陜西北斗CORS系統(tǒng)高精度定位性能評(píng)估方法

王海濤 王 維 成夏葳 楊夢(mèng)佳 樊康堯

(1. 自然資源部大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理中心 陜西 西安 710054;2. 自然資源部第二地形測(cè)量隊(duì) 陜西 西安 710054)

0 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航定位連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(Conti-nuously Operating Reference Stations,CORS)能夠提供高精度、網(wǎng)格化、自動(dòng)化、快速、可靠、有效的位置信息服務(wù),廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)測(cè)繪、交通運(yùn)輸、環(huán)境監(jiān)測(cè)、地理信息更新和國(guó)土資源調(diào)查、災(zāi)害預(yù)警、氣象預(yù)報(bào)等[1-3]。隨著中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)-3完成全球組網(wǎng),與全球定位系統(tǒng)(global position-ing system,GPS)、格洛納斯衛(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GLONASS)、伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo satellite navigation system,GALILEO)共同組成全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS),CORS可以使用的衛(wèi)星星座和衛(wèi)星數(shù)的增加,提升了系統(tǒng)的固定率和穩(wěn)定性[4-6]。劉洋洋從解算策略角度評(píng)估了BDS-3的B1C/B2a雙頻實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)(real-time kinematic,RTK)的定位性能,模糊固定率優(yōu)于99%[7]。張亮通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析BDS/GPS組合相對(duì)于單GPS、BDS,在高高度角下依然能夠提供大于8顆可見衛(wèi)星數(shù),使得全天候連續(xù)高精度定位得到保證[8]。糜曉龍對(duì)BDS-3和GALILEO組合的RTK定位性能分析顯示BDS-3和GALILEO組合的RTK定位性能相對(duì)于單BDS-3和GALILEO在模糊度固定成功率和定位精度上都有10%以上的提升[9]。眾多學(xué)者研究北斗三號(hào)對(duì)RTK定位精度和收斂時(shí)間影響大部分是根據(jù)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)和測(cè)試站進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,表明BDS-3的加入定位精度具有明顯提高[10-12]。陜西北斗CORS系統(tǒng)通過(guò)軟硬件升級(jí),已全面支持BDS-3和其他GNSS衛(wèi)星系統(tǒng),本文基于陜西北斗CORS設(shè)計(jì)控制點(diǎn)測(cè)量和長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)量方案,同時(shí)對(duì)單北斗系統(tǒng)定位性能進(jìn)行測(cè)試分析,全面評(píng)估陜西北斗CORS定位性能和BDS-3對(duì)系統(tǒng)的影響,系統(tǒng)的評(píng)估方法可為系統(tǒng)運(yùn)行提供技術(shù)支持和運(yùn)維指導(dǎo)。

1 方案設(shè)計(jì)與概況

1.1 系統(tǒng)概況與資料

陜西省北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站系統(tǒng)簡(jiǎn)稱陜西北斗(SHX-BDCORS),共建設(shè)136座基準(zhǔn)站,已為多家企事業(yè)單位、行業(yè)部門和科研機(jī)構(gòu)提供了公益性、全天候、高精度實(shí)時(shí)位置服務(wù),極大提升了陜西省衛(wèi)星定位測(cè)量保障服務(wù)能力。2020年4月,系統(tǒng)完成軟硬件升級(jí),整網(wǎng)支持BDS-2、BDS-3衛(wèi)星信號(hào)的全部頻點(diǎn)(B1I、B1C、B2a、B2b、B3I),是我國(guó)首個(gè)支持全星座、全頻點(diǎn)、全北斗的高精度定位服務(wù)系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行初期布設(shè)4個(gè)測(cè)試點(diǎn),采集8 h靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù),靜態(tài)解算獲得高精度坐標(biāo),坐標(biāo)精度如表1所示,N、E方向精度在1 mm左右,U方向在8 mm以內(nèi)。

表1 靜態(tài)解算坐標(biāo)精度統(tǒng)計(jì) 單位：mm

1.2 評(píng)估方法

1.2.1 陜西北斗CORS系統(tǒng)定位性能評(píng)估方案

根據(jù)RTK使用場(chǎng)景,本研究設(shè)計(jì)2類測(cè)試方式,一類是控制點(diǎn)測(cè)試包括方案一、方案二、方案三(表2),另一類是連續(xù)性測(cè)試為方案四、方案五(表3),方案間比較可以分析系統(tǒng)不同采樣間隔、不同歷元數(shù)量、不同星座系統(tǒng)與不同CORS系統(tǒng)間差異,綜合評(píng)估陜西北斗CORS系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、易用性。

