兼容BDS的HNCORS升级测试分析

华亮春，宣 勇，尹昊华，敖敏思，陈春花

(湖南省测绘科技研究所，长沙 410007)

兼容BDS的HNCORS升级测试分析

华亮春，宣 勇，尹昊华，敖敏思，陈春花

(湖南省测绘科技研究所，长沙 410007)

为了全面、有效地评估湖南省连续运行基准站系统兼容BDS升级后的性能，提出软硬件相结合、内外业相结合的方法，利用对比分析和时空分析等手段，从兼容性、稳定性、用户固定比例、定位精度、时空可用性等方面进行测试分析。结果表明：升级后的系统兼容各类主流设备，监控功能更加完善，观测数据更加丰富，用户体验有所提升；RTK平面和高程定位精度能够满足设计要求；初始化时间有显著提升，在覆盖湖南省的基础上能一定程度地覆盖临近省份；此外，BDS的引入能解决某些特殊环境下的定位问题。

湖南省连续运行基准站；北斗卫星导航系统；测试分析；实时动态定位

0 引言

测试分析是连续运行基准站(continuously operating reference stations，CORS)建设工作的重要组成部分[1]。湖南省连续运行基准站网(Hunan CORS，HNCORS)[2-3]于2014年启动二期工程及兼容北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system，BDS)升级建设。不同于湖北、四川建设BDS地基增强系统[4-5]，HNCORS引入Trimble方案替换了原有部分设备，同时新建17个基准站。升级后HNCORS拥有122个基准站(85个兼容BDS)，实现Spider(v5.2.1)、Pivot(v3.5.8)2套系统(简称为升级前、后系统)并行服务，在国内率先使用Pivot系统向用户提供兼容BDS的实时动态定位(real-time kinematic，RTK)差分改正信息。对升级后的HNCORS进行系统、全面的测试分析已成为用户和学者关注的热点，具有重要的研究和实践意义。

江苏、江西等省级CORS或实验室结合自身特点组织了测试分析[6-8]，尤其是定位精度测试。顾及HNCORS兼容BDS、双系统并行、下午易受电离层扰动影响等特点，依据“软硬件相结合、内外业相结合、对比分析相结合、时空分析相结合”的原则设计了测试方案。测试过程中，升级前、后系统对比，双星(包括美国的全球定位系统(global positioning system，GPS)卫星、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(global navigation satellite system，GLONASS)卫星)与三星(包括GPS卫星、GLONASS卫星及BDS卫星)定位对比以及时空对比分析是本测试的特点。

1 测试方案

测试分内业系统和外业流动站测试，如图1所示。

图1中：内业系统测试分基准站兼容性、系统稳定性、系统监控功能、卫星观测数据和用户固定比例5方面；外业流动站测试包括定位精度、流动站兼容性、时间可用性、初始化时间以及空间可用性5方面。

1.1 内业系统测试

内业系统测试包括：

1)基准站兼容性测试是测试系统对接收机及数据格式的兼容性，分别将HNCORS使用的Leica和Trimble各7个站接收机、6种实时数据流格式接入升级前、后2个系统测试。

2)稳定性测试目的是检测系统在一段时期内是否出现非人为因素故障：在2个服务器上部署升级前后的系统，接入基准站后向用户提供服务，记录测试期运行情况。

3)监控功能测试是对比2套系统的状态监控功能，含概况、网络性能、站点性能、用户状态及其他5方面，通过设计子功能和指标进行评估。

4)卫星数据测试对实时数据及质量进行分析，分别将5个Leica和Trimble基准站接入升级前、后系统，从有效率、可见卫星、解算卫星、信噪比等方面进行对比。

5)用户固定比例测试是通过分析系统固定用户占总用户之比，评估系统RTK服务能力，通过分别部署2套系统，引导用户使用其双星和三星源节点，记录1周内固定用户数量并统计分析。

1.2 外业流动站测试

外业流动站测试包括：

1)定位精度测试包括内、外符合精度测试。内符合精度是测试一段时间内，定位结果的离散程度。一般内符合精度越高，定位结果就越可靠和稳定。外符合精度测试RTK定位坐标与控制点实际坐标间的差异。一般外符合精度越高，定位结果与实际坐标就越一致。

2)流动站兼容性测试检测主流RTK设备接入HNCORS的兼容性。

3)时间可用性测试包括：固定位置可用性和下午时段测试。前者通过长时间连续观测检验网络RTK差分改正数据的稳定性。后者检测下午时段，升级后系统受电离层扰动影响的现象是否有所改善。

4)初始化时间测试通过记录流动站接入HNCORS系统到获得固定解的时间，测试流动站RTK定位效率。

5)空间可用性测试包括空间分布综合测试和特殊观测环境测试。前者测试系统是否在全省范围内都可用；后者测试在遮挡和有干扰等特殊观测条件下，升级前、后RTK的定位效果。

