星基增强系统“中国精度”与CORS网的对比分析

郭四清，张 丁

（1.广州思拓力测绘科技有限公司，广东 广州 510670）

星基增强系统“中国精度”与CORS网的对比分析

郭四清1，张 丁1

（1.广州思拓力测绘科技有限公司，广东 广州 510670）

随着“数字城市”建设的进行，CORS网已经成为城市空间数据基础设施的重要组成部分，在高精度测量和位置服务中起到越来越重要的作用；而GNSS广域差分星基增强系统却没有得到快速的发展和大量的应用，普及范围远远不够。在此背景下，介绍了中国首套GNSS广域差分星基增强系统“中国精度”，并对比分析了“中国精度”（Atlas）与CORS的差异与协作等。

Atlas；中国精度；CORS；广域差分星基增强系统；星链续航

从1999年深圳第一套CORS网开始建设，到现在全国大部分省市CORS网络基本建成，特别是北斗时代的到来，各地新建和改建的北斗地基增强系统已经非常普遍；同时，基于全球数据的星基增强系统也在快速发展中。这样的两个体系，从工作原理、使用范围和便利程度，以及它们共同协作等方面，给我们的工作和应用带来了巨大的变化。

1 两个系统的差异

从工作原理上来看，这两个系统的工作方式有很大的差异。

1）CORS网地基增强是采用CORS站的数据，利用“相关性”来求解构网，模拟一个区域内的GNSS信号和电离层、对流层的模型。对m级需求的位置服务，整个区域作RTD的数据输出；对于cm级的高精度测绘需求，系统会根据用户的单点定位位置，输出一个虚拟的基站数据，用户端接收机再和这个虚拟基站作“相关性”解算，得到cm级的高精度结果。这种服务对通信互联网有较高的要求，整个数据交流都依赖于当地的公网信号，在一些山区会有一定困难。

2）星基增强系统是利用全球布局的CORS站，通过数据通信网络到星基增强数据中心，计算出3类广域差分修正值，即每一颗GNSS卫星的星历改正、钟差改正和电离层时间延迟改正等参数，然后通过数据通信网络将这些差分信息上传到专用的通信卫星，通过L波段向地面传输，在客户端终端接收该信号。根据相同的数据服务和接收机自身的数据，全球可实现m级、dm级、cm级的定位精度，这种服务对于山区、荒漠、海洋等没有公网通信信号的区域，是非常有价值的。同时，由于有了“星链续航”功能与区域CORS网的配合，使得高精度需求的客户彻底脱离了信号不良的状态，可以更高效地进行工作。

2 GNSS广域差分星基增强系统概述

2.1 系统构成

以“中国精度”Atlas为例，GNSS广域差分星基增强系统由一个主控站（数据中心）、一个星链播发站（数据转发站）、多个GNSS卫星跟踪站（又称基准站或地面参考站）和监测站、相应的数据通信网络和若干个用户站组成，如图1所示。

图1 “中国精度”系统构成

1）数据中心。系统中最关键的是数据中心，通过数据通信网络接收各跟踪站传输的GNSS观测数据和电离层时间延迟改正值，计算出3类广域差分修正值，然后通过数据通信网络将这些差分信息传输给差分信息播发站。

2）星链播发系统。由于广域差分星基增强系统要求覆盖面广、传输的信息量大，数据中心传输和播发站向用户站的差分信息传播，须选用长波、卫星通信。所以，数据通信具有数据量大、速度快、通信距离长、覆盖面大等特点，目前大都是采用国际海事卫星通信系统（INMARSAT）。