表2 控制點(diǎn)測(cè)試方案

表3 連續(xù)性測(cè)試方案

1.2.2單北斗系統(tǒng)定位性能評(píng)估方案

開闊環(huán)境使用天寶接R10收機(jī)在固定點(diǎn)位分別采用全星座系統(tǒng)、單BDS-2系統(tǒng)和單BDS-3系統(tǒng)連續(xù)采集多個(gè)測(cè)回和歷元坐標(biāo)成果,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.3 儀器與設(shè)置

根據(jù)規(guī)范中對(duì)儀器精度要求[13-14],選擇天寶R10接收機(jī),網(wǎng)絡(luò)RTK精度,水平±10 mm+0.5×D×10-6,高程±20 mm+0.5×D×10-6;南方極點(diǎn)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)精度,水平±8 mm+1×D×10-6,高程±15 mm+1×D×10-6,D為基線長(zhǎng)度,單位為毫米。采用三角支撐對(duì)中桿架設(shè)接收機(jī),根據(jù)方案要求進(jìn)行設(shè)置衛(wèi)星星座、采樣間隔,為了避免系統(tǒng)信號(hào)延遲和軟件初始化影響,操作斷開儀器與網(wǎng)絡(luò)RTK連接,實(shí)現(xiàn)測(cè)回間測(cè)量。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 陜西北斗CORS系統(tǒng)定位性能測(cè)試結(jié)果分析

2.1.1數(shù)據(jù)整理與不同采樣間隔分析

對(duì)方案一、二、三不同采樣間隔下各測(cè)回?cái)?shù)據(jù)整理分析,計(jì)算每測(cè)回坐標(biāo)平均值。根據(jù)規(guī)范要求[13],計(jì)算各測(cè)回間平均值較差最大值(3個(gè)測(cè)回中各方向最大值與最小值的差),如表4所示,在2 s、5 s、15 s測(cè)量間隔下,測(cè)回間N、E、U方向最大較差分別為1.6 cm、1.3 cm、3.4 cm均符合規(guī)范中各測(cè)回間平面和高程方向坐標(biāo)較差應(yīng)不大于4 cm的要求。3個(gè)測(cè)回的坐標(biāo)平均值作為最終測(cè)量坐標(biāo)結(jié)果。

表4 各方案不同采樣間隔測(cè)回間較差最大值統(tǒng)計(jì) 單位：cm

內(nèi)符合精度：內(nèi)符合精度是以估計(jì)最似然估值為比對(duì)基準(zhǔn),主要反映觀測(cè)值之間的離散度,即精密度,一般用標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)度量[15]。極差是測(cè)量中最大值與最小值的差,是測(cè)量坐標(biāo)序列中的最大波動(dòng)量。計(jì)算方案一、二、三不同采樣間隔下極差和標(biāo)準(zhǔn)差以及不同采樣間隔平均值間互差最大值,因篇幅原因,只列出方案一統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5和表6所示。陜西北斗CORS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTK性能設(shè)計(jì)指標(biāo)：內(nèi)符合精度平面≤3 cm,高程≤5 cm;外符合精度平面≤5 cm,高程≤10 cm。標(biāo)準(zhǔn)差顯示內(nèi)符合精度符合陜西北斗CORS系統(tǒng)性能指標(biāo)要求。平均值間較差最大值是2s、5s、15s間隔下N、E、U三個(gè)方向的平均值間最大差異值,可分析相同歷元數(shù),不同采樣間隔下的差值大小。根據(jù)方案一到方案三不同采樣間隔下N、E、U三個(gè)方向的標(biāo)準(zhǔn)差值分析,得到在3個(gè)測(cè)回,不同采樣間隔對(duì)坐標(biāo)精度的影響較小,無(wú)顯著差異和規(guī)律性,說(shuō)明采樣間隔對(duì)結(jié)果的影響較小。

表5 方案一不同采樣間隔下坐標(biāo)統(tǒng)計(jì) 單位：mm

表6 方案一2 s、5 s和15 s采樣間隔下坐標(biāo)平均值互差最大值 單位：mm

由各方案中不同采樣間隔標(biāo)準(zhǔn)差得出相同測(cè)回和歷元數(shù)下,水平N、E方向坐標(biāo)內(nèi)符合精度均達(dá)到毫米級(jí),由坐標(biāo)序列圖可以看出在水平方向波動(dòng)較小,結(jié)果穩(wěn)定。高程方向精度均在20 mm以內(nèi),相對(duì)水平方向精度稍低。水平方向極差在30 mm以內(nèi),高程方向最大極差74 mm,表明高程方向波動(dòng)較大,采用多歷元、多測(cè)回觀測(cè)可有效減少偶然誤差影響。