前4项测试整合进行综合外业数据采集，空间可用性测试单独采集数据。综合外业数据采集根据纬度划分在3个典型测试区域，共选择28个C级GPS点作测试点。每个测试点分为上、下午时段，分别利用3台设备连接升级前双星、升级后双星和三星源节点进行3次RTK测量，记录坐标、初始化时间等信息。最终，每个测点获得分时段、仪器、源节点的162个坐标值和54个初始化时间数据用于统计分析。空间可用性测试中，空间分布综合测试直接利用系统模块对某时段内全省范围用户分布特征进行统计；特殊环境测试通过在长沙市选择具有典型意义的特殊观测环境(如房角、树下等)采集数据进行分析。

2 测试及结果分析

2.1 内业测试2.1.1 基准站兼容性测试

接收机接入测试分别接入了CSKC、XTYL等14个基准站，包含HNCORS的2款接收机(Leica GR10和Trimble NETR9)、3类基准站(国家站、省级站和共享的长株潭CORS站)、2类网络(气象、电信专线)。测试结果表明，14个基准站均能完好地接入升级前系统；由于受第三方接入许可限制，其中 2个Leica基准站暂无法接入升级后系统。

2.1.2 系统稳定性测试

2个月稳定性测试期内，升级前系统一直稳定运行。升级后系统则在2015-07-01 T 07：59：59世界协调时进行闰秒后，因未能及时下载和更新相关表文件，导致出现部分用户无法固定，随后通过手动更新表文件解决。总体而言，2套系统均能有效和稳定运行。

2.1.3 系统监视功能测试

系统监控功能测试划分为整体概况、网络性能、站点性能、用户实时状态以及扩展功能等5个子项目，如图2所示。

图2所示的整体概况展示上，升级前后系统均能展示概况但风格不同。升级后系统在概况中显示卫星解算信息，而升级前系统不显示，均支持地图叠加但功能均不够完善。网络性能监视上，升级后系统可显示基准站时延；基准站性能监视上，均能实现各项指标监视。升级后系统支持曲线、柱状图等展示方式，其基准站位移监测功能，可用于评估基准站自身的稳定性。用户状态监视方面，位置监控、时间监控和精度监控指标上升级前后系统无显著差别；轨迹监视和统计分析方面，升级前系统均不提供相应功能，而在升级后系统中，采用独立的模块来实现该功能。在扩展监控方面，升级后系统以功能包形式提供电离层、对流层以及星历的监控功能。

2.1.4 卫星数据测试

数据有效率上，升级前系统平均有效率数值略高于升级后系统，主因是其对数据有效率定义不同。一方面，前者仅将数据是否完整作为有效率的评估依据；后者则考虑了数据的质量，低质量数据均未算作有效数据；另一方面，由于部分BDS卫星观测值的质量略低，影响了升级后系统数据的整体有效率。可见卫星数量方面，因升级前系统为固件不兼容BDS，在系统中BDS仍为可见，升级前后的系统可见卫星数量完全相同，均包含GPS、GLONASS和BDS；但在参与解算的卫星数量上，升级后系统参与解算的卫星数量比升级前双星系统多出7至8颗BDS卫星，较升级前系统增加46.3 %。共有卫星的信噪比等数据则2套系统相同。

2.1.5 用户固定比例测试

一星期的测试期内通过引导，用户分别使用升级前双星、升级后双星和三星源节点，用户固定比例如表1所示。

表1中：固定比例上升级前双星、升级后双星和三星源节点综合固定比分别为41.2 %、69.0 %和64.1 %。升级前、后综合固定比分别为41.2 %和68.6 %，提升比例达66.0 %。时段上，上午固定比分别为48.5 %、76.4 %和61.1 %，升级后有明显提升；下午综合固定比例由30.8 %上升至61.6 %，提升幅度达106 %，可认为下午作业效果受限的现象得到了改善。整个测试过程中，自主选择升级前双星、升级后双星和三星源节点的比例分别为占13.4 %、80.4 %和6.2 %，说明用户更偏好于升级后的双星源节点。

表1 用户固定比例测试结果

2.2 外业测试

2.2.1 定位精度测试

28个测试点的外业测试数据中各点的内、外符合误差如图3所示。

图3(a)和图3(b)分别为内符合和外符合误差曲线。其中，平面内符合误差中3个源节点x、y和z方向平均值分别为1.16、1.29和2.21 cm，1.03、1.19和2.42 cm，1.16、1.60和2.89 cm。外符合误差中3个源节点平均值分别为1.45、1.74和3.82 cm，1.40、1.94和3.72 cm，1.42、2.12和4.70 cm。从整体上看，平面xy方向上精度基本一致，垂直方向较水平方向略低，符合卫星定位的特征。3个源节点的情况如图4所示。

图4中，升级后系统较原系统有一定的提升，但并不显著，可以认为处于同一水平。这种提升可能缘于后者对VRS算法的改进。而升级后系统的三星和双星源节点之间精度水平基本一致。在高程内符合和平面外符合测试中，三星源节点精度略低于双星，可能缘于升级后系统选星算法设计仍以GPS和GLONASS卫星为主。

