河池市北斗高精度位置與導(dǎo)航平臺的建設(shè)及其精度測試

摘要：河池市已完成衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)北斗三號設(shè)備升級改造，并搭建了河池市北斗高精度位置與導(dǎo)航平臺，為區(qū)域內(nèi)用戶提供北斗三號系統(tǒng)的高精度實(shí)時定位服務(wù)。文章介紹了該平臺的系統(tǒng)功能，并對升級完成后的北斗三號系統(tǒng)開展定位精度分析以及定位服務(wù)時效性、時間可用性和空間可用性等方面的測試。測試結(jié)果表明：升級后的北斗三號系統(tǒng)在河池地區(qū)展現(xiàn)出良好的定位精度和定位時效性，定位的內(nèi)符合精度由±1.20 cm減小到±0.87 cm，外符合精度由±2.18 cm減小到±1.74 cm，能夠滿足實(shí)時厘米級RTK（實(shí)時動態(tài)差分定位）定位需求。

關(guān)鍵詞：北斗三號；高精度定位；導(dǎo)航平臺；精度測試

中圖分類號：P228" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）07-0088-05

0 引言

隨著北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的全面建成，全國各級自然資源主管部門相繼開展北斗三號系統(tǒng)的升級與改造工作，以助力北斗產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，滿足國家和地方社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對高精度、實(shí)時定位服務(wù)的迫切需求。2021年以來，廣東、湖南、湖北、遼寧、江蘇等省份已陸續(xù)完成基于北斗三號的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)設(shè)備的升級與改造［1-5］。其中：葉遠(yuǎn)斌等［1］研究北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)服務(wù)國產(chǎn)化平臺的搭建，利用基于虛擬基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)的社會化基準(zhǔn)服務(wù)技術(shù)，建成了基于北斗三號的廣東省基準(zhǔn)服務(wù)平臺；龍靖雯等［2］提出從基準(zhǔn)站和數(shù)據(jù)中心的軟件和硬件基礎(chǔ)設(shè)施、用戶管理系統(tǒng)與運(yùn)維系統(tǒng)開發(fā)以及基準(zhǔn)站空間布局規(guī)劃等方面，對湖南省北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站進(jìn)行北斗應(yīng)用升級改造；林曉靜等［3］針對湖北省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，提出了全網(wǎng)軟件和硬件的升級與改造，以實(shí)現(xiàn)對北斗三號衛(wèi)星的兼容。在此背景下，廣西壯族自治區(qū)自然資源廳于2022年完成了河池市內(nèi)14座衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站的北斗三號設(shè)備升級，實(shí)現(xiàn)了北斗三號厘米級高精度定位服務(wù)在全市范圍內(nèi)的全面覆蓋，并在2023年建立了河池市北斗高精度位置與導(dǎo)航平臺。本文對河池市北斗高精度位置與導(dǎo)航平臺系統(tǒng)的各項(xiàng)性能進(jìn)行測試，旨在分析北斗三號系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的定位效果與性能表現(xiàn)。

1 系統(tǒng)介紹

河池市北斗高精度位置與導(dǎo)航平臺是一個以計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、地理信息系統(tǒng)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)等技術(shù)為支撐，以WebService服務(wù)的方式對大地測量基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效管理和服務(wù)的信息系統(tǒng)。該平臺分為前端對外服務(wù)平臺和后端數(shù)據(jù)處理服務(wù)平臺。前端對外服務(wù)平臺以河池市衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)為基礎(chǔ)，通過單北斗衛(wèi)星系統(tǒng)或多衛(wèi)星系統(tǒng)聯(lián)合解算技術(shù)，提供厘米級高精度RTK（載波相位差分技術(shù)）、亞米級RTD（實(shí)時動態(tài)碼相位差分技術(shù)）實(shí)時定位服務(wù)和事后毫米級定位服務(wù)。用戶登錄前端平臺后，可申請CORS（連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)）賬號、靜態(tài)測量控制點(diǎn)解算、1985國家高程基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及相關(guān)查詢服務(wù)。后端數(shù)據(jù)處理服務(wù)平臺包含數(shù)據(jù)中心模塊和運(yùn)維管理模塊，運(yùn)維人員可通過運(yùn)維管理模塊對河池市北斗高精度基準(zhǔn)站網(wǎng)進(jìn)行日常維護(hù)和管理。河池市北斗高精度位置與導(dǎo)航平臺主要功能見表1。

表1 河池市北斗高精度位置與導(dǎo)航平臺主要功能

[功能 功能描述 數(shù)據(jù)

接入 支持以多種傳輸協(xié)議［MQTT（消息隊列遙測傳輸協(xié)議）、Ntrip（RTK數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議）、TCP/IP（傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議）、UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）等］通過光纖、無線專網(wǎng)以及公網(wǎng)等方式接入國家、行業(yè)等各類型基準(zhǔn)站的原始觀測數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)

