基于北斗短報文的遠海實時精密單點定位*

姬生月，孫嘉文，宋云記，王振杰，賀凱飛，魯洋為

(1. 中國石油大學(華東) 海洋與空間信息學院， 山東 青島 266580； 2. 青島市勘查測繪研究院， 山東 青島 266033； 3. 中國科學院國家授時中心， 陜西 西安 710600)

自2013年4月國際全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)服務(International GNSS Service， IGS) 中心開始利用基于互聯(lián)網(wǎng)的RTCM網(wǎng)絡傳輸協(xié)議(Networked Transport of RTCM via Internet Protocol，NTRIP) 協(xié)議正式向全球播發(fā)實時軌道與鐘差改正數(shù)[1]。實時服務(Real-Time Service，RTS)數(shù)據(jù)與廣播星歷結合可實時生成精密衛(wèi)星軌道和鐘差，軌道精度在5 cm以內，而鐘差精度在0.3 ns以內[2-5]。利用RTS數(shù)據(jù)進行動態(tài)實時PPP定位，水平精度為10 cm左右,豎直方向優(yōu)于20 cm[6-9]。近幾年，實時精密單點定位(Precise Point Positioning, PPP)技術發(fā)展迅速，從測繪行業(yè)到手機大眾，應用范圍日益廣泛[10-13]。

實時PPP技術作為GNSS領域的熱點之一,從其應用范圍來看，基本分布在陸地。而在海上的GNSS高精度定位應用遠不如陸地廣泛。主要原因在于，這些高精度定位技術需要借助無線通信傳輸數(shù)據(jù)。而遠海主要利用衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)，費用高昂[14]。然而海洋對衛(wèi)星精密導航與定位技術的需求非常廣泛[15-16]。除去眾所周知的航海導航方面的應用之外，衛(wèi)星導航系統(tǒng)在海域使用與管理、海洋資源勘探與作業(yè)、數(shù)字化海洋、海上遇險安全系統(tǒng)、極地海洋觀測等方面均有相當廣泛的應用[17]。

短報文通信是北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)特有的功能，借助靜地衛(wèi)星進行雙向信息傳輸[18]，且服務費用低廉。除此之外，北斗短報文通信還存在其他優(yōu)勢，如通信響應快、抗干擾能力強、保密性強等[19-20]。然而北斗短報文通信在數(shù)據(jù)遠程傳輸過程中存在如下問題[21]:

1)通信頻率限制：通信間隔為1 min；

2)單次通信容量受限：一般民用北斗終端單次通信內容長度最大為628 bit。

在RTS數(shù)據(jù)中，每一歷元需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)遠超過628 bit，每分鐘一次的通信頻率也無法滿足遠海高精度動態(tài)導航與定位。雖然，北斗三號在未來擬擴展北斗短報文的帶寬，但僅限于區(qū)域應用，且具體時間、費用尚不可知[22-23]。

為了解決北斗短報文通信頻率低的問題以對實時精密星歷進行預報[24]。本文主要針對北斗短報文通信帶寬窄的缺點，提出對軌道改正、鐘差改正和輔助信息等RTS數(shù)據(jù)的簡化方案。最后基于海洋實測GNSS數(shù)據(jù)，仿真實時PPP，進行導航與定位性能測試。

1 RTS數(shù)據(jù)的簡化

1.1 衛(wèi)星軌道與衛(wèi)星鐘差改正數(shù)據(jù)的簡化

這部分，首先分析了RTS數(shù)據(jù)中的衛(wèi)星軌道與鐘差改正的數(shù)值范圍和特點，并基于此提出簡化RTS數(shù)據(jù)的方案。最后，利用RTS數(shù)據(jù)給出簡化后RTS數(shù)值范圍。

1.1.1 衛(wèi)星軌道改正與衛(wèi)星鐘差改正數(shù)值范圍

為了統(tǒng)計衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差改正的數(shù)值范圍，利用BNC軟件接收了2019年中年積日為318，340，341，347，351～356共10 d的法國國家太空研究中心(Centre National d′Etudes Spatiales, CNES)播發(fā)的實時數(shù)據(jù)流，掛載點為CLK91，每日平均接收時間在15 h以上。圖1和圖2分別為4個GNSS的衛(wèi)星軌道和鐘差改正。由圖1和圖2可知，北斗(BeiDou)系統(tǒng)的軌道改正最大可達25 m，而其余3個衛(wèi)星導航系統(tǒng)的軌道改正基本分布在±5.12 m以內。與軌道改正相比，衛(wèi)星鐘差改正數(shù)值范圍相對偏大。北斗系統(tǒng)的鐘差改正最大可達19 m，其余系統(tǒng)的鐘差改正基本分布在±6 m以內。

