北斗地基增强系统测试及精度分析

杨建科,莫懦

(南宁市勘察测绘地理信息院,广西 南宁 530022)

0　引　言

北斗卫星导航系统(BDS)是我国自行研制的全球卫星定位与通信系统,是继GPS和GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统,由空间段、地面段和用户段组成[1-2]。北斗地基增强系统,通过北斗卫星导航系统卫星信号增强,改善导航卫星的几何分布,增加可见卫星数,削弱卫星定位误差影响,保障了RTK定位的可靠度与稳定性,提高了连续运行参考站网络系统(简称CORS)的可用性。

南宁北斗地基增强系统项目,通过升级改造已有5个连续运行的地面基准站,新建4个基准站,建设1个控制中心,形成覆盖面积达6 900 km2兼容BDS/GPS/GLONASS的三系统多频多模北斗地基增强系统,系统采用虚拟参考站技术(VRS)技术进行动态服务。本文对该系统进行相关的测试与数据分析,总结低纬度地区的实验数据,以利于其他类似项目的借鉴和参考。

1　南宁北斗地基增强系统测试

2014年底建成南宁北斗地基增强系统,系统包括9个基准站、1个控制中心、数据通信系统与用户子系统,基准站间最长距离117.928 km,最短距离30.212 km,平均间距55.5 km,本文主要对系统的RTK定位精度、时间可用性、空间可用性以及系统覆盖范围进行测试。

1.1　系统RTK定位精度及时间可用性测试

测试目的:得到系统实时RTK定位精度;得到系统服务的空间范围及其时间可用性。

在系统覆盖区域及周边选择有坐标的已知点,进行RTK实时动态测试。采用三角架设站,

数据采样率为1 s.记录不同仪器在检测点上获得固定解的时间、卫星数、坐标值,统计内符合精度和外符合精度。

1) 空旷环境下

以徕卡系统GPS导航接收机进行数据观测和处理。观测时间为2014年8月22日13:04:02至2014-8-23 13:04:01,理论观测值个数应为86 400个。精度统计如下:

a) 平面收敛精度设为3 cm的观测值平面内符合精度计算

与平均位置较差距离小于等于2倍中误差即6 cm的观测值70 914个,占测试时间的81.14%,70 914个较差计算平面位置中误差为±0.013 m.

b) 大地高收敛精度为5 cm的大地高内符合精度计算

与大地高平均值较差绝对值小于等于2倍收敛中误差即的观测值为69 841个,占测试时间的 79.92%,这69 841个较差计算大地高中误差内符合精度为±0.024 m.

联系人: 杨建科 E-mail: 1021632944@qq.com

同时满足与平均位置较差距离小于等于2倍中误差即6 cm,与大地高平均值较差绝对值小于等于2倍收敛中误差即0.1 m的观测值为69459个,占测试时间的79.48%.

2) 隐蔽环境下

定义:本文的隐蔽环境定义为GPS接收机180°范围内,卫星截止高度角90°以下有障碍物的环境。为测试北斗地基增强系统对作业范围可用性的优化情况,在某村选取搜星环境比较恶劣的测点(测点一边紧靠两层楼房),进网络RTK测试。

测试时间:2014-10-27日5:00:11至28日4:59:38.

1.2　站间距设计之加密站点区域效果测试

通过加密参考站点应对低纬度地区的南宁区域电离层影响,是本项目提高网络RTK的时间可用性的重要方法。随着参考站间距离的增加,空间环境特别是电离层的变化,致使参考站间模糊度固定难度不断加大,空间相关误差区域模型精度亦逐渐降低[3],项目开展了加密站点区域时间可用效果测试,为以后的扩建改造提供技术依据。

关于参考站相邻间平均边长《卫星定位城市测量规范》CJJ/T73-2010给出的是40 km,《全球导航系统连续运行参考站网技术规范》GB/T28588-2012认为厘米级实时定位精度要求参考站间平均距离≤70 km.日本GPS连续应变监测系统(COSMOS)在最密的地区如关东、东京、京都等地区站间间距10～15 km.珠澳大桥GNSS连续运行参考站系统3个参考站之间的距离分别为16 km、28 km 和36 km[4].南宁区域原5个参考站相邻间距NANN至JILG最近30.1 km, NACH至JILG最长58.1 km,平均站间距为40.8 km.考虑到五象新区为建设工程应用测量需求密集的区域,项目组在那马镇加密了站参考站,加密后站点NAMA分布及测试位置如图1所示。