預(yù)處理 支持對接入的原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過平臺內(nèi)部的測站預(yù)處理實(shí)現(xiàn)對參考站的實(shí)時數(shù)據(jù)質(zhì)檢，同時將每天的質(zhì)檢信息匯總并上傳至數(shù)據(jù)庫存儲 數(shù)據(jù)

存儲 支持原始二進(jìn)制、壓縮二進(jìn)制、標(biāo)準(zhǔn)RINEX2.x、RINEX3.x、壓縮RINEX等多種存儲格式，同步生成O文件和D文件（即星歷文件），亦可對數(shù)據(jù)文件進(jìn)行壓縮，兼容不同采樣率數(shù)據(jù)的存儲，允許自定義數(shù)據(jù)存儲路徑，支持遠(yuǎn)程批量修改基準(zhǔn)站接收機(jī)相關(guān)參數(shù)配置，并具備斷點(diǎn)續(xù)傳功能 數(shù)據(jù)

解算 具備全球五大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)［BDS（北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）、GPS（全球定位系統(tǒng)）、GLONASS（格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）、GALILEO（伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）、QZSS（日本準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)）］數(shù)據(jù)聯(lián)合解算及各系統(tǒng)自由組合解算的能力；支持北斗三號衛(wèi)星系統(tǒng)數(shù)據(jù)的解算，支持北斗B1c、B2a新頻點(diǎn) 站點(diǎn)

管理 支持在站點(diǎn)列表中展示以下信息：站點(diǎn)名、標(biāo)識名、基站啟停狀態(tài)、基站網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)、當(dāng)前數(shù)據(jù)歷元時間、數(shù)據(jù)齡期、觀測衛(wèi)星系統(tǒng)概覽（含各系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)）、數(shù)據(jù)類型、接收機(jī)型號、天線型號及天線高度等 用戶

服務(wù) 涵蓋電子圍欄管理，支持通過KML文件導(dǎo)入電子圍欄或選擇內(nèi)置行政區(qū)劃作為用戶登錄范圍限制；作業(yè)軌跡支持記錄每個CORS賬號的位置請求數(shù)據(jù)，存儲用戶作業(yè)位置信息和移動軌跡，并允許導(dǎo)出任意賬號的軌跡數(shù)據(jù)，支持用戶類別的分析與管理 ]

2 測試方法與精度評定

2.1 測試內(nèi)容與方法

2.1.1 定位精度測試

在河池市內(nèi)均勻選取33個已知坐標(biāo)的控制點(diǎn)進(jìn)行測試（見圖1）。采用同一套高精度測量設(shè)備，分別接入河池市北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)系統(tǒng)（以下簡稱BDS2.0系統(tǒng)）和河池市北斗三號高精度位置與導(dǎo)航平臺（以下簡稱BDS3.0系統(tǒng)），對選定的控制點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集，采樣間隔時間為1 s，連續(xù)觀測1 h。在作業(yè)期間，記錄每個測試點(diǎn)獲取固定解所需的時間、天線的高度、周邊觀測條件和天氣狀況。

2.1.2 系統(tǒng)可用性測試

系統(tǒng)可用性測試分為空間可用性測試和時間可用性測試。在確保安全的前提下，選取3條線路，分別按自西向東、自北向南及自西北向東南的方向進(jìn)行車載RTK動態(tài)測試，測試路徑（見圖1）覆蓋河池絕大部分區(qū)域，通過統(tǒng)計測試過程中的固定率評估系統(tǒng)的空間可用性。同時，在之前33個控制點(diǎn)采集的測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，連續(xù)觀測24 h，以此評估系統(tǒng)的時間可用性。

2.1.3 定位服務(wù)時效性測試

系統(tǒng)定位服務(wù)的時效性是指在用戶端執(zhí)行RTK流動測量時獲得固定解的初始化時間［6］。測試中以3 min為限，分別接入BDS2.0和BDS3.0兩個系統(tǒng)平臺，并從接入系統(tǒng)的瞬間開始計時，直至獲取固定解。若超過3 min仍未獲得固定解，則此次測試失敗。

2.2 精度評定方法

2.2.1 內(nèi)符合精度

在內(nèi)符合精度統(tǒng)計過程中，首先計算每一個測試點(diǎn)所有歷元測量值的平均值[l]，再將[l]與每一個歷元的測量值[li]進(jìn)行差值計算，依照以下公式分別計算系統(tǒng)各個坐標(biāo)方向的內(nèi)符合精度[σ]。其次，統(tǒng)計所有差值的分布情況，分析差值在不同區(qū)間分布的概率［7］。