總的來說，4個GNSS的衛(wèi)星軌道和鐘差改正基本分布在米級范圍內。假設以毫米為單位進行數(shù)據(jù)編碼發(fā)送，以>90%為標準，伽利略(Galileo)和GPS的改正數(shù)據(jù)占用短報文空間分別為40 bit和46 bit；而GLONASS和北斗系統(tǒng)占用的短報文空間分別為52 bit和56 bit。

(a) GPS

(b) BeiDou

(c) GLONASS

(d) Galileo圖1 衛(wèi)星軌道改正Fig.1 Satellite orbit correction

(a) GPS

(b) BeiDou

(c) GLONASS

(d) Galileo圖2 衛(wèi)星鐘差改正Fig.2 Satellite clock correction

1.1.2 衛(wèi)星軌道改正與衛(wèi)星鐘差改正的簡化方法

為了說明RTS改正數(shù)據(jù)的特點，以2019年9月23日采集的RTS數(shù)據(jù)為例，從中提取歷元間隔為60 s的改正數(shù)據(jù)。以GPS的偽隨機噪聲碼(Pseudo Random Noise code, PRN)為16的衛(wèi)星為例，圖3是衛(wèi)星鐘差改正和其歷元間差的對比，圖4為軌道改正的分布范圍，而圖5和圖6是利用本文提出的方法削弱不同數(shù)據(jù)齡期導致的跳躍之后，得到的歷元差與歷元差之差?？梢钥闯觯瑹o論是鐘差改正還是軌道改正，都具有明顯的曲線性趨勢變化特點。特別是軌道改正，當數(shù)據(jù)齡期相同時，變化曲線非常光滑。軌道歷元間差基本小于5 cm。當軌道改正二次差分后，數(shù)值范圍更小，基本小于3 mm。而衛(wèi)星鐘差改正數(shù)值范圍超過了0.8 m，當取歷元間差時，基本小于0.2 m。

圖3 RTS衛(wèi)星鐘差改正及其歷元間差Fig.3 RTS satellite clock correction and the difference between epoch

圖4 RTS軌道改正Fig.4 RTS satellite orbit correction

圖5 RTS軌道改正歷元間差Fig.5 Difference between epoch of RTS orbit correction

圖6 RTS軌道改正歷元差之差Fig.6 Difference of difference between epoch of RTS orbit correction

如果服務端發(fā)送RTS數(shù)據(jù)的歷元間差和歷元差之差，用戶端通過累積獲取原RTS改正，則可以明顯減少所需短報文空間，進而節(jié)省成本。

由以上可知，RTS改正數(shù)據(jù)，尤其是衛(wèi)星軌道改正具有明顯的時間相關性。RTS改正數(shù)據(jù)時間相關性的實質是衛(wèi)星軌道的光滑性和衛(wèi)星鐘的穩(wěn)定性。由于在非軌道調整的情況下，衛(wèi)星軌道是光滑的，所以，數(shù)據(jù)齡期相同時，衛(wèi)星的實際坐標與廣播星歷計算得到的坐標之差，是緩慢變化的，RTS的軌道改正歷元間差的數(shù)值范圍很??；由于衛(wèi)星鐘比較穩(wěn)定，衛(wèi)星鐘差變化慢，所以鐘差歷元間差的數(shù)值范圍也比較小。

基于這一特點，特制定如下的簡化方案：

1)首歷元RTS改正數(shù)據(jù)簡化處理：主要處理方法為利用降低RTS改正數(shù)據(jù)精度的方式來減少所占用的短報文空間，可通過設置較低的數(shù)據(jù)分辨率實現(xiàn)。比如：數(shù)據(jù)1.256 m，若分辨率為1 mm，數(shù)字1256對應的編碼數(shù)據(jù)為10011101000，若分辨率為1 cm，數(shù)字126對應的編碼數(shù)據(jù)為1111110。由于不同類型改正數(shù)據(jù)的誤差對定位的影響不同，因此可設置不同的分辨率，用戶端可根據(jù)分辨率確定觀測值的權重。

