深圳市北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)測(cè)試分析

楊凡敏， 李沛鴻， 張遠(yuǎn)， 邱蕾

（1.江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.深圳市地籍測(cè)繪大隊(duì)，廣東 深圳 518034）

0 引 言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)是我國(guó)自行研制、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是繼美國(guó)GPS和俄羅斯GLONASS之后第三個(gè)成熟的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng).系統(tǒng)由空間端、地面端和用戶端組成，可在全球范圍內(nèi)全天候?yàn)楦黝愑脩籼峁└呔?、高可靠的定位、?dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并獨(dú)具短報(bào)文通信功能.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)于2012年12月27日正式向亞太地區(qū)提供服務(wù)[1-3].北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)是以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為主，兼容其他GNSS系統(tǒng)的地基增強(qiáng)系統(tǒng)，是通過(guò)地面通信系統(tǒng)播發(fā)導(dǎo)航信號(hào)修正量和輔助定位信號(hào)，向用戶提供厘米級(jí)至亞米級(jí)精密導(dǎo)航定位和大眾終端輔助增強(qiáng)服務(wù)[4].

在系統(tǒng)建成后，系統(tǒng)性能和系統(tǒng)功能是否達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，是系統(tǒng)建設(shè)成功與否的重要指標(biāo)，它關(guān)系到CORS（Continuously Operating Reference Stations）在實(shí)際應(yīng)用中能否提供可靠的服務(wù).蔡成輝等[5]對(duì)CORS定位精度的可靠性進(jìn)行研究，得到內(nèi)外符合精度的函數(shù)關(guān)系；陳裕漢等[6]從可靠性、可用性、定位精度以及兼容性方面對(duì)CORS系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)、測(cè)試分析；張秀斌[7]、楊建科等[8]還對(duì)初始化效率（時(shí)間）進(jìn)行了相關(guān)研究；達(dá)朝宗等[9]對(duì)甘肅CORS從定點(diǎn)測(cè)試、時(shí)間可用性和用戶定位服務(wù)時(shí)效性方面進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試分析，從而為甘肅省CORS系統(tǒng)投入試運(yùn)行提供了有力支持；劉偉[10]對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位初始化時(shí)間、實(shí)時(shí)定位精度、時(shí)間可用性、空間可用性等開展相關(guān)測(cè)試分析；徐艷海[11]對(duì)新疆CORS進(jìn)行實(shí)時(shí)定位性能、初始化時(shí)間等測(cè)試，系統(tǒng)的各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果均優(yōu)于設(shè)計(jì)目標(biāo)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、兼容性良好，能夠完成新疆的空間連續(xù)定位工作；楊建會(huì)[12]分析了中山CORS系統(tǒng)的在線實(shí)時(shí)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能的作用.以上研究說(shuō)明了系統(tǒng)測(cè)試的必要性及科學(xué)性；因此，基于完成對(duì)新建立的北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)以及在線坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的測(cè)試，對(duì)該系統(tǒng)的定位精度、可靠性、兼容性以及可用性方面進(jìn)行檢驗(yàn)、測(cè)試，同時(shí)驗(yàn)證在線坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的可用性及精度，其測(cè)試結(jié)果為CORS試運(yùn)行和正式運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù).最后得出相關(guān)測(cè)試結(jié)論，為進(jìn)一步研究提供理論依據(jù).

1 系統(tǒng)概況

深圳市北斗地基增強(qiáng)衛(wèi)星連續(xù)運(yùn)行服務(wù)系統(tǒng)（Shenzhen BeiDou Continuously Operating Reference Stations，簡(jiǎn)稱SZBDCORS）是以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為主，輔以GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容GLONASS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的多模的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng).加上原深圳CORS的5個(gè)基準(zhǔn)站，共有建藝站（SZJY）、龍崗站（SZLG）、南山站（SZNS）、石巖站（SZSY）、大鵬站（SZDP）、平湖站（PINH）、松崗站（SONG）、濱海站（BINH）、坑梓站（KENZ）、寶安站（BAOA）、東涌站（DONC）共 11個(gè)基準(zhǔn)站分布在深圳市境內(nèi)[13].