采集相同測(cè)回和歷元數(shù),采樣間隔越大則耗時(shí)越長(zhǎng),通過(guò)以上對(duì)比分析可知,在15 s的采樣間隔,耗時(shí)增加,但與精度提高并成正相關(guān)。比較不同采樣間隔下平均值間較差水平方向均在5 mm以內(nèi),高程方向均在11 mm以內(nèi),表明坐標(biāo)成果內(nèi)符合精度較好,結(jié)果可靠。根據(jù)規(guī)范[13]要求采樣間隔應(yīng)大于2 s,根據(jù)以上測(cè)試分析,表明采樣間隔設(shè)定在15 s內(nèi),在保證坐標(biāo)精度的情況下,適當(dāng)降低采樣間隔可以提高作業(yè)效率。

2.1.2歷元數(shù)量對(duì)坐標(biāo)結(jié)果影響

方案一與方案二采用相同儀器和設(shè)置及衛(wèi)星系統(tǒng),采集3個(gè)測(cè)回,方案一每測(cè)回30個(gè)歷元,方案二每測(cè)回60個(gè)歷元,對(duì)比分析2 s、5 s、15 s采樣間隔下90個(gè)歷元和180個(gè)歷元的差異(圖1),可分析不同采樣間隔和歷元數(shù)量對(duì)定位結(jié)果的影響。統(tǒng)計(jì)兩種方案在水平和高程方向標(biāo)準(zhǔn)差差異,表明當(dāng)90個(gè)歷元增加到180個(gè)歷元后部分點(diǎn)位的N、E、U方向測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差減小,說(shuō)明內(nèi)符合精度有所提升,但部分測(cè)點(diǎn)的某個(gè)方向標(biāo)準(zhǔn)差稍微增大,均在毫米級(jí),也符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求,表明當(dāng)觀測(cè)歷元達(dá)到一定數(shù)量時(shí),其精度與歷元增加數(shù)量不成正比關(guān)系。由平均值之差得到坐標(biāo)間差異水平方向在1.5 cm以內(nèi),高程方向在2 cm以內(nèi)。綜上,在實(shí)際測(cè)量中我們根據(jù)規(guī)范進(jìn)行控制測(cè)量時(shí)應(yīng)不少于20個(gè)歷元,測(cè)量間隔大于2 s。

圖1 方案一中CHJ2點(diǎn)不同采樣間隔下N、E、U方向坐標(biāo)變化

2.1.3不同星座組合定位結(jié)果分析

方案一采用三星系統(tǒng)(GPS+GLO+BDS),方案三采用雙星系統(tǒng)(GPS+BDS),比較分析三星系統(tǒng)與雙星系統(tǒng)的定位結(jié)果精度和差異。統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差和平均值差異如表7所示。由標(biāo)準(zhǔn)差之差可以看出雙星系統(tǒng)與三星系統(tǒng)在相同的觀測(cè)歷元和采樣間隔下坐標(biāo)精度相差較小,水平方向最大為3.7 mm,高程方向最大為7.7 mm,均在毫米級(jí),說(shuō)明雙星系統(tǒng)與三星系統(tǒng)的測(cè)量精度相當(dāng),差異較小,測(cè)量過(guò)程中接收機(jī)顯示接收使用的GOLNASS系統(tǒng)衛(wèi)星只有3～4顆,其對(duì)整體精度貢獻(xiàn)較小。比較平均值之差水平方向最大差值為18.4 mm,高程方向?yàn)?5.4 mm,其差異也符合規(guī)范要求和系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。說(shuō)明系統(tǒng)在雙星系統(tǒng)時(shí)也可以穩(wěn)定運(yùn)行并測(cè)得可靠坐標(biāo)成果。

表7 方案一與方案三標(biāo)準(zhǔn)差之差統(tǒng)計(jì)表 單位：mm

2.1.4與高精度靜態(tài)成果比較分析

將方案一、二、三中不同采樣間隔的坐標(biāo)平均值與靜態(tài)解算成果比較,顯示各點(diǎn)在N、E方向差異均小于4 cm,U方向均小于7 cm,外符合精度符合陜西北斗CORS設(shè)計(jì)精度指標(biāo)要求。由于已知點(diǎn)的外業(yè)觀測(cè)是在2019年完成距本次測(cè)試已有2年時(shí)間,點(diǎn)位采用簡(jiǎn)單的釘子標(biāo)志,總體上各點(diǎn)位的外符合精度良好,具有一定的參考意義。

2.1.5不同CORS系統(tǒng)間比較

采用南方極點(diǎn)接收機(jī)在CHJ4點(diǎn)分別連接陜西北斗CORS系統(tǒng)和中國(guó)移動(dòng)CORS系統(tǒng)連續(xù)觀測(cè),設(shè)置采樣間隔1 s,理論上20 min可采集1200個(gè)歷元,實(shí)際存在歷元丟失情況,連接SHX-BDCORS賬號(hào)需要1211 s采集完成,連接中國(guó)移動(dòng)CORS賬號(hào)需要1217 s采集完成。比較分析中國(guó)移動(dòng)CORS與陜西北斗CORS成果差異和坐標(biāo)時(shí)間序列波動(dòng)以及易用性和可靠性。