2)次歷元數(shù)據(jù)簡化：計算RTS數(shù)據(jù)與首歷元發(fā)送的RTS數(shù)據(jù)之差，即歷元間差。需要注意，和首歷元發(fā)送的RTS數(shù)據(jù)求差，可消除因首歷元降精度處理而引入的誤差，不會影響后續(xù)歷元RTS數(shù)據(jù)的精度。

3)后續(xù)歷元數(shù)據(jù)簡化：對于衛(wèi)星鐘差改正，采用2)中的方法，發(fā)送歷元間差。而對于衛(wèi)星軌道改正，則發(fā)送歷元差之差，即歷元間二次差分，由于軌道改正變化穩(wěn)定，通過歷元間二次差分，數(shù)據(jù)通常更簡化。

4)數(shù)據(jù)齡期變化時簡化處理：當數(shù)據(jù)齡期變化時，RTS數(shù)據(jù)會出現(xiàn)跳躍，需要采取與用戶端約定的方法在服務端消除，繼而在用戶端恢復。采取的方法為：根據(jù)對應不同數(shù)據(jù)齡期的兩組廣播星歷參數(shù)，計算得到當前歷元的兩組衛(wèi)星位置和衛(wèi)星鐘差結果，計算這兩組結果的徑向、法向、切向和衛(wèi)星鐘差之差，并從RTS數(shù)據(jù)中扣除該差，即可消除或削弱RTS跳躍，用戶端用同樣的方法恢復扣除的部分。

值得一提的是，除了首歷元改正數(shù)據(jù)需要發(fā)送原數(shù)據(jù)(需進行降低精度處理)，而非歷元間差分數(shù)據(jù)，后續(xù)歷元的新衛(wèi)星改正數(shù)據(jù)，也需要發(fā)送原數(shù)據(jù)。

1.1.3 簡化后的衛(wèi)星軌道改正與衛(wèi)星鐘差改正數(shù)值范圍

由1.1.1節(jié)的RTS改正數(shù)據(jù)提取分鐘間隔的衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差改正數(shù)據(jù)，并根據(jù)1.1.2節(jié)的簡化方案進行處理，表1和表2分別為數(shù)據(jù)齡期不變時軌道改正歷元差之差和鐘差改正歷元間差的數(shù)值范圍百分比。

表1 數(shù)據(jù)齡期不變時軌道改正歷元差之差數(shù)值范圍百分比

表2 數(shù)據(jù)齡期不變時鐘差改正歷元間差數(shù)值范圍百分比

從表1可知，除了北斗系統(tǒng)以外，其余GNSS的軌道改正基本分布在±0.256 m內。而北斗系統(tǒng)存在少部分數(shù)據(jù)數(shù)值偏大的情況，這意味著原軌道改正經(jīng)常發(fā)生跳躍，可能跟衛(wèi)星軌道調整有關。而鐘差改正的分布情況跟軌道改正類似。四個系統(tǒng)的軌道改正歷元差之差大部分為毫米級，而鐘差改正歷元間差大部分為厘米級。如果以毫米為單位進行編碼發(fā)送，以>90%為標準，GPS和GLONASS需占用的短報文空間分別為16 bit和17 bit；而伽利略和北斗占用的短報文空間為14 bit和15 bit。與原改正數(shù)據(jù)相比，鐘差改正占用的空間減少了50%，而軌道改正占用空間減少了65%。

1.2 RTS輔助數(shù)據(jù)的簡化處理

RTS數(shù)據(jù)除了衛(wèi)星軌道和鐘差改正之外，還包括衛(wèi)星名稱、數(shù)據(jù)齡期和歷元時間等數(shù)據(jù)[25]。這些數(shù)據(jù)同樣需要做簡化處理。

1.2.1 衛(wèi)星名稱編碼處理

衛(wèi)星名稱包括兩個部分：第一部分為系統(tǒng)標識，需要占用的短報文為2 bit，表示范圍在0～3之間，分別對應4個GNSS，第二部分為衛(wèi)星編號，其范圍見表3，GPS、伽利略和GLONASS均占用5 bit，北斗系統(tǒng)占用6 bit。由于各GNSS的衛(wèi)星PRN不一定連續(xù)，所以可以按照PRN排序，重新編號。

