三家北斗地基增強系統的高精度定位服務性能對比分析

史俊波 歐陽晨皓 岳金廣 陳 明 郭際明

1 武漢大學測繪學院，武漢市珞喻路129號，430079 2 國家基礎地理信息中心，北京市蓮花池西路28號，100830

北斗地基增強系統最早由各省市的測繪部門組織建設并提供服務，隨著“互聯網+”業務范圍的逐漸擴大，目前我國已出現了多家覆蓋全國的商用北斗地基增強系統，包括2016年推出的千尋位置、2020-07推出的六分科技和2020-10推出的中國移動北斗地基增強系統，其中千尋位置提供的網絡RTK是國內最早的商用北斗地基增強系統，已有學者對其服務進行了較為詳細的研究[1-3]。

3家北斗地基增強系統的網絡RTK服務性能對于高精度“北斗+”的推廣應用具有重要意義，但目前尚未有對其較系統的比較分析。本文從3家網絡RTK服務提供商對北斗三號新衛星和新信號的支持情況、北斗原始觀測值的數據質量及高精度定位性能等方面進行詳細分析，給北斗地基增強系統網絡RTK用戶提供使用建議。

1 北斗原始觀測數據質量分析指標

本文選取數據完整率、多路徑誤差、信噪比、周跳比這4項指標對北斗地基增強系統的北斗原始觀測數據進行質量分析，各指標的具體含義為：

1)數據完整率為實際觀測歷元數與理論觀測歷元數的百分比，計算公式如下：

(1)

式中，α為數據完整率，Ni為實際觀測歷元數，N0為理論觀測歷元數。

2)多路徑誤差MPij為觀測信號第i頻率相對于第j頻率上多路徑效應的影響，MPij的值越小，抗多路徑效應的能力越強。MPij的計算公式如下：

(2)

式中，Pi為第i頻率上的偽距觀測值，φi、φj分別為第i和第j頻率上的相位觀測值，α為第i和第j頻率fi、fj之比的平方，即α=(fi/fj)2。

3)信噪比(SNR)為信號功率和噪聲功率之間的比率，SNR越高，信號質量越好。SNR可以從觀測文件中直接獲取。

4)周跳比是反映周跳情況的指標，公式如下：

(3)

式中，o/slip表示觀測值數num_of_all和周跳數num_of_slip的比值，比值越小，周跳情況越嚴重。

2 北斗地基增強系統網絡RTK服務原始數據采集方案

本文通過自編Ntrip客戶端軟件獲取千尋位置、六分科技及中國移動3家北斗地基增強系統網絡RTK服務的原始數據。需要指出的是，每個網絡RTK服務都提供了多個掛載點，每個掛載點對北斗衛星系統和觀測值信號的支持能力不一樣。為保證數據分析的一致性，本文選取官方推薦的掛載點，分別為AUTO(千尋位置)、RTCM32_GRECJ2(六分科技)、RTCM33_GRCE(中國移動)，且均選擇CGCS2000坐標框架對應的端口號。

依據Ntrip協議客戶端與服務端的交互邏輯，在2021-07-21～22以31°00′58.345″、109°27′55.891″模擬用戶近似坐標，分別實時接收8～9 h的網絡RTK服務原始數據，并按照RTCM V3.3給定的標準格式進行解碼。由文獻[2-4]可知，目前北斗地基增強系統為虛擬格網模式，而非傳統虛擬基站模式，因此本文實際采集的3個基準站數據是距用戶坐標最近的虛擬格網點的虛擬觀測數據，具體采集情況如表1所示。由表可見，3家系統返回的虛擬格網點與用戶的距離小于58.4″ N、56.0″ E(約2.4 km)，千尋位置與中國移動虛擬格網點的橢球高差僅為4.2 cm，而與六分科技的橢球高差為779.808 m。

表1 3家北斗地基增強系統網絡RTK服務原始數據采集情況

3 結果與分析

3.1 3家北斗地基增強系統對北斗衛星系統和信號的支持情況

相較于GPS、GLONASS和Galileo系統相對固定的星座和信號結構，北斗衛星導航系統遵循逐步建設、逐步完善的發展規律。由于北斗二號衛星系統的正式宣布時間(2012-12)遠早于3家網絡RTK服務提供商的成立時間，這3家提供商的網絡RTK服務支持所有北斗二號衛星(C01-C16)。但是針對2020-07正式宣布的北斗三號衛星系統[5-6]，這3家提供商的支持能力各有不同。表2為3家北斗地基增強系統對北斗衛星的支持情況，需要指出的是，原始RTCM數據的解析以標準RTCM V3.3協議為準[7]，3家北斗地基增強系統在標準協議的基礎上自定義數據類型，例如北斗三號新信號B1C、B2a均不包括在本文分析中；本文對原始北斗觀測值的字符標識以標準RINEX 3.04協議為準[8]。由表2可知：1)北斗三號衛星共30顆，包括24顆MEO衛星、3顆IGSO衛星和3顆GEO衛星，其中千尋位置除C59、C60、C61三顆GEO衛星外共支持27顆衛星，六分科技除C61外共支持29顆衛星，中國移動僅支持C19～C30、C32～C37共18顆MEO衛星；2)從信號類型來看，千尋位置和中國移動支持3個頻率的偽距、相位和信噪比觀測值，而六分科技僅支持B1和B3兩個頻率的偽距、相位和信噪比觀測值；3)從具體的信號頻率來看，對于北斗二號衛星，千尋位置和中國移動支持B1I+B2I+B3I，六分科技支持B1I+B3I；對于北斗三號衛星，3家服務提供商均支持B1I+B3I。

