基于北斗卫星导航系统的远距离海洋工程高精度定位技术

刘 宏，万立健，陆亚英

(上海达华测绘有限公司，上海 200136)

基于北斗卫星导航系统的远距离海洋工程高精度定位技术

刘 宏，万立健，陆亚英

(上海达华测绘有限公司，上海 200136)

随着远距离海洋工程项目的不断展开，对北斗高精度的定位需求越来越迫切，而远海地区常规地基增强建设及差分传输方式无法实施。为解决远海北斗高精度定位的难题，本文采用北斗卫星导航系统(BDS)的短报文功能进行精密单点定位误差改正数的播发，向观测用北斗卫星终端发送精度较高的卫星钟误差、星历误差改正值，实现了北斗卫星改正信息的远程传输，传输距离被大大拓展，不再受地域的限制，并大大提高了北斗系统定位精度，为北斗技术在海洋工程中的应用拓展了空间。

北斗卫星；差分播发；远距离；海洋工程；高精度定位

目前我国的测绘、国土、城建、规划、水利等行业及国家一些重大工程建设，需要厘米级甚至更高的精确定位，大多采用GPS的基准站差分定位技术。一旦GPS停止服务，这些行业和工程将陷入混乱或停顿。随着中国自主研发、独立运行的北斗导航卫星系统开始覆盖亚太地区，北斗的应用越来越广泛。然而，目前因北斗卫星数量、地面增强系统[1-2]建立不完善，北斗卫星的单点定位精度都在10 m以上，无法满足测绘、工程施工等方面的高精度定位要求，特别在远离陆地的海洋区域，受地域及环境限制，常规的基站和差分传输与接收方式、许多陆地上可以解决的方案无法实施。

本文通过研究依托北斗卫星导航系统(BeiDou Satellite Navigation System,BDS)的信息发送与接收功能[3]进行精密单点定位[4]误差改正数的播发，以及制定北斗差分标准协议，向观测用北斗卫星终端发送精度较高的卫星钟误差、星历误差(轨道误差)改正值，实现亚分米乃至厘米级的高精度北斗实时定位，以满足日益增长的远距离海洋工程项目定位需求。

1 系统组成及流程

1.1 参考站系统

参考站系统由硬件、软件两部分组成。硬件由BDS/GPS双系统接收机、电脑、BeiDou短报文发报机及网络系统组成。软件由IGU轨道下载软件、通信软件和改正数生成软件组成。

需要实现的功能为从网络下载IGU轨道数据、接收实时观测数据、实时计算观测值改正数、实时计算星历改正数和计算结果格式转换与播发。

1.2 用户站系统

用户站系统由硬件、软件两部分组成。硬件由BDS+GPS双系统接收机、电脑、BeiDou短报文接收机及网络系统组成。软件由精密单点定位软件、通信软件和计算结果显示系统组成。

需要实现的功能为接收实时观测数据、实时进行点定位、接收改正数数据和定位结果显示。

1.3 数据处理流程

总体数据处理流程如图1所示。

(1) 基准站输入：观测数据，IGU超快速轨道，广播星历，求取轨道修正信息，求取快速星历相对于广播星历的改正数。

(2) 计算基准站修正信息改正数及基准站宽巷模糊度信息。

(3) 将上述基准站综合信息编码为RTCM格式，通过北斗卫星播发给用户。

(4) 移动站输入：基准站综合信息，观测数据，广播星历。

(5) 进行精密单点定位。

图1 数据处理总体流程

2 关键技术

本系统的关键技术由岸基数据处理、岸基改正数与星历播发和移动端快速定位3部分组成。

2.1 岸基数据处理技术

2.1.1 基于多频多模实时数据的基准站轨道修正信息及压缩解码

建立专业的北斗数据下载及处理平台，使用IGS的SP3精密星历文件进行处理。需要编制FTP程序，通过Internet远程连接 IGS 精密星历下载 FTP 服务器，从而实时下载所需文件，并存储下来。目前，市场成熟的用户端专业接收机，如Trimble、南方、华测等厂商的用户端设备，均可以接收到多模多频的(GPS和BDS)数据，或直接实施主板级别的终端研发，实现接收机原始格式数据流与RTCM数据流的解码编码。利用蓝牙、WiFi等通信技术，从网络获取单基准站点发布的PPP数据服务，同时实现实时解码和优化。

2.1.2 超快速精密星历IGU自动下载与更新、精密星历轨道改正数求解

IGS 发布的精密星历数据[5]主要有3种：最终精密星历(IGS)、快速精密星历(IGR)、超快速精密星历(IGU)，表1具体给出各种星历产品的精度和实时性等参数。

表1 IGS精密星历产品

由表1可以看出，IGS 最终精密星历和快速精密星历的精度虽然比超快速精密星历高，但是其滞后时间无法满足实时精密定位的要求。超快速星历可以实时获取，且轨道精度较高，包含预测部分，可以很好地满足实时性与精度的要求。