[σ=±i=1nli?l2n?1。]" " " " " " " " " " " " "（1）

2.2.2 外符合精度

將每個測量值與對應(yīng)的已知坐標(biāo)值進(jìn)行求差運(yùn)算，統(tǒng)計分析所得的差值，根據(jù)以下公式計算測量值在x、y、h方向上的外符合精度［8］。

lt;C：＼Users＼Administrator＼Desktop＼2024 -7期（1-112）定＼Image＼image2.pdfgt;[τ=±[θθ]n，]" " " " " " " " " " " " " " （2）

其中：[τ]為外符合精度，反映測量的準(zhǔn)確性；[n]為測量值總數(shù)；[θ]為測量值與已知值的差值。

3 測試數(shù)據(jù)分析

3.1 定位精度分析

3.1.1 內(nèi)符合精度分析

為有效分析不同地區(qū)在BDS2.0與BDS3.0系統(tǒng)下的定位精度，采用同一臺RTK設(shè)備，分別接入BDS2.0系統(tǒng)和BDS3.0系統(tǒng)，對33個控制點(diǎn)進(jìn)行高精度坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集，每個控制點(diǎn)連續(xù)觀測1 h，采樣間隔時間為1 s。對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，BDS3.0系統(tǒng)和BDS2.0系統(tǒng)的內(nèi)符合精度統(tǒng)計圖分別見圖2和圖3。

由圖2和圖3可知，在BDS3.0系統(tǒng)下，各測試點(diǎn)的平面定位精度基本保持在±1 cm，優(yōu)于BDS2.0系統(tǒng)±1.5 cm的精度水平。同樣地，在高程方向上，BDS3.0系統(tǒng)的定位精度也優(yōu)于BDS2.0系統(tǒng)。整體上看，兩個系統(tǒng)均能滿足平面定位精度優(yōu)于±3 cm、高程定位精度優(yōu)于±5 cm的要求。而具體到河池地區(qū)，BDS3.0系統(tǒng)的內(nèi)符合定位精度整體上顯著優(yōu)于BDS2.0系統(tǒng)，其平面和高程方向的內(nèi)符合精度均優(yōu)于±2 cm，展現(xiàn)出更好的定位精度。

3.1.2 外符合精度分析

對比33個測試點(diǎn)的RTK測量結(jié)果與已知坐標(biāo)真值，進(jìn)行誤差分析，BDS3.0系統(tǒng)和BDS2.0系統(tǒng)的外符合精度統(tǒng)計結(jié)果分別見圖4和圖5。

從圖4和圖5可以看出，BDS3.0系統(tǒng)在平面方向的平均外符合精度為±1.37 cm，在高程方向則為±2.46 cm，這兩個數(shù)值均小于BDS2.0系統(tǒng)對應(yīng)的±1.69 cm和±3.15 cm。在覆蓋河池市的11個地區(qū)進(jìn)行的實(shí)時定位精度測試中，所有地區(qū)均滿足平面±3 cm、高程±5 cm的精度要求。其中，在天峨縣和南丹縣，BDS3.0系統(tǒng)的定位精度明顯優(yōu)于BDS2.0系統(tǒng)；在宜州區(qū)、金城江區(qū)和羅城縣等地，兩個系統(tǒng)的定位精度相對接近，說明北斗三號系統(tǒng)的引入能有效提升北斗系統(tǒng)在邊遠(yuǎn)山區(qū)的定位精度。

3.2 系統(tǒng)可用性分析

3.2.1 空間可用性分析

為了分析北斗三號系統(tǒng)在河池地區(qū)的有效覆蓋范圍與性能表現(xiàn)，在河池市境內(nèi)按自西向東、自北向南和自西北向東南的方向選擇3條測試線路，采用統(tǒng)一的RTK設(shè)備，分別接入BDS2.0系統(tǒng)和BDS3.0系統(tǒng)進(jìn)行車載測試。具體線路如下：路線一為六寨鎮(zhèn)—南丹縣—金城江—都安縣；路線二為所略鄉(xiāng)—東蘭縣—金城江—羅城縣—小長安鎮(zhèn)；路線三為下老鄉(xiāng)—天峨縣—金城江—宜州區(qū)—三岔鎮(zhèn)。測試總里程約800 km，具體路線布局見圖1。測試完成后，分析兩個系統(tǒng)的定位結(jié)果，統(tǒng)計測試過程中獲取的固定解占比，空間可用性測試點(diǎn)定位解占比統(tǒng)計結(jié)果見表2，車載RTK動態(tài)測試固定率統(tǒng)計圖見圖6。

