基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的遠距離海洋工程高精度定位技術(shù)

劉 宏，萬立健，陸亞英

(上海達華測繪有限公司，上海 200136)

基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的遠距離海洋工程高精度定位技術(shù)

劉 宏，萬立健，陸亞英

(上海達華測繪有限公司，上海 200136)

隨著遠距離海洋工程項目的不斷展開，對北斗高精度的定位需求越來越迫切，而遠海地區(qū)常規(guī)地基增強建設及差分傳輸方式無法實施。為解決遠海北斗高精度定位的難題，本文采用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)的短報文功能進行精密單點定位誤差改正數(shù)的播發(fā)，向觀測用北斗衛(wèi)星終端發(fā)送精度較高的衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差改正值，實現(xiàn)了北斗衛(wèi)星改正信息的遠程傳輸，傳輸距離被大大拓展，不再受地域的限制，并大大提高了北斗系統(tǒng)定位精度，為北斗技術(shù)在海洋工程中的應用拓展了空間。

北斗衛(wèi)星；差分播發(fā)；遠距離；海洋工程；高精度定位

目前我國的測繪、國土、城建、規(guī)劃、水利等行業(yè)及國家一些重大工程建設，需要厘米級甚至更高的精確定位，大多采用GPS的基準站差分定位技術(shù)。一旦GPS停止服務，這些行業(yè)和工程將陷入混亂或停頓。隨著中國自主研發(fā)、獨立運行的北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)開始覆蓋亞太地區(qū)，北斗的應用越來越廣泛。然而，目前因北斗衛(wèi)星數(shù)量、地面增強系統(tǒng)[1-2]建立不完善，北斗衛(wèi)星的單點定位精度都在10 m以上，無法滿足測繪、工程施工等方面的高精度定位要求，特別在遠離陸地的海洋區(qū)域，受地域及環(huán)境限制，常規(guī)的基站和差分傳輸與接收方式、許多陸地上可以解決的方案無法實施。

本文通過研究依托北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou Satellite Navigation System,BDS)的信息發(fā)送與接收功能[3]進行精密單點定位[4]誤差改正數(shù)的播發(fā)，以及制定北斗差分標準協(xié)議，向觀測用北斗衛(wèi)星終端發(fā)送精度較高的衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差(軌道誤差)改正值，實現(xiàn)亞分米乃至厘米級的高精度北斗實時定位，以滿足日益增長的遠距離海洋工程項目定位需求。

1 系統(tǒng)組成及流程

1.1 參考站系統(tǒng)

參考站系統(tǒng)由硬件、軟件兩部分組成。硬件由BDS/GPS雙系統(tǒng)接收機、電腦、BeiDou短報文發(fā)報機及網(wǎng)絡系統(tǒng)組成。軟件由IGU軌道下載軟件、通信軟件和改正數(shù)生成軟件組成。

需要實現(xiàn)的功能為從網(wǎng)絡下載IGU軌道數(shù)據(jù)、接收實時觀測數(shù)據(jù)、實時計算觀測值改正數(shù)、實時計算星歷改正數(shù)和計算結(jié)果格式轉(zhuǎn)換與播發(fā)。

1.2 用戶站系統(tǒng)

用戶站系統(tǒng)由硬件、軟件兩部分組成。硬件由BDS+GPS雙系統(tǒng)接收機、電腦、BeiDou短報文接收機及網(wǎng)絡系統(tǒng)組成。軟件由精密單點定位軟件、通信軟件和計算結(jié)果顯示系統(tǒng)組成。

需要實現(xiàn)的功能為接收實時觀測數(shù)據(jù)、實時進行點定位、接收改正數(shù)數(shù)據(jù)和定位結(jié)果顯示。

1.3 數(shù)據(jù)處理流程

總體數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

(1) 基準站輸入：觀測數(shù)據(jù)，IGU超快速軌道，廣播星歷，求取軌道修正信息，求取快速星歷相對于廣播星歷的改正數(shù)。

(2) 計算基準站修正信息改正數(shù)及基準站寬巷模糊度信息。

(3) 將上述基準站綜合信息編碼為RTCM格式，通過北斗衛(wèi)星播發(fā)給用戶。

(4) 移動站輸入：基準站綜合信息，觀測數(shù)據(jù)，廣播星歷。

(5) 進行精密單點定位。

圖1 數(shù)據(jù)處理總體流程

2 關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)由岸基數(shù)據(jù)處理、岸基改正數(shù)與星歷播發(fā)和移動端快速定位3部分組成。

