向通過認證的終端用戶推送距用戶請求概略位置最近的虛擬格網點的增強數據信息.

基于格網化高精度衛星導航定位服務軟件設計，軟件運行流程如圖2所示.

圖2 基于格網化高精度衛星導航定位服務軟件運行流程圖

2 實測數據分析

為了評價格網劃分分辨率不同對網絡RTK精度影響，以及常規格網劃分條件下，動態應用的網絡RTK精度，本文進行了多項測試和分析，主要包括兩方面：格網劃分分辨率不同條件下，網絡RTK定位精度分析；常規格網劃分條件下，動態跑車場景應用精度分析.

2.1 格網劃分分辨率不同對網絡RTK精度影響

本文以某省作為測試區域，測試格網劃分分辨率對網絡RTK精度影響. 選取1個靜態已知測試點，架設RTK GNSS接收機設備，型號為司南導航M300高精度定位GNSS接收機，采樣頻率為1 Hz，采用BDS+GPS雙系統雙頻定位. 分別按照2′×2′、4′×4′、6′×6′、8′×8′的格網分辨率劃分格網虛擬點，標記為a、b、c、d測試，每項測試運行3 h，測試點設備采用常規RTK解算方式進行定位解算. 圖3為不同格網劃分分辨率測試的接收機設備定位偏差序列，(a)、(b)、(c)、(d)分別為四種模式下測試定位結果同真值比較的北(N)、東(E)、天頂(U)方向的偏差. 表2列出了格網劃分分辨率對網絡RTK影響測試精度統計，分別為四種模式下測試定位結果的偏差在N、E、U方向的統計結果(1σ).

圖3 不同格網劃分分辨率下接收機設備定位偏差序列圖

由表2和圖3可知，基于格網化高精度衛星導航定位服務方法的精度為厘米級，格網劃分分辨率對網絡RTK有一定影響. 2′×2′和4′×4′格網劃分模式下，定位殘差序列除個別異常點外，幾乎都在厘米級內，且精度統計相當. 隨著格網劃分距離增加，6′×6′和8′×8′格網劃分模式下，隨距離增加定位殘差統計精度稍降低.

表2 格網劃分分辨率對網絡RTK影響測試精度統計 m

綜合測試結果分析，可以選擇4′×4′作為常規格網劃分，滿足少量相對固定的虛擬格網點觀測量計算，且定位精度維持在厘米級.

2.2 動態場景

常規格網劃分條件下，選取動態場景的應用數據，分析基于格網化高精度衛星導航定位服務方法的網絡RTK動態應用精度.

將采集數據的RTK GNSS接收機用吸盤放在車頂，設備型號為司南導航T300 Plus GNSS接收機，采樣頻率為1 Hz，進行動態跑車測試，采用BDS+GPS雙頻雙系統RTK定位方式進行測試，測試時長為30 min，GNSS天線安裝如圖4所示. 同時，用一臺SPAN設備同時作業，作為真值. RTK GNSS接收機同SPAN設備相對位置固定，N、E、U方向為固定基線，通過兩臺設備基線間殘差作精度測算.

圖4 GNSS天線安裝

跑車路線如圖5所示，本次跑車在城市道路，約22 km，經過多處高架橋、隧道等路段.

圖5 動態跑車測試路線圖

RTK接收機采集頻率為1 Hz，本次測試多處因遮擋等原因導致RTK重新初始化，有的時段為浮點解，統計得到本次測試固定解比例為94.8%. 提取固定解結果跟SPAN結果比較，基線差在N、E、U三方向的殘差序列圖如圖6所示，動態測量結果N、E、U方向統計精度如表3所示.

由圖6和表3可知，常規格網劃分條件下，RTK動態定位測試水平殘差序列為厘米級，高程殘差序列在分米級，精度統計為水平在2 cm以內，高程在3 dm以內，固定率為94.8%，能夠達到動態應用精度要求.

圖6 RTK與SPAN設備動態定位測量結果偏差序列圖

表3 動態測量結果精度統計 m

3 總 結

本文介紹了基于格網化高精度衛星導航定位服務方法原理與流程，設計并實現了基于格網化高精度衛星導航定位服務方法軟件，然后測試分析了格網劃分分辨率不同對網絡RTK精度影響，最后在常規格網劃分條件下，選取動態場景的應用數據，分析了基于格網化高精度衛星導航定位服務方法的網絡RTK動態應用精度.

測試結果表明，隨著格網劃分距離增加，網絡RTK精度隨距離增加會降低. 其中，2′×2′和4′×4′格網劃分模式下，定位殘差序列除個別異常點外，幾乎都在厘米級內，且精度統計相當，可以選擇4′×4′作為常規格網劃分，滿足相對固定的虛擬格網點觀測量計算，且定位精度維持在厘米級. 常規格網劃分條件下，RTK動態定位水平殘差序列為厘米級，高程殘差序列在分米級，能夠達到動態應用精度要求. 因此，基于格網化高精度衛星導航定位服務方法改進的常規VRS方法，能夠支持為大并發用戶服務，精度為厘米級.

本文基于靜態和短距離低速動態場景對基于格網化高精度衛星導航定位服務方法精度進行了測試和分析，長距離以及復雜環境的格網化高精度衛星導航定位服務方法及性能驗證是下一步需研究的問題和方向.