表3 衛(wèi)星名稱編碼處理

由上可知，北斗系統(tǒng)的衛(wèi)星名稱需要占用8 bit，而其他系統(tǒng)則只需要占用7 bit。

1.2.2 歷元時間處理

老井在院子的西南角，比較偏僻，但柳紅嘩嘩的沖水聲卻特別醒耳，今天她是怎么啦，跟自己有仇似的，一桶桶井水往自己頭上倒。是的，柳紅今天太有仇了，她恨自己，恨自己沖洗不掉癩阿小抓過胸口的奇癢，沖洗不掉耳邊蘇秋琴的叫床聲，沖洗不掉小腹上公公壓過的硬梆梆的感覺……今天，有太多的人往她體內塞了太多的東西，她不想要，她要把它們統(tǒng)統(tǒng)洗掉，但是，她不能夠，反被它們肆意地騷擾著。

服務端發(fā)送的RTS數(shù)據(jù)通常為分鐘間隔，數(shù)據(jù)的歷元時間為整分鐘或其他規(guī)律變化的歷元時間。由于發(fā)送時間和歷元時間很接近，發(fā)送時延通常不超過1 s，因此用戶端可以根據(jù)接收時間推斷出歷元時間。所以，RTS數(shù)據(jù)歷元時間，可不發(fā)送，以節(jié)省短報文空間。當然，由于數(shù)據(jù)會發(fā)生中斷或時延有可能過大，會造成數(shù)據(jù)接收混亂，所以可以發(fā)送歷元時間的部分信息，比如只發(fā)送分鐘數(shù)。

1.2.3 數(shù)據(jù)齡期簡化處理

RTS數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)齡期的用意在于指明軌道和衛(wèi)星鐘差改正對應的廣播星歷信息，通常與廣播星歷中的衛(wèi)星鐘參考時間是一一對應的，而衛(wèi)星鐘參考時間更易于作簡化處理，因此可以通過傳送簡化后的衛(wèi)星鐘參考時間信息，實現(xiàn)傳送數(shù)據(jù)齡期的目的。

衛(wèi)星鐘參考時間的簡化處理方案包括兩個部分。

第一部分：首歷元衛(wèi)星鐘參考時間的簡化處理：

1)省略年月日。

2)將參考時間分為4類，見表4，分別用標識符0、1、2、3表示；第一類只發(fā)送小時數(shù)；第二類發(fā)送小時數(shù)和簡化的分鐘數(shù)；第三類發(fā)送小時數(shù)和分鐘數(shù)；第四類發(fā)送小時數(shù)、分鐘數(shù)和秒數(shù)。

3)小時數(shù)發(fā)送RTS數(shù)據(jù)歷元時間與參考時間小時數(shù)之差。

1)用標識符0和1表示數(shù)據(jù)齡期有無變化；

2)如無(絕大多數(shù)情況屬于此類)，則不需要發(fā)送任何信息；

3)如有，則發(fā)送簡化處理的衛(wèi)星鐘參考時間信息，簡化方法同第一部分。

表4 衛(wèi)星鐘參考時間分類

1.3 小結

原RTS數(shù)據(jù)與簡化后的RTS數(shù)據(jù)占用短報文空間對比情況見表5所示，若發(fā)送原RTS數(shù)據(jù)(軌道和鐘差改正變化速率不發(fā)送)，則除北斗系統(tǒng)以外的其他3個GNSS的每顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)大致占用99 bit，即13 B。由于數(shù)據(jù)齡期數(shù)值偏大，北斗系統(tǒng)的每顆衛(wèi)星大致占用15個字節(jié)。因此，每條短報文最多可發(fā)送6顆左右的衛(wèi)星的數(shù)據(jù)。如果以每個GNSS系統(tǒng)可觀測12顆衛(wèi)星，則每個系統(tǒng)的一個歷元的RTS數(shù)據(jù)需要兩臺短報文設備發(fā)送。

簡化后，每顆衛(wèi)星的待發(fā)送數(shù)據(jù)大致占用24 bit，即3 B。因此，每條短報文最多可發(fā)送24顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，每條短報文可發(fā)送2個GNSS的1個歷元的RTS數(shù)據(jù)。如果每臺短報文設備的年通信成本計為1 100元，簡化前，發(fā)送4個GNSS的RTS數(shù)據(jù)，年通信成本為8 800元；簡化后，則只需2 200元，而且還節(jié)省了短報文設備的硬件成本。