2.1 岸基數(shù)據(jù)處理技術(shù)

2.1.1 基于多頻多模實時數(shù)據(jù)的基準站軌道修正信息及壓縮解碼

建立專業(yè)的北斗數(shù)據(jù)下載及處理平臺，使用IGS的SP3精密星歷文件進行處理。需要編制FTP程序，通過Internet遠程連接 IGS 精密星歷下載 FTP 服務器，從而實時下載所需文件，并存儲下來。目前，市場成熟的用戶端專業(yè)接收機，如Trimble、南方、華測等廠商的用戶端設備，均可以接收到多模多頻的(GPS和BDS)數(shù)據(jù)，或直接實施主板級別的終端研發(fā)，實現(xiàn)接收機原始格式數(shù)據(jù)流與RTCM數(shù)據(jù)流的解碼編碼。利用藍牙、WiFi等通信技術(shù)，從網(wǎng)絡獲取單基準站點發(fā)布的PPP數(shù)據(jù)服務，同時實現(xiàn)實時解碼和優(yōu)化。

2.1.2 超快速精密星歷IGU自動下載與更新、精密星歷軌道改正數(shù)求解

IGS 發(fā)布的精密星歷數(shù)據(jù)[5]主要有3種：最終精密星歷(IGS)、快速精密星歷(IGR)、超快速精密星歷(IGU)，表1具體給出各種星歷產(chǎn)品的精度和實時性等參數(shù)。

表1 IGS精密星歷產(chǎn)品

由表1可以看出，IGS 最終精密星歷和快速精密星歷的精度雖然比超快速精密星歷高，但是其滯后時間無法滿足實時精密定位的要求。超快速星歷可以實時獲取，且軌道精度較高，包含預測部分，可以很好地滿足實時性與精度的要求。

考慮到遠距離海域無法獲取超快速精密星歷，需要將基站實時獲取的超快速精密星歷相對于廣播星歷的改正數(shù)發(fā)送給用戶站。基站與流動站之間數(shù)據(jù)傳輸靠接收機短報文技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸量有限，因此要對數(shù)據(jù)進行壓縮[6]。

2.2 岸基改正數(shù)播發(fā)技術(shù)

將岸基平臺解算的GPS/BDS綜合改正信息編碼為自定義的格式[7]，用北斗衛(wèi)星短報文功能播發(fā)給用戶站。

IGU精密軌道采用切比雪夫多項式擬合，將擬合參數(shù)以指定格式通過基于北斗衛(wèi)星短報文通信功能實時獲取由基站播發(fā)的IGU軌道改正數(shù)，擬改正數(shù)的傳輸頻率：擬合參數(shù)的傳輸可以每幾個小時傳輸一次；通過岸基的精確預報推算，可提前將相關(guān)參數(shù)發(fā)送至北斗測量終端，實現(xiàn)實時的精密定位。

軌道改正數(shù)的格式規(guī)定如下，范例如圖2所示：發(fā)送內(nèi)容為預報星歷與廣播星歷坐標之差，可以每2 h發(fā)送一次，為節(jié)省傳輸空間省略了空格、小數(shù)點及回車，數(shù)據(jù)為正時負號也可省略。利用北斗指揮機對使用中的觀測設備發(fā)送的碼和相位的基站差觀測值修正信息及基站的寬巷模糊度信息播發(fā)觀測值改正數(shù)，觀測值改正數(shù)的格式范例如圖3所示。