考虑到远距离海域无法获取超快速精密星历，需要将基站实时获取的超快速精密星历相对于广播星历的改正数发送给用户站。基站与流动站之间数据传输靠接收机短报文技术，数据传输量有限，因此要对数据进行压缩[6]。

2.2 岸基改正数播发技术

将岸基平台解算的GPS/BDS综合改正信息编码为自定义的格式[7]，用北斗卫星短报文功能播发给用户站。

IGU精密轨道采用切比雪夫多项式拟合，将拟合参数以指定格式通过基于北斗卫星短报文通信功能实时获取由基站播发的IGU轨道改正数，拟改正数的传输频率：拟合参数的传输可以每几个小时传输一次；通过岸基的精确预报推算，可提前将相关参数发送至北斗测量终端，实现实时的精密定位。

轨道改正数的格式规定如下，范例如图2所示：发送内容为预报星历与广播星历坐标之差，可以每2 h发送一次，为节省传输空间省略了空格、小数点及回车，数据为正时负号也可省略。利用北斗指挥机对使用中的观测设备发送的码和相位的基站差观测值修正信息及基站的宽巷模糊度信息播发观测值改正数，观测值改正数的格式范例如图3所示。

图2 星历改正数格式

图3 观测值改正数格式

假设一组坐标使用2 h，用户将在收到坐标改正数后对自己使用广播星历计算的坐标进行改正。北斗数据传输时，单张北斗卡每次传输的数据包最大为78.5 B，每颗卫星的坐标改正数参数最大约116 B，15颗GPS卫星即为1740 B(1.7 KB)，需要22个数据包[8]，按照集成32张卡的指挥机2.35 KB/min的传输速率，即需要传输的最大时间约43 s；64张卡的指挥机4.85 KB/min的传输速率，最大时间约20 s。

2.3 移动终端定位技术

用户端的数据处理[9]主要包括GNSS多系统数据的预处理、误差改正、实时动态定位处理模型和算法。

2.3.1 数据预处理

对于GNSS数据，首先要进行数据的质量检查和粗差探测，删除粗差数据及无钟差无轨道的数据；数据的预处理主要包括周跳探测和修复。周跳探测的好坏直接影响定位精度，常采用TurboEdit算法、电离层残差法、多项式拟合等多种方法综合探测周跳。在周跳出现的历元，通常采用增加新的模糊度参数来解决。

2.3.2 实时动态精密单点定位

对于GNSS多系统下的实时动态精密单点定位[10]功能，主要采用无电离层组合的PPP观测模型进行定位解算，其流程如图4所示。

图4 动态定位流程

2.3.3 实时精密单点定位软件模块的实现

实时动态定位模块的设计和实现是用户端定位服务的重要研究内容。考虑到不同功能模块的独立性、人机交互的灵活性及对程序运算效率等方面的要求，采用C#/C++语言在VS2008、 VS2010等多个编程平台下进行联合开发，并对功能模块组进行独立化开发，主要开发的独立模块有数据接收模块、数据时间匹配模块、解算模块和输出模块。

3 系统测试

3.1 短基线试验与持续性分析

短基线测试在上海市内进行，测试时间总时长781.5 h，基线长平均50 km，收敛时间平均需350历元，收敛稳定后平面N、E两个方向的平均定位精度为3 cm，高程U方向为8 cm，如图5所示。系统最长持续运行时间超过一月，具有较好的持续运行能力，在短基线试验中达到了厘米级的定位精度。

图5 短基线N、E、U 3个方向误差

3.2 长基线静态试验

静态长时间测试，主要分析定位结果随时间的波动变化情况。基准站：达华01；流动站设置三组：盐城大丰港、射阳港、连云港，基线长度分别为234、303、420 km，采样间隔1 s。其中大丰港运行 23 h，运行过程中无特殊状况，初始收敛时间为350历元，定位精度N方向8 cm，E方向14 cm，U方向13 cm；射阳港运行28.6 h，收敛后的内符合精度为N方向6.5 cm，E方向11 cm，U方向15.6 cm；连云港运行26 h，收敛后内符合精度为N方向9 cm，E方向16 cm，U方向17 cm(如图6所示)。

图6 长基线N、E、U 3个方向误差

平面定位稳定后定位误差在0.2 m以内，满足高精度定位要求。对于较长基线(400 km左右)，本程序的定位结果所受影响不大，依旧能满足远距离海洋工程要求。

3.3 长基线动态试验

长基线动态测试时，流动站不再固定，利用星站差分设备、天宝RTK设备作为参考，检核软件在长基线定位中可以达到的外符合精度。

3.3.1 陆上RTK动态比对

测试地点与基站距离约250 km，将天宝RTK设备与本系统设备安置在一辆商务车上，随后驾驶商务车以船行速度(约20～30 km/h)沿一条公路移动，最后比较两套设备各自解算出的轨迹差异，从而体现本系统的定位质量。以RTK的结果作为参考，本系统的动态定位外符合精度为N方向4.71 cm、E方向3.33 cm，符合预期目标(如图7所示)。