起点终点基线长度/kmNAMANANN23.3NAMANACH23.5NAMANALU25.5

对加密那马站后的空旷环境下进行了测试。测试时间:2014-10-24日20:22:28至25日20:21:46,某村委楼顶。

1.3　系统空间可用性测试

系统的可用性包括时间可用性和空间可用性。系统的空间可用性主要参照在系统设备软件采购测评阶段测试数据作为依据,采用网络RTK进行。

类型定义:网络RTK覆盖范围是指用户能够得到RTK固定解的区域范围[5]。

此项测试采用与网络RTK实时定位精度测试相同的仪器设备、通讯连接方式,天线与手簿用有线连接,测试模式为网络RTK测量模式,采样率为1 s,在作业车辆上进行连续定位,测试车辆按照时速30～90 km之间自网内往网外行使,当测试用户终端设备无法获取固定解后,车辆向网外连续5 km或测试车辆向网外走10分钟以上后,原路返回出发点。测试仅选取在1条自中心城区直线延伸网外的道路进行,测试方连续获得固定解远点定义:定位轨迹结果往参考站网内直伸5分钟(统一扣除临时停车时间),理论观测值应为300个,实际观测记录固定解分布均匀、有规律且不少于180个的最远点固定解坐标位置。取固定解坐标位置与内外范围线垂直距离为网络RTK覆盖范围。

测试时间: 2014-8-21 10:43:26开始,2014-8-21 16:49:34结束。

测试线路:自南宁市茶花园路出发,沿茶花园路-长湖路-秀厢大道-环城高速(二塘-安吉段)-南武城市大道——S107省道至武鸣县灵马镇后,沿去路折回。空间可用性测试线路如图2所示。

测试结果:网外可达到48.6 km,网络RTK在行驶车中的固定解比例大于60%.

2　测试数据分析

2.1　系统RTK定位精度及时间可用性测试分析

1) 空旷环境下

根据测试数据,统计分析如表1所示。

表1　空旷环境系统测试

注 1:有效观测是指符合网络RTK定位精度指标为平面位置中误差≤3 cm,大地高中误差≤5 cm,限差为2倍中误差精度要求的固定解观测值[6]。2:时间可用性(%)是指固定解个数占测试理论观测个数的比例,测试观测采集频率1 s.以下测试表同。

从表1的结果来看,在空旷环境条件下:

① 加了北斗的GPS+BDS系统比较未加北斗的常规GPS系统,固定解比例提高约4.7%,时间可用性有所提高;

② 内符合精度基本一致,均符合规范限差要求。

2) 隐蔽环境下

测试数据统计分析如表2所示。

表2　隐蔽环境系统测试

从表2的结果来看,在隐蔽环境条件下:

① 未加北斗的常规GPS系统,固定解比例只有27%,难以满足实际工作需要;

② 加密那马基准站(新建)之后,未加北斗的常规GPS系统,固定解比例只有37%,固定解比例提高不明显;

③ 加密那马基准站(新建)之后、GPS+BDS系统比较GPS系统,固定解比例提高约51%,达到78.8%,固定解比例显著提高,基本可以满足日常工作需要;

④ 内符合精度基本一致,均符合规范限差要求。

2.2　站间距设计之加密站点区域效果测试分析

测试数据统计分析如表3所示。

表3　加密那马站后的空旷环境系统测试(内符合精度)

通过RTK测量结果与已知点的坐标比较,可以得出RTK 测量的精度外符合精度,加密那马站后的空旷环境系统测试的外符合精度如表4所示。

表4　加密那马站后的空旷环境系统测试(外符合精度)

从表3、表4的结果来看,空旷环境条件下,加密那马站后的系统:

① 比较未加北斗、未加密站点的常规GPS系统,固定解比例固定解比例自84.20%提高至97.43%,提高13.23%,得到明显改善。

② 加北斗GPS+BDS系统相比未加北斗的常规GPS系统,固定解比例基本一致;

③ 加北斗GPS+BDS系统比较未加北斗、未加密的常规GPS系统,自84.20%提高至97.84%,提高13.64%,得到明显改善。

④ 内符合精度和外符合精度精度基本一致,均符合规范限差要求。

3　结束语

通过对南宁北斗地基增强系统实时定位精度、系统可用性,空间可用性等测试,通过对测试数据的分析,结果表明:

1) 南宁市北斗地基增强系统,具备了融合GPS、BDS的高精度的时空地理位置信息动态获取和服务能力,满足全天候95%覆盖南宁市厘米级RTK定位精度要求;

2) GPS+BDS组合较单GPS、单BDS在隐蔽环境下的RTK定位时间可用性得到明显提高,这也验证了北斗增强系统的优势所在;

3) 参考站点的加密有助于提高系统的时间可用性。

[1]田建波,陈刚,陈永祥.全球导航定位技术及其应用[J].中国地质大学出版社,2013:152-185.

[2]唐金元.北斗卫星导航区域系统发展应用综述[J].全球定位系统,2013,38(5):47-52.

[3]张乙志,金锴,刘立,等.北斗地基增强系统网络RTK测试分析[J].全球定位系统,2016,41(6):115-118.

[4]丁乐乐,戈乐乐,冯媛媛,等. 天津市北斗地基增强系统性能测试及分析[J].工程勘察,2017(3):64-67.

[5]于国良.天津市三系统卫星定位地基增强系统及评价 [J].土地市场，2016(9):44-51.

[6]谢玉兵,王昌瀚,蒋明富,等.区域北斗地基增强系统动态服务精度分析[J].地理信息空间， 2016(11):12-13.