表2 空間可用性測試點(diǎn)固定解占比統(tǒng)計表

[路線 測試系統(tǒng) 采集點(diǎn)數(shù)（個） 固定點(diǎn)數(shù)（個） 固定率（%） 網(wǎng)外最遠(yuǎn)固定

解距離（km） 路線一 BDS3.0 7 502 7 405 98.71 55 BDS2.0 7 486 7 158 95.62 49 路線二 BDS3.0 10 514 10 411 99.02 57 BDS2.0 10 498 10 079 96.01 51 路線三 BDS3.0 20 632 20 396 98.85 63 BDS2.0 20 579 19 702 95.74 58 ]

由表2和圖6可知，在河池市北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)信號覆蓋范圍內(nèi)，BDS3.0系統(tǒng)在3條路線上的固定率均高于BDS2.0系統(tǒng)，具體表現(xiàn)為BDS3.0平均固定率達(dá)到98.86%，相較于BDS2.0的95.79%有顯著提升。在BDS3.0網(wǎng)外區(qū)域，BDS3.0最遠(yuǎn)能覆蓋63 k m，優(yōu)于BDS2.0的最大網(wǎng)外覆蓋距離（58 km）。綜上所述，BDS3.0系統(tǒng)的空間可用性整體略優(yōu)于BDS2.0系統(tǒng)。

3.2.2 時間可用性分析

為了進(jìn)一步測試BDS3.0系統(tǒng)的時間可用性，在33個測試點(diǎn)進(jìn)行24 h以上的數(shù)據(jù)采集，分析所得數(shù)據(jù)的固定解占比。BDS3.0系統(tǒng)時間可用性分析見表3。分析表3中的數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過24 h以上的監(jiān)測，33個測試點(diǎn)的數(shù)據(jù)固定解占比均在96%以上，其中宜州區(qū)、金城江區(qū)和羅城縣的固定解占比最高，天峨縣和南丹縣的固定解占比最低?？傮w而言，BDS3.0系統(tǒng)在河池市下轄的11個區(qū)縣均展現(xiàn)出良好的時間可用性。

3.3 定位服務(wù)時效性分析

為驗(yàn)證BDS3.0系統(tǒng)用戶服務(wù)的時效性和穩(wěn)定性，設(shè)計以下定位服務(wù)時效性測試流程。

（1）關(guān)閉移動端RTK設(shè)備的電源，以確保差分信息停止生成，隨后重新啟動設(shè)備。

（2）移動端RTK設(shè)備重啟后，接入預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)CORS賬號、IP地址及端口，記錄移動端設(shè)備從接入CORS網(wǎng)絡(luò)起直至第一次獲得固定解的時間，此時間即初始化時間。

（3）選取不同環(huán)境下的4個測試點(diǎn)，每個點(diǎn)進(jìn)行20次測試記錄，每次以3 min為限，初始化若超過3 min則視為測試失敗。

定位服務(wù)時效性初始化時間統(tǒng)計見表4。從表4可以看出，BDS3.0系統(tǒng)在針對每個測試點(diǎn)位的20次初始化時效性測試中，均成功實(shí)現(xiàn)了固定解的獲取，而相比之下，BDS2.0系統(tǒng)在有遮擋的條件下出現(xiàn)了固定失敗的情況，說明BDS3.0系統(tǒng)相較于BDS2.0系統(tǒng)更容易獲取固定解。從初始化時間看，BDS3.0的平均初始化時間明顯優(yōu)于BDS2.0，平均縮短時間約1 min，并且BDS3.0系統(tǒng)能夠在20 s內(nèi)快速獲取固定解，證明了BDS3.0系統(tǒng)在定位服務(wù)的時效性方面有了顯著提升。

4 結(jié)論

本文主要介紹了河池市北斗三號高精度位置與導(dǎo)航平臺的建設(shè)內(nèi)容，針對系統(tǒng)的定位精度、空間可用性、時間可用性及定位服務(wù)時效性進(jìn)行了測試，并結(jié)合BDS2.0系統(tǒng)進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明，河池市北斗高精度位置與導(dǎo)航平臺在完成北斗三號系統(tǒng)升級優(yōu)化后，定位精度和定位服務(wù)時效性有了明顯的提升，空間可用性略有改善?？傮w而言，BDS3.0系統(tǒng)整體展現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，可以滿足當(dāng)前社會化服務(wù)的需求。

5 參考文獻(xiàn)

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*廣西壯族自治區(qū)自然資源廳科技項(xiàng)目“大規(guī)模北斗基準(zhǔn)站網(wǎng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究及在自然資源領(lǐng)域中的應(yīng)用”（GXZC2022-C3-002462-JGJD）。

【作者簡介】梁小龍，男，廣西玉林人，工程師，研究方向：大地測量與衛(wèi)星導(dǎo)航；施波（通信作者），男，廣西欽州人，工程師，研究方向：大地測量與衛(wèi)星導(dǎo)航。

【引用本文】梁小龍，施波.河池市北斗高精度位置與導(dǎo)航平臺的建設(shè)及其精度測試［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2024（7）：88-92.