圖2 星歷改正數(shù)格式

圖3 觀測值改正數(shù)格式

假設一組坐標使用2 h，用戶將在收到坐標改正數(shù)后對自己使用廣播星歷計算的坐標進行改正。北斗數(shù)據(jù)傳輸時，單張北斗卡每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包最大為78.5 B，每顆衛(wèi)星的坐標改正數(shù)參數(shù)最大約116 B，15顆GPS衛(wèi)星即為1740 B(1.7 KB)，需要22個數(shù)據(jù)包[8]，按照集成32張卡的指揮機2.35 KB/min的傳輸速率，即需要傳輸?shù)淖畲髸r間約43 s；64張卡的指揮機4.85 KB/min的傳輸速率，最大時間約20 s。

2.3 移動終端定位技術(shù)

用戶端的數(shù)據(jù)處理[9]主要包括GNSS多系統(tǒng)數(shù)據(jù)的預處理、誤差改正、實時動態(tài)定位處理模型和算法。

2.3.1 數(shù)據(jù)預處理

對于GNSS數(shù)據(jù)，首先要進行數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查和粗差探測，刪除粗差數(shù)據(jù)及無鐘差無軌道的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)的預處理主要包括周跳探測和修復。周跳探測的好壞直接影響定位精度，常采用TurboEdit算法、電離層殘差法、多項式擬合等多種方法綜合探測周跳。在周跳出現(xiàn)的歷元，通常采用增加新的模糊度參數(shù)來解決。

2.3.2 實時動態(tài)精密單點定位

對于GNSS多系統(tǒng)下的實時動態(tài)精密單點定位[10]功能，主要采用無電離層組合的PPP觀測模型進行定位解算，其流程如圖4所示。

圖4 動態(tài)定位流程

2.3.3 實時精密單點定位軟件模塊的實現(xiàn)

實時動態(tài)定位模塊的設計和實現(xiàn)是用戶端定位服務的重要研究內(nèi)容?？紤]到不同功能模塊的獨立性、人機交互的靈活性及對程序運算效率等方面的要求，采用C#/C++語言在VS2008、 VS2010等多個編程平臺下進行聯(lián)合開發(fā)，并對功能模塊組進行獨立化開發(fā)，主要開發(fā)的獨立模塊有數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)時間匹配模塊、解算模塊和輸出模塊。

3 系統(tǒng)測試

3.1 短基線試驗與持續(xù)性分析

短基線測試在上海市內(nèi)進行，測試時間總時長781.5 h，基線長平均50 km，收斂時間平均需350歷元，收斂穩(wěn)定后平面N、E兩個方向的平均定位精度為3 cm，高程U方向為8 cm，如圖5所示。系統(tǒng)最長持續(xù)運行時間超過一月，具有較好的持續(xù)運行能力，在短基線試驗中達到了厘米級的定位精度。

圖5 短基線N、E、U 3個方向誤差

3.2 長基線靜態(tài)試驗

靜態(tài)長時間測試，主要分析定位結(jié)果隨時間的波動變化情況?；鶞收荆哼_華01；流動站設置三組：鹽城大豐港、射陽港、連云港，基線長度分別為234、303、420 km，采樣間隔1 s。其中大豐港運行 23 h，運行過程中無特殊狀況，初始收斂時間為350歷元，定位精度N方向8 cm，E方向14 cm，U方向13 cm；射陽港運行28.6 h，收斂后的內(nèi)符合精度為N方向6.5 cm，E方向11 cm，U方向15.6 cm；連云港運行26 h，收斂后內(nèi)符合精度為N方向9 cm，E方向16 cm，U方向17 cm(如圖6所示)。

圖6 長基線N、E、U 3個方向誤差

平面定位穩(wěn)定后定位誤差在0.2 m以內(nèi)，滿足高精度定位要求。對于較長基線(400 km左右)，本程序的定位結(jié)果所受影響不大，依舊能滿足遠距離海洋工程要求。

3.3 長基線動態(tài)試驗

長基線動態(tài)測試時，流動站不再固定，利用星站差分設備、天寶RTK設備作為參考，檢核軟件在長基線定位中可以達到的外符合精度。

3.3.1 陸上RTK動態(tài)比對

測試地點與基站距離約250 km，將天寶RTK設備與本系統(tǒng)設備安置在一輛商務車上，隨后駕駛商務車以船行速度(約20～30 km/h)沿一條公路移動，最后比較兩套設備各自解算出的軌跡差異，從而體現(xiàn)本系統(tǒng)的定位質(zhì)量。以RTK的結(jié)果作為參考，本系統(tǒng)的動態(tài)定位外符合精度為N方向4.71 cm、E方向3.33 cm，符合預期目標(如圖7所示)。

