北斗系统双模网络实时动态差分法组合定位性能初探

李成钢，罗小军，王长委，石晓春，刘文建

（1.广东省国土资源测绘院，广州 510500；2.西南交通大学，成都 600031；3.华南农业大学，广州 510061）

1 引言

随着我国北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system，BDS）的迅速发展，如何基于北斗系统广域或区域连续运行参考站系统（continuously operating reference stations，CORS），为中国及周边大部分地区提供面向行业和大众应用的实时分米级和厘米级位置服务，成为目前北斗系统研究和应用的热点。北斗系统多模多频载波实时动态差分法（real－time kinematic，RTK）技术的相关研究和应用表明，北斗系统具有与全球定位导航系统（global positioning system，GPS）同等级的厘米级实时定位性能，逐步进入成熟应用期［1-2］。但在网络RTK（Network RTK或 NRTK）领域，由于缺乏北斗系统CORS系统等地面增强基础设施支持，测绘、国土、水利及重大工程（如高铁）等厘米级甚至毫米级精确定位领域仍只能采用原有 GPS 虚 拟 参 考 站 （virtual reference station，VRS）等技术［3-4］。因此采用类似于 GPS系统建立北斗系统兼容连续运行参考站系统，基于BDS多模网络RTK定位服务，开展性能测试，掌握BDS多模网络RTK组合定位的精度、灵敏度和定位速度等关键指标情况，对提高北斗系统高精度实时定位性能显得极为重要。

本文首先主要提出了一种基于Ntrip的BDS多模网络RTK组合定位服务的实现方法，通过数据实时分流和并行服务设计，基于惠州市北斗系统CORS示范系统（HZBCORS），实现了双中心并行模式下的BDS/GPS双模网络RTK定位服务。该服务提供了BDS多模网络RTK定位技术性能测试所需GPS、BDS和BDS/GPS双模三种网络RTK服务。开展科学试验，以GPS为参考目标，对BDS双模网络RTK组合定位性能进行定量比对分析，通过均匀分布的11个网络RTK野外测试样本对试验BDS双模CORS网络下的网络RTK定位精度和初始化效率指标进行定量评估。

2 基于Ntrip的BDS多模网络RTK服务

2.1 总体设计

Ntrip（Networked Transport of RTCM via Internet Protocol）协议是一种基于超文本传输协议HTTP/1.1的应用层协议，支持大规模用户（如数千）并发访问和数据传输，是国际通用的全球卫星导 航 系 统 （global navigation satellite system，GNSS）实时数据互联网远程传输标准［5］。以广东省连续运行卫星服务系统为例（如图1），基于Ntrip的常规CORS网络RTK服务系统结构包括服务端（Ntrip Server）、播发端（Ntrip Caster）和客户端（Ntrip Client）三部分，CORS系统内包括RTCM、RTCA、RINEX格式在内的各类实时数据均采用Ntrip架构进行数据传输与服务分发设计，流动站用户通过获取CORS系统提供的各类服务对应的的资源列表（Source－table），并确保其对应的挂载点（Mount Point）的唯一性，采用本地加载和远程索取两种方式，实现网络RTK定位［6］。

图1 基于Ntrip的CORS网络RTK服务系统结构

如图2，现有CORS系统提供BDS多模网络RTK服务可以采用以下两种更新升级模式：

（1）单中心模式

如图2（a），建立一个Ntrip Server直接实现BDS/GPS双模参考站系统组合网络RTK服务，包 括 GPS NRTK，BDS NRTK 及 BDS/GPS NRTK，原有GPS CORS系统网络RTK服务停止工作。单中心模式是对原有GPS CORS系统软硬件设施和服务的一种全面替代更新的升级模式，需要将参考站接收机和天线、计算中心处理软件等均更换为BDS兼容系统［7-9］。随着BDSCORS系统的不断完善，单中心模式将成为未来BDS多模网络RTK服务的主要模式。以下为如图2（a）某单中心模式GPS NRTK，BDS NRTK及BDS/GPS NRTK三种服务所对应Ntrip资源列表的主要内容设计实例：

（2）双中心并行模式

在目前大部分CORS系统仍采用GPS Ntrip Server提供网络RTK服务，而BDS多模网络RTK定位技术仍未得到充分验证的情况下，单中心模式显然难以满足应用需求。基于此，本文提出了双中心并行的BDS多模RTK更新升级模式。

如图2（b），双中心并行模式是在不影响原有GPS NRTK服务的前提下，通过硬件数据实时分流和并行服务设计，首先提供GPS NRTK backup服务，用于提高原有GPS网络RTK服务完备性。同时提供BDS NRTK和BDS/GPS NRTK服务，并采用统一的Ntrip Caster，向用户提供并发式BDS多模网络RTK服务。

图2 基于Ntrip的并发式BDS多模网络RTK服务

采用双中心模式GPS，BDS及BDS/GPS三种NRTK服务所对应Ntrip资源列表可采用如下设计：

说明：其中RTCM＿GPSBU为GPS NRTK的备份服务：

双中心并行模式设计采用兼容性设计最大限度的利用现有CORS系统的参考站设备、网络通讯设备和计算中心软硬件设施，流动站用户采用标准的网络RTK定位流程，只需要采用BDS兼容RTK设备，即可获得具有服务备份的并行式BDS双模组合网络RTK服务，具有更强的可行性和系统完备性，是目前BDSCORS系统更新升级，实现BDS双模组合网络RTK定位服务较优方案。