2.2.2 流动站兼容性测试

流动站兼容性测试涉及Trimble R10、Leica GNSS15、中海达iRTK、南方S86、华测i60、中海达V90、司南T300共7款RTK设备，均能在接入升级前后的系统后实现快速定位。

2.2.3 时间可用性测试

固定位置上的时间可用性测试表明，升级后系统在常规作业时间都能获得固定解。为进一步了解升级后系统在下午作业的效果，结合外业综合测试的数据，对下午时段的固定时间进行统计，结果如表2所示。

表2 下午时段RTK定位固定时间测试统计

表2中：升级后双星与三星源节点固定时间相差较小，90 %以上在0～20 s内固定；三星比双星源节点略长，可能源于搜星时间更长。升级前双星系统固定时间主要分布在20～60 s间，比其他源节点长，其原因可能是主辅站技术[9-11]在组网上或对收敛程度的要求更高，使迭代时间更长；而VRS算法在组网和模型构建方面更适应湖南地区电离层和对流层的变化。

2.2.4 初始化时间测试

3个源节点上各测试点的平均初始化时间如图5所示。

图5中，初始化时间大于60 s的统计值被认为无法固定已予以剔除。其中，接入升级后双星、

三星和升级前双星源节点的平均固定时间分别为7.4、8.7和20.5 s。因此，升级后的系统在固定时间上优于升级前系统，其原因可能是升级后的VRS算法在网络站点选择以及收敛评价的策略上更加符合湖南地区的实际情况。

2.2.5 空间可用性测试

综合空间测试结果中，选取2016-02-29—2016-03-02的9：00—10：00之间升级后的系统在线用户情况进行统计。上述时段内，平均在线用户超过每天200人，固定比例持续在72 %～75 %之间，在湖南省122个县、区中均有正常用户作业，比例达100 %。值得注意的是，有用户出现在了江西省宜春市和贵州省铜仁市，说明HNCORS的信号甚至覆盖湖南省周边省市。

在特殊环境测试中，分别选择了树木遮挡、房屋遮挡、江边以及高压线下4种特殊环境。首先将RTK天线由远至近逐渐靠近遮挡源，分别连接3个源节点。若某个源节点在3 min内未固定则认定为无法固定。当源节点固定情况不一致时，引入全站仪对固定的位置进行验证。绝大部分情况下(墙角、河边和高压线下)，3个源节点均可取得固定解，且坐标差异为mm级。存在差异的情况为树下，在南方向，升级前源节点在3 min内未固定，而升级后三星源节点则实现固定，说明三星源节点在极端观测环境条件下，存在获得固定解的可能。

3 结束语

针对HNCORS兼容BDS升级建设的需求和目标，本研究设计了“硬件软件相结合、内业外业相结合、对比分析相结合、时空分析相结合”的测试分析方案。测试结果表明，升级后的系统具备兼容各类主流设备的能力，监控功能更加完善，观测数据更加丰富，用户体验有所提升。同时，RTK平面和高程定位精度分别为2.6和4.7 cm，较理想地满足了设计要求；初始化时间有显著提升，在覆盖湖南省的基础上能一定程度地覆盖临近省份。此外，BDS的引入能解决某些特殊环境下的定位问题。

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Tests and analysis on upgraded BDS-compatible HNCORS network

HUALiangchun，XUANYong，YINHaohua，AOMinsi，CHENChunhua

(Hunan Institute of Geomatics Sciences and Technology，Changsha 410007，China)

In order to evaluate the performance of upgraded BDS-compatible HNCORS network，the paper proposed a schedule which combines software with hardware，indoor with field work，uses the approaches of comparative analysis and spatial-temporal analysis，and tests from the aspects of site compatibility，system reliability，monitoring function，satellite observations，fixed user ratio，positioning precision，rover compatibility，initialization time，time-spatial availability and so on.Result showed that the upgraded system could update user experience by compatible to the most popular terminal equipments，comprehensive monitoring functions and rich satellite observations；the positioning precision of RTK on horizontal and vertical directions could meet the design requirements well；the initialization time could be improved largely，thus it could not only cover Hunan province but also the nearby districts to some extent；moreover，the introduction of BDS could help the positioning performance under some special environments.

HNCORS；BeiDou satellite system；tests and analysis；real-time kinematic

2016-10-18

国家自然科学基金项目(41371335)；中国测绘科学研究院基本业务费项目；湖南省国土资源厅科技计划项目(201511)。

华亮春(1977—)，男，湖南衡南人，硕士，教授级高工，研究方向为3S集成及其应用。

敖敏思(1985—)，男，湖南湘潭人，博士后，高级工程师，研究方向为GNSS技术及其应用。

华亮春，宣勇，尹昊华，等.兼容BDS的HNCORS升级测试分析[J].导航定位学报，2017，5(3)：62-66,71.(HUA Liangchun，XUAN Yong，YIN Haohua，et al.Tests and analysis on upgraded BDS-compatible HNCORS network[J].Journal of Navigation and Positioning，2017，5(3)：62-66,71.)

10.16547/j.cnki.10-1096.20170313.

P228

A

2095-4999(2017)03-0062-06