表5 原RTS數(shù)據(jù)與簡化后的RTS數(shù)據(jù)占用 短報文空間對比Tab.5 Comparison between the original RTS data and the simplified RTS data in short-message space 單位：bit

表6為根據(jù)表1和表2中各類型改正>90%的數(shù)據(jù)，估算利用2臺短報文設備發(fā)送4個GNSS改正數(shù)據(jù)時，各歷元改正數(shù)據(jù)簡化后所占用的短報文空間。各GNSS均以9顆衛(wèi)星為例；首歷元徑向和鐘差以5 cm為分辨率，法向和切向以8 cm為分辨率；次歷元徑向和鐘差以2 mm為分辨率，法向和切向以5 mm為分辨率；后續(xù)歷元各改正均以1 mm為分辨率。從表6中可以看出，伽利略和北斗系統(tǒng)組合、GPS與GLONASS組合分別可用一條短報文發(fā)送。當然，表6中的估算結果比較保守，在實際應用中，應以各歷元改正數(shù)據(jù)的大小范圍設置相應的分辨率。另外，如果擬發(fā)送更多衛(wèi)星，可通過進一步降低首歷元、次歷元甚至第三個歷元的分辨率實現(xiàn)。

表6 各GNSS占用短報文空間

2 實時精密衛(wèi)星軌道與鐘差預報

由于RTS數(shù)據(jù)每分鐘發(fā)送一次，因此如果當前觀測歷元與RTS數(shù)據(jù)歷元時間不同的時，其衛(wèi)星軌道改正和衛(wèi)星鐘差改正須由接收的RTS數(shù)據(jù)預報得到。但在數(shù)據(jù)預報之前，需要恢復實時精密軌道和鐘差數(shù)據(jù)。實時軌道信息是相對于導航星歷解算的衛(wèi)星坐標在星固系下徑向、法向和切向的改正,需要把修正量轉換到地固系再進行改正。衛(wèi)星相對地心在切向、法向和徑向的單位向量[20，26]為：

(1)

其式中：A、C和R分別表示衛(wèi)星相對地心在切向、法向和徑向的單位向量；XSAT和VSAT分別表示廣播星歷計算出的衛(wèi)星位置和速率向量。

將實時軌道信息中切向、法向和徑向的改正與對應方向的單位向量相乘，可以得到地固系改正[15]：

(2)

式中：dR、dA和dC分別表示實時軌道信息中的徑向、切向和法向分量改正。

則衛(wèi)星的實時精密軌道坐標為：

X=XSAT-dX

(3)

實時鐘差的恢復方法[19]為：

T=TSAT+dT

(4)

式中:TSAT為導航星歷計算出的鐘差；dT為實時鐘差改正數(shù)，單位為m。

在利用RTS數(shù)據(jù)恢復實時精密軌道和鐘差數(shù)據(jù)之后，若當前觀測歷元與RTS改正數(shù)據(jù)歷元時間不一致，則需對其進行預報。

衛(wèi)星坐標和鐘差在短時間內可以當作時間的高階多項式：

(5)

式中，X(t)為衛(wèi)星坐標或鐘差隨時間t變化的函數(shù)，t0為參考時間，ai為多項式系數(shù)。

在本研究中，實時軌道和鐘差的預報采用最小二乘擬合上述多項式的方法，即求解如下最小目標函數(shù)對應的多項式系數(shù)：

(6)

為了選擇合適的擬合階數(shù)和評估預報誤差，基于2019年12月19日采集的24 h的CLK91的RTS數(shù)據(jù)對GPS鐘差和各軌道方向進行預報測試。測試方法為根據(jù)連續(xù)10 min，即10個歷元的RTS數(shù)據(jù)計算得到的實時精密鐘差和衛(wèi)星軌道位置，預報下一分鐘的衛(wèi)星鐘差和衛(wèi)星坐標，并把預報結果與由下一分鐘的RTS數(shù)據(jù)直接得到的衛(wèi)星鐘差和軌道進行比較，其差值見圖7和圖8。測試階數(shù)為1、2和3，由圖7(a)可知3個階數(shù)的預報誤差類似，基本在厘米級別，但存在個別異常數(shù)值，其原因為原RTS鐘差改正不穩(wěn)定或有跳躍；總體來說，1階的預測誤差最小。圖7(b)和圖8為衛(wèi)星軌道預報誤差，測試的階數(shù)為4、5和6。由圖7(b)和圖8可知，階數(shù)6的預報誤差最小，基本在1～2 mm。但存在少數(shù)預報誤差偏大的情況，可能是由原RTS軌道改正不光滑或不穩(wěn)定導致。