表2 3家北斗地基增強系統對北斗系統的支持情況(2021-07-21～22)

3.2 3家北斗地基增強系統網絡RTK服務北斗原始數據質量

利用本文提供的數據完整率、多路徑誤差、信噪比、周跳比4項指標計算公式得到3家網絡RTK服務提供商的基準站北斗數據質量(表3和圖1)。結果表明：1)3家服務提供商的北斗數據完整率均為100%；2)六分科技不支持第二頻率，故沒有MP2和SNR2指標，3家服務提供商提供的北斗數據多路徑誤差都不超過0.13 m；3)3家服務提供商的信噪比為43.84～48.13 dB；4)中國移動的周跳比最低，小于千尋位置和六分科技。

表3 3家北斗地基增強系統網絡RTK服務北斗原始數據質量

圖1 3家北斗地基增強系統網絡RTK服務的北斗原始數據完整率、多路徑效應、信噪比、周跳比Fig.1 Data integrity, multipath effect, signal-to-noise ratio and cycle slip ratio ofthree BDS ground-based augmentation system network RTK service

3.3 3家北斗地基增強系統的高精度定位性能

3.3.1 高精度定位解算方案

取2021-07-22采集的數據，按照2種解算模式對3家系統的定位性能進行分析：1)從控制測量應用的角度出發，按照單基線解算模式計算3個虛擬基站之間的基線向量，并統計閉合差等指標；2)從變形監測應用的角度出發，將3個虛擬站數據分別模擬為基準站和監測站，按照單歷元RTK模式解算，選取該虛擬站對應的RTCM 1005報文中的虛擬格網坐標作為定位結果的參考。以上2種解算模式均采用B1I單頻信號，且設置了BDS-2和BDS-2+3進行對比分析實驗。

3.3.2 單基線解算結果

表4為3個虛擬基準站之間基線向量組成的閉合差統計結果，其中閉合環長度為8.19 km，基于BDS-2觀測數據的閉合差為10.2 mm，相對誤差為1.24×10-6；基于BDS-2+3觀測數據的閉合差為13.3 mm，相對誤差為1.62×10-6。

表4 單基線解算結果的閉合差統計結果

3.3.3 單歷元RTK解算結果

如表5所示，本文共進行6組單歷元RTK解算實驗，取全時段最后30個歷元的結果，分別統計定位誤差的標準差STD和平均值mean。圖2為這6組定位結果誤差的標準差和平均值，結果表明：1)3個虛擬站之間的RTK誤差STD水平向均小于3 mm，垂直向均小于9 mm，且BDS-2+3的穩定性優于BDS-2；2)3個虛擬站之間RTK定位誤差均值存在cm～dm級的系統性偏差，其中六分科技和中國移動虛擬站的解算組合RTK誤差均值最大，水平向高達13.67 cm，垂直向高達47.28 cm。這是六分科技虛擬格網點與中國移動虛擬格網點的高差高達779.766 m所致(表1)，在這種大高差情形下存在較大的雙差對流層殘差，進而會引起定位結果的系統性偏差，特別是在高程方向[9]，這同樣也能解釋千尋位置和六分科技之間在高程方向存在的44.80 cm偏差。因此，在利用北斗地基增強系統進行高精度定位作業時，建議不要使用不同的北斗地基增強系統，以避免不同北斗地基增強系統帶來的定位結果偏差。

表5 單歷元RTK精度統計

圖2 3個虛擬格網點之間的單歷元RTK結果Fig.2 Single-epoch RTK results between three virtual grid points

4 結 語

本文深入研究千尋位置、六分科技和中國移動3家北斗地基增強系統，分別采集了2021-07-21～22內8～9 h的數據，得到以下結論：

1)千尋位置和中國移動支持BDS-2三頻信號(B1I、B2I、B3I)和BDS-3雙頻信號(B1I、B3I)，六分科技支持BDS-2和BDS-3雙頻信號(B1I、B3I)。3家北斗地基增強系統都能提供100%的北斗數據完整率，六分科技的多路徑誤差和信噪比指標最優，千尋位置的周跳比指標最優。

2)單基線解算結果表明，3家北斗地基增強系統虛擬基站組成的閉合環相對誤差均小于2×10-6。單歷元RTK解算結果表明，3家北斗地基增強系統均能提供水平向優于3 mm、垂直向優于9 mm的內符合精度，但不同北斗地基增強系統之間存在cm～dm級的定位結果系統性偏差，因此不建議在單歷元RTK作業時使用不同的北斗地基增強系統。

需要指出的是，本文結論是基于2021-07-21～22采集數據得到的。隨著各服務提供商對BDS-3新衛星/新信號兼容性的升級及虛擬格網生成算法的優化，3家北斗地基增強系統服務提供商之間的系統性偏差有望減小，并最終實現北斗高精度定位服務共享。