3）卫星跟踪站。跟踪站的任务是将其原始观测数据、气象数据和当地电离层时间延迟改正等各类数据实时地或准实时地传输至数据中心。

4）用户站。用户站是用户测量时使用的GNSS接收机，需要有能够接收L波段信号的能力和内置算法，能够用广域星基增强信号计算高精度单点位置。

2.2 系统的工作流程

广域差分星基增强系统的工作流程为：

1）在已知精确地心坐标的若干个地面参考站上，跟踪接收GNSS卫星的广播星历、伪距、载波相位等信息；

2）将跟踪站所获得的信息，通过数据通信网络传输至数据计算中心；

3）计算出相对于卫星广播星历的卫星轨道误差改正、卫星钟差改正及电离层时间延迟改正；

4）将广域差分改正信息值通过数据转发站传输至地球同步卫星，该同步卫星以L1或L-band为载波，将上述差分改正信息当作导航电文传输至用户站；

5）用户站利用这些改正值的计算来改善GPS导航定位精度。

2.3 系统特点

1）由于数据传输链采用GPS L1或L-band载波频率，因此用户GPS接收机可以直接接收到广域增强差分系统的差分改正信息，无需外加通信链。

2）同步卫星信号的实时传输能力强，而且可以覆盖很大的区域，从而较好地解决主控站与播发站、播发站与用户站之间的数据传输问题。

2.4 系统发展现状

全球已经建立起了多个广域差分星基增强系统，建设比较早也比较完善的是美国WAAS系统。欧盟、澳大利亚、日本、印度和中国等国家也都陆续建立了自己的卫星导航增强系统[1]，如欧盟的EGNOS[2]、俄罗斯的SDCM、日本的MSAS以及印度的GAGAN，还有商用的星基增强系统OmniStar、Terrastar等。中国在2015-06-15发布了国内首个广域差分星基增强系统——“中国精度”，国际命名为Atlas。

“中国精度”是覆盖全球运营的星基增强服务系统[3]，GNSS用户无需架设基准站，即可在全球任一地点任意时刻，体验从亚m级、dm级到cm级不同层级的高精度定位增强服务。“中国精度”是目前行业内最灵活的高精度服务系统，通过L-band卫星或者Internet网络播发，为用户提供不同精度层级的增强服务。“中国精度”采用分布于全球的近200个地面参考站，L-band卫星可覆盖南纬75°至北纬75°，覆盖全球所有陆地区域，同时Internet网络播发方式可覆盖全球，如图2所示。

“中国精度”在中国大陆信号非常好，服务方式非常灵活。近几年，所有的客户都可以享受“免费”的信号服务，这是国际上，高精度cm级服务中唯一的一家。中国自有的全球星基增强系统的出现，打破了国外的垄断，为中国卫星导航工业的发展和北斗走向世界，迈出了坚实的一步。

图2 “中国精度”信号覆盖范围

3 广域差分星基增强系统与CORS的对比分析

3.1 系统构成的不同

CORS可以定义为一个或若干个固定的、连续运行的GNSS参考站，是利用现代计算机、数据通信和互联网（LAN/WAN）技术组成的网络[4]，一般由基准站网、数据处理中心、数据传输系统、定位导航数据播发系统、用户应用系统等部分构成，可以由省级或某测绘单位自己建设。

广域差分星基增强系统构成见§2.1，系统要求有较好的软硬件和高效率的通信设备，需要租用卫星服务，因此投资、运行和维护费用相对来说比较高。

3.2 技术原理和精度的不同

GNSS广域差分技术的基本思想是对GNSS观测量的误差源加以区分，并对每一个误差源分别加以“模型化”[5]，然后将计算出的每个误差源的误差修正值（差分改正值），通过数据通信链传输给用户，对用户GNSS接收机的观测值误差加以改正，以达到降低这些误差源的影响，改善用户GNSS定位精度的目的。它削弱了基准站和用户站之间对时空“相关性”的要求，是利用广域差分数据的“直接定位”。

区域CORS网技术是在一定区域内建立多个连续运行参考站，对该地区构成网状覆盖[6]，以区域内的CORS物理站或者虚拟参考站相对于用户终端作“相关性”结算，因为距离较近，收敛时间和精度都优于广域差分系统。

在北美、日本等国家都有免费的信号，现在的“中国精度”已经覆盖到全球，在中国大陆提供免费的信号。“中国精度”目前有3个层次的服务：Atlas、Atlas L1、Atlas local。3个都提供颠覆性的精度和开放式的合作经营模式，但是精度对应不同的客户群：Atlas为有高精度需求的客户提供0.1 m定位精度；Atlas L1为有中低等精确度要求的客户提供亚m级定位服务；Atlas Local通过卫星接收播发RTK信号，为客户提供cm级精度定位服务。

“中国精度”的硬件产品，支持各种接收机GNSS多功能智能定位终端，支持GPS、GLONASS、BeiDou；可播发标准RTCM“中国精度”差分数据。

3.3 工作方式和覆盖范围的差异

1）广域差分星基增强系统解决了对GSMGPRS公共网络和Internet的依赖，直接从卫星L波段播发，满足在无人区、远海地区的差分需求。除了通过L波段播发外，还具有网络服务器接入端口。而CORS则完全依赖GSMGPRSInternet向用户传输数据，若网络覆盖不到或网络信号出现问题，则无法高精度作业。