2.2 BDS/GPS双模CORS系统更新升级的实现

如图2（b）中，采用双中心模式进行BDS多模CORS系统更新升级时，为满足两套NTrip服务并行服务的需要，进行BDS多模天线信号分流工作，实现BDS多模CORS数据实时分流。如图3，采用功率分配器（简称功分器，Power divider），安装在BDS多模天线后端，利用功分器一路输入信号能量，两路或多路信号输出的能力，将BDS多模天线接收到的信号一分为二，一路进入GPS接收机保证现有GDCORS的正常运行，另一路进入BDS多模接收机，供新的BDS多模NTrip服务器系统使用，且信号分流后的功率损耗不能影响BDS和GPS信号的质量。

图3 数据分流实际测试图

本文对Trimble Zephyr 2天线数据分流前后，三款国产BDS双模接收机设备的观测数据可用性进行了测试，测试时长120h，采样历元1s，截止高度角10°，结果如表1所示。

表1 数据分流前后数据质量测试表

测试结果表明，采用数据分流技术后，包括GPS和BDS数据可用性和多路径指标（MP）均无明显变化，信号分流对GNSS的信号观测质量基本不产生影响，但不同型号接收机对BDS兼容天线的接收表现出的指标具有一定差异。

2.3 BDS双模网络RTK并行服务的实现

对惠州市GPS连续运行参考站系统（HZCORS）进行了BDS双模CORS系统更新升级。由于HZCORS系统主要采用Trimble Zephyr Geodetic II天线，兼容BDS信号，因此仅在GDLM、BLGT、HZGT、GTGT基准站等4处未安装BDS兼容天线的参考站位置更换BDS兼容天线，并采用数据实时分流和双中心模式建立了BDS双模CORS试验网。参考站网参考站分布及联网运行图如图4所示，最长站间距离98km（GDLM－GTGT），平均距离约52km。

图4 BDS/GPS双模CORS试验示意图

3 BDS双模网络RTK性能测试

3.1 试验基本情况

如图5所示，网络RTK野外性能试验主要选择惠州市东部 YHGT（永汉）、GDLM（龙门）、BLGT（博罗）、HZHZ（湖镇）基站站形成的四边形区域内，测区范围约1 200km2。野外网络RTK测试点11个，测试时间为2013－07－01—02。每个测试点依次采用Trimble NetRS接收机进行GPS RTK、采用司南M300BDS双模接收机进行BDS RTK和BDS/GPS双模RTK共三种模式的初始化时间和定位精度测试。初始化时间和精度测试三种模式各测试4个时段。其中精度测试每组120历元，共480历元，采样历元1s。

图5 测试区域及测试点分布

3.2 卫星通视条件分析

已有BDS卫星可视情况仿真研究表明，对于亚太地区的观测者，BDS卫星星座可视条件比GPS系统更好［4，10］。对网络RTK野外试验期间实际GPS、BDS和BDS/GPS双模三种情况下的卫星通视条件的可见卫星数量和平均几何精度衰减因子（geometric dilution of precision，GDOP）进行统计，如表2所示。

表2 卫星通视条件统计表

如表2，整个试验阶段，BDS卫星数量及GDOP指标均优于GPS，可见卫星数量提高28%，GDOP值下降8%，且随时段波动小，表现更为稳定。BDS/GPS双模观测通视条件远高于单GPS系统，可见卫星数量提高1.5倍，GDOP值下降44%，观测条件的大幅提高对动态定位的初始化和精度性能提高会有极大促进作用［9］。

3.3 初始化效率分析

如表3和图6所示，GPS、BDS和BDS/GPS双模网络RTK定位初始化最大时间分别为60s、30s和20s，平均初始化时间分别为30.9s、13.6s和10.4s。BDS和BDS/GPS双模网络RTK定位初始化时间与单独GPS系统RTK定位相比，分别减少56%和66%，初始化效率有显著提升。

3.4 网络RTK组合定位精度测试

将各测试点4h的静态观测数据和周边4个CORS站联合静态后处理结果作为外符合参考值，将每个测试点4个时段的平均值作为定位精度测试值，各测试点网络RTK组合定位精度结果及均值（Mean）、标准差（Std）、最大偏差（Max）等指标如表4所示。

表3 BDS双模网络RTK组合定位初始化时间

图6 网络RTK定位组合定位模式初始化时间差异柱状图/s

表4 BDS双模网络RTK组合定位精度测试结果

如表4和图7所示，各测试点三种模式的NRTK定位精度主要保持平面1～2cm，高程3～4cm水平，且相比于GPS，BDS和BDS/GPS双模NRTK在定位精度上没有表现出显著提高，基本保持同一精度水平。这同时也表明，BDS和BDS/GPS双模NRTK技术已具备在国内和亚太地区进行高精度定位服务的能力。

图7 网络RTK定位模式平面及高程定位精度差异柱状图/cm

4 结束语

本文利用惠州市GPS CORS系统进行了BDS双模CORS更新升级试验，采用基于Ntrip的双中心并行模式设计和数据实时分流技术，实现了包括GPS、BDS、BDS/GPS双模三种网络RTK组合定位服务的区域覆盖。BDS双模CORS试验网建设表明，双中心并行模式相比单中心模式对于原有CORS系统软硬件设备和服务，具有更好的利用效率，同时具有很好的系统完备性，是目前BDSCORS系统更新升级并实现BDS双模组合网络RTK定位服务的可行方案。

野外网络RTK定位性能测试结果表明，与GPS相比，BDS网络RTK定位在初始化时间方面提高56%，在定位精度方面基本达到相同水平；BDS/GPS双模网络RTK定位的可见卫星数量提高1.5倍、GDOP值下降44%、初始化时间减少66%、定位精度水平也达到3～4cm水平。这表明BDS网络RTK定位已具有与GPS同样满足应用的技术性能，而BDS/GPS双模网络RTK定位因为具有更强的卫星观测条件和环境适应性，将在城市、山区等在高精度动态测绘领域发挥巨大的潜力，得到广泛应用。

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