图7 RTK与本系统陆上轨迹对比

3.3.2 海上星站差分动态比对

测试地点与基站距离约300 km，将星站差分设备与本系统设备安置在一艘施工船上，随后使施工船尽量沿一条直线移动，最后比较两套设备各自解算出的轨迹差异，从而体现本系统的定位质量。由两套系统解算出的各自位置坐标反算出的船只每秒运行轨迹的差异基本在9 cm以内。如图8所示，若认为星站差分的结果为真值，则本系统平面精度N方向13 cm，E方向14 cm。

图8 星站差分与本系统海上轨迹对比

基于北斗卫星的远海高精度定位系统经过测试，符合项目预期的各项要求，包括平面定位精度在0.2 m以内，收敛时间10 min。同时，本系统运行稳定，能够在海上的环境中长时间提供高质量的定位服务。

4 结 语

本文利用北斗卫星短报文通信技术实现了北斗卫星改正信息的远程传输，传输距离被大大拓展，不再受地域的限制，只要能够收到北斗卫星的地方都可以收到岸基平台传来的相关PPP改正数。常用的北斗卫星系统的平面单点定位精度大约为10 m，在无法建立地基增强系统的远海地区，通过本项研究将系统的定位精度提高到20 cm以内，满足了远距离海洋工程精确定位需要。

相比于传统差分定位，本算法完全采用PPP作业模式，作业简单，但可以获取差分定位精度；传统PPP定位对模糊度采取不固定浮点解模式，但是本文算法在获取基准站修正信息后，快速固定流动站模糊度，快速获取高精度定位结果。

目前，利用BDS传输北斗卫星测量定位所需的、准确的卫星轨道参数、钟差、UDP等方面的研究，国内外鲜有报道，具有一定先进性。本系统的应用范围并不局限于海上定位，在陆上大范围的导航定位、沙漠等其他通信不便区域都值得推广应用。

[1] 陈伏州. 关于我国北斗地基增强系统发展的思考[J].数字通信世界，2013(8)：24-27.

[2] 耿永超，胡耀坤，梁绍一. 基于北斗的地基增强系统试验性能分析[C]∥2015年第六届中国卫星导航学术年会论文集.西安：[s.n.]，2016.

[3] 何嗣隆，叶方舟，王远飞.北斗RDSS在海洋工程数据传输中的应用[J].华东师范大学学报，2014(4):173-179.

[4] 李进禄．精密单点定位技术应用浅析[J]．测绘与空间地理信息，2009，32(3):180-182.

[5] 徐贤青，李东强.关于GPS精密单点定位(PPP)技术的精度探讨[J].测绘与空间地理信息，2012,35(10):100-102.

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[7] 缪袁泉，丁琪，胡知斌.基于北斗短报文功能的疏浚船舶数据传输系统设计[J].中国港湾建设，2014(10):53-56.

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[10] 叶达忠.GPS精密单点定位PPP原理、测试及应用[J].广西水利水电，2007(1):24-26.

High Precision Positioning Technology for Long Distance Ocean Engineering Based on BeiDou Satellite Navigation System

LIU Hong，WAN Lijian，LU Yaying

(Shanghai Dahua Surveying & Mapping Co. Ltd., Shanghai 200136， China)

With the development of long distance ocean engineering project, high precision positioning of BeiDou satellite is greatly needed, the conventional ground based augmentation system and differential transmission can not be implemented in far away sea area. To solve the problem of BeiDou high precision positioning, BeiDou satellite system with short message function is used to broadcast precise point positioning error correction. By sending the observed correction of satellite clock error and ephemeris error of high precision to BeiDou satellite terminal, the remote transmission of the BeiDou satellite correction information is realized, the transmission distance is greatly expanded, no longer subject to geographical restrictions. The positioning accuracy of the BeiDou system is greatly improved, and the application of BeiDou technology in ocean engineering is expanded.

BeiDou satellites; differential broadcast; long distance; ocean engineering; high precision positioning

刘宏，万立健，陆亚英.基于北斗卫星导航系统的远距离海洋工程高精度定位技术[J].测绘通报，2017(5)：62-66.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0155.

2017-01-06

上海市经济和信息化委员会产业转型升级发展专项资金(SX-ZXSJ-01-2015-06)

刘 宏(1980—)，男，硕士，高级工程师，主要从事测绘专业工作。E-mail：liuhong188@126.com

P228

A

0494-0911(2017)05-0062-05