(a) 鐘差(a) Clock

(b) 軌道徑向(b) Orbit radial圖7 GPS鐘差和軌道徑向預報誤差Fig.7 Prediction error of GPS clock and orbit radial

(a) 軌道切向(a) Orbit along-track

(b) 軌道法向(b) Orbit out-of-plane圖8 GPS軌道切向和法向預報誤差Fig.8 Prediction error of GPS orbit along-track and out-of-plane

3 基于北斗短報文的遠海實時精密單點 定位數(shù)據(jù)處理流程

基于北斗短報文的遠海實時精密單點定位的數(shù)據(jù)處理流程如圖9所示。包括服務端和用戶端兩個部分：服務端接收并提取分鐘間隔的RTS數(shù)據(jù)，簡化衛(wèi)星軌道和鐘差改正及輔助信息。最后將簡化的數(shù)據(jù)編碼發(fā)送。用戶端采集GNSS數(shù)據(jù)，同時通過短報文接收解碼分鐘間隔的RTS數(shù)據(jù)并恢復RTS數(shù)據(jù)，生成實時精密產品。最后進行實時精密單點定位，獲取用戶端坐標。

圖9 數(shù)據(jù)處理流程Fig.9 Data processing flow

4 簡化的RTS數(shù)據(jù)精度分析

為了驗證簡化后RTS數(shù)據(jù)精度，本節(jié)利用2019年9月23日接收的RTS數(shù)據(jù)，將簡化后的RTS數(shù)據(jù)結合廣播星歷生成精密星歷和鐘差，并與利用原始一分鐘間隔的RTS數(shù)據(jù)生成的精密星歷和鐘差進行比較。由于篇幅限制，在4個系統(tǒng)中隨機選取G07、R13、E03、C04進行分析。為了節(jié)省短報文空間，需要對首歷元的RTS數(shù)據(jù)進行降精度處理，因而首歷元軌道和鐘差誤差較大，將其單獨列出。首歷元引入誤差見表7，由表7可知，大部分軌道和鐘差的誤差在30 mm以內,而最大可達40 mm。軌道和鐘差引入的誤差如圖10所示。對于后續(xù)歷元，由圖10可知，徑向和鐘差引入誤差基本在1 mm，而切向和法向的誤差相對較大，大部分分布在±5 mm之間。原因是對定位精度影響最大的是徑向和鐘差改正。所以對于簡化的RTS改正數(shù)據(jù)，徑向和鐘差改正需要設置較高分辨率，以提高定位精度，而切向和法向改正的分辨率略低于前兩者。

表7 首歷元引入誤差

(a) G07

(b) R13

(c) E03

(d) C04圖10 軌道和鐘差引入的誤差Fig.10 Induced error of orbit and clock

5 實驗測試和分析

5.1 數(shù)據(jù)采集與處理

為了驗證本文提出的方案，并測試基于北斗短報文的實時精密單點定位的定位性能，于2019年9月23日在山東青島唐島灣區(qū)域的岸邊架設1臺天寶ALLOY接收機進行靜態(tài)觀測，同時架設3臺接收機進行船載動態(tài)GNSS觀測，但本研究只使用了帶有抑徑圈的天寶ALLOY接收機的觀測數(shù)據(jù)。水里接收機距岸邊不到1 km，數(shù)據(jù)采樣率均為1 s，共連續(xù)采集了7 h海上觀測數(shù)據(jù)。同時利用BNC軟件實時接收了掛載點為IGS03和CLK91的RTS數(shù)據(jù)[27]，但RTS采集過程中，發(fā)生了中斷。

首先利用Bernese 5.2軟件對岸邊接收機的靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)進行了后期PPP處理，得到了岸邊接收機的精確坐標，對應的RMS為毫米級。然后，利用RTKLib 2.4.3軟件，處理了兩接收機組成的短基線，得到了模糊度固定后的精確相對位置，進而得到了船載接收機的精確坐標，該精確坐標將被當作真值來驗證船載接收機的實時精密單點定位的精度。