圖7 RTK與本系統(tǒng)陸上軌跡對比

3.3.2 海上星站差分動態(tài)比對

測試地點與基站距離約300 km，將星站差分設備與本系統(tǒng)設備安置在一艘施工船上，隨后使施工船盡量沿一條直線移動，最后比較兩套設備各自解算出的軌跡差異，從而體現(xiàn)本系統(tǒng)的定位質(zhì)量。由兩套系統(tǒng)解算出的各自位置坐標反算出的船只每秒運行軌跡的差異基本在9 cm以內(nèi)。如圖8所示，若認為星站差分的結(jié)果為真值，則本系統(tǒng)平面精度N方向13 cm，E方向14 cm。

圖8 星站差分與本系統(tǒng)海上軌跡對比

基于北斗衛(wèi)星的遠海高精度定位系統(tǒng)經(jīng)過測試，符合項目預期的各項要求，包括平面定位精度在0.2 m以內(nèi)，收斂時間10 min。同時，本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠在海上的環(huán)境中長時間提供高質(zhì)量的定位服務。

4 結(jié) 語

本文利用北斗衛(wèi)星短報文通信技術(shù)實現(xiàn)了北斗衛(wèi)星改正信息的遠程傳輸，傳輸距離被大大拓展，不再受地域的限制，只要能夠收到北斗衛(wèi)星的地方都可以收到岸基平臺傳來的相關(guān)PPP改正數(shù)。常用的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的平面單點定位精度大約為10 m，在無法建立地基增強系統(tǒng)的遠海地區(qū)，通過本項研究將系統(tǒng)的定位精度提高到20 cm以內(nèi)，滿足了遠距離海洋工程精確定位需要。

相比于傳統(tǒng)差分定位，本算法完全采用PPP作業(yè)模式，作業(yè)簡單，但可以獲取差分定位精度；傳統(tǒng)PPP定位對模糊度采取不固定浮點解模式，但是本文算法在獲取基準站修正信息后，快速固定流動站模糊度，快速獲取高精度定位結(jié)果。

目前，利用BDS傳輸北斗衛(wèi)星測量定位所需的、準確的衛(wèi)星軌道參數(shù)、鐘差、UDP等方面的研究，國內(nèi)外鮮有報道，具有一定先進性。本系統(tǒng)的應用范圍并不局限于海上定位，在陸上大范圍的導航定位、沙漠等其他通信不便區(qū)域都值得推廣應用。

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High Precision Positioning Technology for Long Distance Ocean Engineering Based on BeiDou Satellite Navigation System

LIU Hong，WAN Lijian，LU Yaying

(Shanghai Dahua Surveying & Mapping Co. Ltd., Shanghai 200136， China)

With the development of long distance ocean engineering project, high precision positioning of BeiDou satellite is greatly needed, the conventional ground based augmentation system and differential transmission can not be implemented in far away sea area. To solve the problem of BeiDou high precision positioning, BeiDou satellite system with short message function is used to broadcast precise point positioning error correction. By sending the observed correction of satellite clock error and ephemeris error of high precision to BeiDou satellite terminal, the remote transmission of the BeiDou satellite correction information is realized, the transmission distance is greatly expanded, no longer subject to geographical restrictions. The positioning accuracy of the BeiDou system is greatly improved, and the application of BeiDou technology in ocean engineering is expanded.

BeiDou satellites; differential broadcast; long distance; ocean engineering; high precision positioning

劉宏，萬立健，陸亞英.基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的遠距離海洋工程高精度定位技術(shù)[J].測繪通報，2017(5)：62-66.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0155.

2017-01-06

上海市經(jīng)濟和信息化委員會產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級發(fā)展專項資金(SX-ZXSJ-01-2015-06)

劉 宏(1980—)，男，碩士，高級工程師，主要從事測繪專業(yè)工作。E-mail：liuhong188@126.com

P228

A

0494-0911(2017)05-0062-05