SZBDCORS集成了基于光纖的SDH城域網(wǎng)絡(luò)，1000 M內(nèi)部局域網(wǎng)、Internet等網(wǎng)絡(luò).總體而言，系統(tǒng)可視為在SDH，LAN和Internet基礎(chǔ)上構(gòu)成的，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是以控制中心為中央節(jié)點(diǎn)的星型網(wǎng)絡(luò).SZBDCORS網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議統(tǒng)一采用TCP/IP，服務(wù)器操作系統(tǒng)采用Microsoft Windows 2008 Server R2.SZBDCORS系統(tǒng)由基準(zhǔn)站子系統(tǒng)（Reference Station Sub-System）、 系 統(tǒng) 管 理 中 心 （System Monitoring and Analysis Center）、用戶數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)（Data Transmission Sub-System）、用戶應(yīng)用子系統(tǒng)（User Application Sub-System）、數(shù)據(jù)通訊子系統(tǒng)（Data Communication Sub-System）組成.深圳市北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)（指標(biāo)）如表1所示.

表1 深圳市北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

2 系統(tǒng)測(cè)試

2.1 RTK動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)定位精度

實(shí)時(shí)定位精度測(cè)試包括內(nèi)符合精度測(cè)試和外符合精度測(cè)試.內(nèi)符合精度反映系統(tǒng)定位結(jié)果的收斂情況，用于分析系統(tǒng)定位的穩(wěn)定性；外符合精度則反映了系統(tǒng)定位的準(zhǔn)確性[14-15].

2.1.1 內(nèi)符合精度

內(nèi)符合精度指的是單次觀測(cè)值均方根誤差，是觀測(cè)值的系統(tǒng)偏差，能夠準(zhǔn)確地反映出定位結(jié)果收斂狀況[16].根據(jù)《衛(wèi)星定位城市測(cè)量技術(shù)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）[17]，測(cè)試點(diǎn)的坐標(biāo)分量?jī)?nèi)符合中誤差（Mx，My）和點(diǎn)位中誤差按照下列公式計(jì)算：

其中，（Mx，My）為坐標(biāo)分量?jī)?nèi)符合中誤差，cm；Ms為點(diǎn)位內(nèi)符合中誤差，cm；ΔX，ΔY為測(cè)試點(diǎn)每次觀測(cè)值坐標(biāo)分量與其加權(quán)平均值之差，cm；ΔS為測(cè)試點(diǎn)點(diǎn)位平均值與每次觀測(cè)點(diǎn)位的差值，cm；N為測(cè)試點(diǎn)的個(gè)數(shù)；K為測(cè)試點(diǎn)的觀測(cè)次數(shù)[18].

2.1.2 外符合精度

外符合精度代表的是定位坐標(biāo)和實(shí)際坐標(biāo)的符合程度[19]，兩者之間的偏差就是系統(tǒng)實(shí)時(shí)定位的精度，可以反映出系統(tǒng)實(shí)時(shí)定位的準(zhǔn)確性.根據(jù)《規(guī)范》，測(cè)試點(diǎn)的平面點(diǎn)位外符合中誤差Mp計(jì)算公式如下：

其中，Mp為測(cè)試點(diǎn)的平面外符合中誤差，cm；ΔP為測(cè)試點(diǎn)的觀測(cè)點(diǎn)位加權(quán)平均值與其已知平面坐標(biāo)點(diǎn)位差值，cm；N為測(cè)試點(diǎn)的個(gè)數(shù).

2.2 定位服務(wù)時(shí)效性與兼容性

系統(tǒng)定位服務(wù)時(shí)效性，對(duì)于用戶而言就是實(shí)時(shí)定位所需的初始化時(shí)間.是指用戶在作業(yè)時(shí)，接收機(jī)經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的觀測(cè)和計(jì)算獲得固定解，這段時(shí)間叫作用戶的初始化時(shí)間.影響初始化時(shí)間的主要因素有觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)、衛(wèi)星分布、觀測(cè)環(huán)境和接收機(jī)軟硬件設(shè)備等因素[20].