對(duì)1200個(gè)歷元坐標(biāo),計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差、平均值與靜態(tài)解算成果對(duì)比,如表8所示,水平方向差異較小,高程方向平均值之差13.6 mm,高程方向采用SHX-BDCORS測(cè)量結(jié)果更接近靜態(tài)解算成果。從標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)看水平方向精度都達(dá)到毫米級(jí),高程方向均小于10 mm,中國(guó)移動(dòng)CORS測(cè)得的坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差較小,坐標(biāo)序列穩(wěn)定。測(cè)量過(guò)程中,南方極點(diǎn)接收機(jī)的手簿會(huì)因信號(hào)延遲超限停止采集數(shù)據(jù),延遲達(dá)標(biāo)后,繼續(xù)采集數(shù)據(jù),結(jié)合其存在歷元缺失現(xiàn)象,推測(cè)在觀測(cè)過(guò)程中接收機(jī)會(huì)通過(guò)對(duì)信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)來(lái)保證觀測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定與可靠。

表8 坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差與平均值之差統(tǒng)計(jì) 單位：mm

2.1.6長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)結(jié)果分析

采用南方極點(diǎn)接收機(jī)連接中國(guó)移動(dòng)CORS全星座賬號(hào),天寶R10接收機(jī)連接陜西北斗CORS三星系統(tǒng),同時(shí)在空曠的樓頂連續(xù)觀測(cè)12 h以上,采樣間隔1 s,分析在同等環(huán)境下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量的系統(tǒng)穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)采集見表9。

表9 數(shù)據(jù)采集情況

南方極點(diǎn)接收機(jī)的采集率只有92%存在明顯的歷元缺失,缺失時(shí)長(zhǎng)最大13 s,同時(shí)存在1 s采集2個(gè)數(shù)據(jù)情況。天寶R10接收機(jī)采集率達(dá)到99%,不存在1 s采集多個(gè)數(shù)據(jù)情況,說(shuō)明陜西北斗CORS系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。由各方向標(biāo)準(zhǔn)差和極差來(lái)看(表10),南方極點(diǎn)接收機(jī)連接中國(guó)移動(dòng)CORS優(yōu)于天寶R10接收機(jī)連接陜西北斗CORS。

表10 極差和標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì) 單位：mm

2.2 單北斗系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

開闊環(huán)境下在固定點(diǎn)位分別使用陜西北斗CORS系統(tǒng)的3星座系統(tǒng)、單BDS-2和單BDS-3系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。分析歷元坐標(biāo)序列顯示：?jiǎn)蜝DS-3系統(tǒng)與3星座系統(tǒng)在N、E方向定位精度相當(dāng),在U方向的精度略低,但較單BDS-2系統(tǒng)在U方向提升30%～40%。如圖2所示。在復(fù)雜困難觀測(cè)環(huán)境下,BDS-2系統(tǒng)無(wú)法單獨(dú)定位的區(qū)域,加入BDS-3可以獲取固定解,同時(shí)也能提升3星系統(tǒng)下定位能力,但單BDS-3系統(tǒng)的固定時(shí)間明顯大于3星座系統(tǒng)。

圖2 單BDS-3系統(tǒng)下坐標(biāo)變化圖

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)控制點(diǎn)測(cè)量、連續(xù)測(cè)量、單北斗系統(tǒng)測(cè)試等多種方案,結(jié)合已有資料和規(guī)范要求,對(duì)結(jié)果綜合分析得出以下結(jié)論：

(1)陜西北斗CORS系統(tǒng)定位性能穩(wěn)定,結(jié)果可靠,使用方便,在實(shí)際測(cè)量中我們根據(jù)規(guī)范要求,進(jìn)行控制測(cè)量時(shí)應(yīng)不少于20個(gè)歷元,測(cè)量間隔大于2 s,既可得到符合要求的成果。

(2)陜西北斗CORS雙星系統(tǒng)與3星系統(tǒng),固定解下均可獲得可靠穩(wěn)定的坐標(biāo)成果。單BDS-3系統(tǒng)與現(xiàn)行的3星系統(tǒng)進(jìn)行RTK測(cè)量平面定位精度相當(dāng),高程方向精度略低,但相較于單BDS-2系統(tǒng)在高程方向精度具有明顯提升。

(3)中國(guó)移動(dòng)CORS系統(tǒng)與陜西北斗CORS系統(tǒng)測(cè)量精度相當(dāng),SHX-BDCORS測(cè)量結(jié)果與靜態(tài)解算成果差異較小,在陜西省內(nèi)開展測(cè)繪作業(yè),建議使用陜西北斗CORS系統(tǒng)。