由于北斗短報文設備有關的部分軟件的開發(fā)還未完成，所以目前不能實際運行基于北斗短報文的實時精密單點定位，只能后期模擬數(shù)據(jù)處理過程的各個環(huán)節(jié)，包括編碼、發(fā)送、接收和解碼，所用的短報文設備為北斗星通，型號為BDSC-01。

5.2 實驗結果

為了詳細評估基于北斗短報文的實時精密單點定位性能，分3種情況進行了數(shù)據(jù)處理：①原RTS數(shù)據(jù)；②原RTS數(shù)據(jù)的分鐘間隔信息；③模擬RTS數(shù)據(jù)簡化、編碼、解碼以及RTS改正數(shù)據(jù)恢復過程得到的分鐘間隔RTS改正數(shù)據(jù)。由于RTS數(shù)據(jù)在接收的過程中出現(xiàn)了中斷，所以觀測數(shù)據(jù)分成了3段，分別進行處理：3.4～4.0 h為A段；4.3～5.3 h為B段；8.6～9.0 h為C段。每段都分別對IGS03(GPS和GLONASS)和CLK91(GPS、GLONASS、伽利略和北斗)的RTS數(shù)據(jù)進行處理。處理結果如圖11所示。每個圖所用的RTS數(shù)據(jù)從上到下依次為：原RTS數(shù)據(jù)、分鐘間隔原RTS數(shù)據(jù)和簡化處理后的分鐘間隔RTS數(shù)據(jù)。

圖11對應的RTS數(shù)據(jù)為IGS03，即GPS和GLONASS?？梢钥吹?，使用原RTS數(shù)據(jù)，定位精度在水平方向即時可以達到亞米級，豎直方向即時或在1 min可以達到亞米級，三維方向的定位精度在10 min內至少可以達到0.5 m，0.5 h后，可以達到0.2～0.3 m或更高的精度。而使用分鐘間隔的原RTS數(shù)據(jù)，定位精度明顯要低一些，但也可以在5 min內達到亞米級，在12 min內至少達到0.5 m，0.5 h左右，可以達到0.3～0.4 m的精度。簡化處理后的分鐘間隔RTS數(shù)據(jù)對應的定位結果跟分鐘間隔的原RTS數(shù)據(jù)差異很小。

(a) A段(a) Section A

(b) B段(b) Section B

(c) C段(c) Section C圖11 定位誤差(IGS03)Fig.11 Positioning error(IGS03)

圖12對應的RTS數(shù)據(jù)為CLK91，即GPS、GLONASS、伽利略和北斗?？梢钥吹剑褂迷璕TS數(shù)據(jù)，三維方向的定位精度可以即時達到亞米級，在2 min內至少可以達到0.5 m，30 min后，可以達到0.1～0.2 m或更高的精度。而使用分鐘間隔的原RTS數(shù)據(jù)，定位精度明顯要低一些，但水平方向也可以即時達到亞米級，豎直方向則可能需要1 min達到亞米級，在10 min左右至少可以達到0.5 m。穩(wěn)定后，可以達到0.1～0.2 m的精度。同樣，簡化處理的分鐘間隔RTS數(shù)據(jù)對應的定位結果跟分鐘間隔的原RTS數(shù)據(jù)類似，尤其是水平方向。

(a) A段(a) Section A

(b) B段(b) Section B

(c) C段(c) Section C圖12 定位誤差(CLK91)Fig.12 Positioning error(CLK91)

6 結論

本文利用RTS改正數(shù)據(jù)時間相關性的特點，提出了通過歷元間差分進行改正數(shù)據(jù)簡化的方案，并對RTS輔助性質的數(shù)據(jù)也進行了簡化處理，包括衛(wèi)星標識號、歷元時間以及數(shù)據(jù)齡期等。簡化處理后，單套短報文設備可以發(fā)送2個GNSS分鐘間隔的RTS數(shù)據(jù)，2臺設備則可以發(fā)送4個GNSS系統(tǒng)分鐘間隔的RTS數(shù)據(jù)，即以1 100元年通信費用便可以實現(xiàn)遠海的雙GNSS融合的實時精密單點定位，其三維的定位精度可達0.3～0.4 m；以2 200元年通信費用則可以實現(xiàn)4個GNSS系統(tǒng)融合的實時精密單點定位，其三維定位精度可以達到0.1～0.2 m。本文提出的方案不僅成本低廉，而且有利于普及民用，進而促進北斗產業(yè)的發(fā)展。