系統(tǒng)兼容性主要是指在基準(zhǔn)站網(wǎng)有效覆蓋范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)處理與控制中心根據(jù)接收不同的RTK用戶數(shù)據(jù)信息，能否快速、準(zhǔn)確無(wú)誤的發(fā)送差分?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù).

2.3 在線坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)測(cè)試

由于SZBDCORS采用的是國(guó)家2000大地坐標(biāo)系坐標(biāo)，而在深圳市日常測(cè)量中常用的是深圳獨(dú)立坐標(biāo)；另一方面，由于獲取的是大地高，而實(shí)際使用的是正常高.因此，如果使用SZBDCORS能夠直接得到用戶需要的深圳獨(dú)立坐標(biāo)和正常高將會(huì)是非常方便的.為解決這一問(wèn)題，通過(guò)生成分區(qū)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，將似大地水準(zhǔn)面模型及傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)按照格網(wǎng)分配到各格網(wǎng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)中去，開發(fā)了在線實(shí)時(shí)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng).該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)在不公開轉(zhuǎn)換參數(shù)的情況下，用戶可直接實(shí)時(shí)獲取深圳獨(dú)立坐標(biāo)和1956黃海高程，將極大地提高用戶作業(yè)效率[21].

在線坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，通過(guò)生成分區(qū)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，將似大地水準(zhǔn)面模型及傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)按照格網(wǎng)分配到各格網(wǎng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)中去，從而在服務(wù)端消除了大地水準(zhǔn)面模型參數(shù)及傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)，保護(hù)了轉(zhuǎn)換參數(shù).結(jié)合在線坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和深圳市北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)進(jìn)行野外實(shí)地環(huán)境下的測(cè)試，測(cè)試在RTK+事后坐標(biāo)轉(zhuǎn)換（模式1）和在線坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（模式2）這兩種模式下，分區(qū)格網(wǎng)轉(zhuǎn)換的可用性及精度.

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 內(nèi)外符合精度分析

從全市范圍內(nèi)均勻的選取了60個(gè)一級(jí)以上點(diǎn)（已知深圳獨(dú)立坐標(biāo)和高程），采用4種模式進(jìn)行RTK測(cè)試.第一種模式：應(yīng)用GPS及BDS雙系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，接入點(diǎn)選擇：RTCM GB；第二種模式：應(yīng)用BDS單系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，接入點(diǎn)選擇：RTCM 3B；第三種模式：應(yīng)用GPS單系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，接入點(diǎn)選擇：RTCM 3G；第四種模式：應(yīng)用 GPS單系統(tǒng)（原SZCORS）進(jìn)行測(cè)量，接入點(diǎn)選擇：RTCM 31.本次測(cè)試時(shí)間跨度為2017年10月至12月，測(cè)試使用的儀 器 類 型 主 要 有 ：Trimble R4、Trimble R8、Leica GS15、Trimble R10、PD328、南方銀河 1，測(cè)試點(diǎn)位分布如圖1所示.

根據(jù)《規(guī)范》中點(diǎn)位坐標(biāo)分量?jī)?nèi)符合中誤差和平面點(diǎn)位外符合中誤差公式，即公式（1）～公式（4）及公式（5）～公式（6），分別計(jì)算內(nèi)外符合精度，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2、表3所示[22].

圖1 RTK定位精度測(cè)試分布

表2 內(nèi)符合中誤差/cm

表3 外符合中誤差/cm

由表2可知，4種模式的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位內(nèi)符合精度都在毫米級(jí)，遠(yuǎn)高于《規(guī)范》規(guī)定的精度要求（2 cm），說(shuō)明了系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位的穩(wěn)定可靠性.由表3可知，4種模式的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位外符合精度都在 2～3 cm，也都優(yōu)于《規(guī)范》規(guī)定精度（5 cm），說(shuō)明了系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位的準(zhǔn)確性.