2）广域差分星基增强系统的地面观测站的间距比区域CORS站大很多，是从宏观上去计算卫星的误差。系统的作用覆盖区域可以扩展到全球，覆盖一些困难地区，如远洋、沙漠等[7]。而CORS系统一般要求基站间距在40～100 km之间，用户只有在网内（网外很小范围），才能保证cm级的精度。

3.4 收敛时间和精度情况

“中国精度”在广州、三沙、北京、青海、安徽、黑龙江、河南等地作了大量的测试工作，得到的收敛时间一般为20 min左右。表1为其中10次测试的结果。

表1 “中国精度”收敛时间

图3为测试之一，收敛时间为18 min；收敛后的精度一般为6～8 cm，其中一次测试结果如图4所示。

3.5 在实际应用中的优劣势分析

虽然“中国精度”此类星基增强系统具有良好的信号覆盖，可以不依赖通信公网，在山区、荒漠、海洋有较好的应用，在普通的地区也能达到5～12cm的精度，但收敛时间和精度，目前还是不能和区域CORS网相比，区域的CORS网可以达到2～5 cm，收敛速度也快得多。

图3 “中国精度”测试

“中国精度”在已建好CORS网、公网信号也很好的地区，是否没有应用意义呢？“中国精度”的一项特殊功能“星链续航”，彻底解决了这个问题，它能够使区域的CORS网和广域的星基增强系统相互弥补，如图5所示。

图4 “中国精度”误差图

图5 “星链续航”与CORS模式的差异

在CORS系统的工作模式下，由于需要作“相关性”解算，对差分数据的时效性要求非常高，当基站数据丢失或者CORS网的信号中断时，定位的解算虽然有一定的外推功能，但基本上都在几个历元后就发散了。在实际工作中，十几秒以后，精度基本上都在dm级甚至m级了。

“星链续航”把从“中国精度”卫星中得到的广域差分信号和利用“相关性”解算的算法结合起来，在丢失基站和CORS网的信号后，利用星基增强的信号来扩展“相关性”的外推时间，保持原有精度2～5 cm，长达30～40 min，这个时间内测量人员感觉不到基站数据的丢失或CORS网信号的中断。如果40 min后，信号还不能恢复，则精度回到广域星基增强的精度，这种珠联璧合的配合，是区域CORS技术和广域星基增强技术的完美结合。图6为测试人员在海南进行测试。

图6 测试人员海南测试

4 结 语

从目前已经较为成熟的CORS网技术发展到“中国精度”此类更加宏观的广域差分星基增强系统，提供位置服务的手段越来越多样化。“中国精度”的“星链续航”功能使得星基增强信号和区域CORS信号同时联手作用于接收机，在一定区域的工作中，几乎完全避免了高精度的丢失，提高了作业效率。

从本文中也可以看到，“中国精度”接收机的精度和收敛时间，在各地的测试中达到了预先设定的精度，由于星基增强信号是从卫星到接收机，可以不依赖公网信号，彻底解决了山区、荒漠、海洋等地区没有公网信号的难题，给用户端带来了非常简便的工作方式。“中国精度”接收机在各种位置服务，特别是高精度定位中，应用简便、高效，应该在更多的领域发挥更大的作用，“中国精度”在应急测绘、全球测图、一路一带工作中，应该大力推广。

[1] 宋炜琳,谭述森.WAAS技术现状与发展[J].无线电工程,2007(6)∶1-3

[2] 徐桢,刘强.卫星导航区域增强系统的应用与发展[C]//第三届中国智能交通年会论文集.南京∶东南大学出版社,2007

[3] Leiphone.首个国产星基增强服务系统“中国精度”正式提供服 务[EB/OL].http∶//www.gisempire. com/news/343.html, 2015-06-20/2016-03-01

[4] 李斌.深度探讨应用GPS CORS技术的测量方法[J].科技资讯,2010(4)∶7

[5] 冯贵年,杨久龙.广域差分GPS系统和广域差分增强系统[C]//中国空间科学学会.中国空间科学学会空间探测专业委员会第十七次学术会议论文集.北京∶中国空间科学学会,2004

[6] 丁玉平,许友清.区域CORS系统的定位精度分析[J].测绘通报,2011(3)∶86-88

[7] 杨怀春.星站差分GPS定位技术介绍[J].物探装备,2004(3)∶198-201

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10.3969/j.issn.1672-4623.2016.05.001

郭四清，广州思拓力测绘科技有限公司董事长，主要研究方向为GNSS高精度装备的研制。

2016-04-13。