3.2 系統(tǒng)定位服務(wù)時(shí)效性與兼容性分析

RTK用戶初始化時(shí)間的測(cè)試是檢驗(yàn)系統(tǒng)定位服務(wù)時(shí)效性的重要體現(xiàn).測(cè)試選取徠卡、天寶、南方等主流接收機(jī)，分別在全市范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試.測(cè)量三組數(shù)據(jù)，每組測(cè)量60個(gè)值，每個(gè)歷元一秒采樣，每組重新初始化，記錄每次初始化時(shí)間.初始化時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示.

從初始化時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，新系統(tǒng)下的初始化時(shí)間明顯比原系統(tǒng)少.原SZCORS系統(tǒng)初始化平均時(shí)間為19 s，新系統(tǒng)下單GPS初始化平均時(shí)間為15 s，GPS+北斗的初始化平均時(shí)間為14 s，單北斗的初始化時(shí)間較為有優(yōu)勢(shì)平均為5 s，全市的初始化時(shí)間相對(duì)比較穩(wěn)定，反映了系統(tǒng)比較穩(wěn)定.同時(shí)，還測(cè)試了本系統(tǒng)各差分改正數(shù)據(jù)格式和設(shè)備之間的兼容性，結(jié)果顯示系統(tǒng)兼容絕大部分市場(chǎng)主流的儀器設(shè)備，其中天寶和南方的儀器無(wú)法使用單北斗模式進(jìn)行測(cè)試，攀達(dá)時(shí)空可以利用單北斗模式進(jìn)行觀測(cè).

3.3 在線坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)測(cè)試分析

在線坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)測(cè)試，包含兩種測(cè)量方式.第一種測(cè)量方式為任選4個(gè)模式中的一種模式進(jìn)行測(cè)量，得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)的經(jīng)度、緯度、大地高，并轉(zhuǎn)換得到深圳獨(dú)立坐標(biāo)X、Y及1956黃海高程；第二種測(cè)量方式為使用新開發(fā)的深圳在線坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，按照系統(tǒng)的用戶設(shè)置說(shuō)明書，根據(jù)使用儀器的型號(hào)設(shè)置轉(zhuǎn)換參數(shù)、IP、端口、接入點(diǎn)及差分?jǐn)?shù)據(jù)協(xié)議，直接獲取各個(gè)測(cè)點(diǎn)在深圳獨(dú)立坐標(biāo)系下的X、Y及1956黃海高程.每種測(cè)量方式通過(guò)在40個(gè)一級(jí)點(diǎn)以上（已知深圳獨(dú)立坐標(biāo)和高程）進(jìn)行RTK測(cè)試，共測(cè)試3組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)60個(gè)觀測(cè)值（1 s記錄一個(gè)）.兩種測(cè)量方式測(cè)試結(jié)果內(nèi)、外符合精度如圖3所示.

圖2 不同模式下的初始化時(shí)間

圖3 兩種測(cè)量方式測(cè)試結(jié)果

在線坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果：

1）在深圳市全區(qū)域范圍內(nèi)，北斗/GNSS+分區(qū)格網(wǎng)可用；

2）RTK與分區(qū)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)系統(tǒng)內(nèi)符合與外符合的平面、高程精度一致；

3）內(nèi)符合精度測(cè)試表明：RTK平面方向的內(nèi)符合精度總體在0.8 cm，高程在1.3 cm左右；

4）外符合精度測(cè)試表明：RTK平面方向的外符合精度總體在2 cm，高程在8 cm左右.

4 結(jié) 論

通過(guò)從動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)定位精度、時(shí)效性與兼容性以及在線坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)方面對(duì)深圳市北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示：4種模式下的點(diǎn)位精度分布均勻，具有較高的穩(wěn)定性，內(nèi)外符合精度優(yōu)于規(guī)范技術(shù)要求，可滿足全市范圍內(nèi)的RTK作業(yè)精度要求；初始化時(shí)間相對(duì)比較穩(wěn)定，系統(tǒng)兼容性較強(qiáng)，總體來(lái)說(shuō)多系統(tǒng)模式要好于單系統(tǒng)；并且在線坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)通過(guò)提供分區(qū)格網(wǎng)化的參數(shù)轉(zhuǎn)換，驗(yàn)證了系統(tǒng)可用性，且精度達(dá)到預(yù)期要求.