滨海新区连续运行卫星定位综合服务系统定位精度 可靠性分析

姚晓伟，房新玉*，喻国荣

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所,天津 300456;2.天津水运工程勘察设计院 天津水运工程 测绘技术企业重点实验室,天津 300456;3.东南大学 交通学院,南京 210018)

连续运行卫星定位基准站网系统(Contimuously Operating Reference Stations,CORS)是城市卫星导航定位技术应用的发展热点之一，它是基于计算机网络技术，现代移动通信技术、现代卫星导航定位技术、实时定位技术形成的导航与定位服务网络，建设和维持着城市的坐标框架。CORS系统全天候、多功能、多用途、应用广的特点，可全面提高地理空间三维基准数据的应用效果。

图1 BHCORS基准站点分布图Fig.1 Distribution diagram of BHCORS base station site

1 滨海新区CORS组成

滨海新区连续运行卫星定位综合服务系统(BHCORS)由8个连续运行的参考站，1个数据中心组成，是一个高精度、三维、动态、多功能的现代化测绘基准体系。8个站点分别位于汉沽规划展览馆楼顶，北塘塘沽测绘所楼顶，空港经济区科技大厦楼顶，塘沽营口道财政局楼顶，水科所大型水动力试验基地，规划国土局大港三分局楼顶，南港边防派出所楼顶，太平镇派出所楼顶。数据中心在滨海塘沽站附近，位于规划局信息中心(图1)。

BHCORS系统在投入使用前，必须对系统定位精度可靠性进行检验，以确保用户能够放心使用。实时动态观测值、静态已知点检测方法，后处理结果比较的检测方法、动态规则几何轨迹检测方法、固定基线长度相对检测方法[1-2]是常用的检验比较方法。本文通过对CORS定位精度指标测试方法进行全面的分析，并利用其中的3种方法对BHCORS系统进行分析，得出有益的结论。

2 CORS精度指标测试方法

2.1 静态已知点检测方法

通过在系统服务的区域内，在区域边界、区域内部选取均匀的坐标精确的已知点，在已知点上架设用户接收机，进行动态测量，然后进行数据处理，将处理结果与已知点进行比较分析，统计内符合精度、外符合精度，测试系统的定位精度指标[1]。

静态已知点检测方法不能完全反应其定位精度，主要原因有：①在测区内无已知点时，该测试方法无法使用；②该测试方法不能反映RTK流动站运动时定位精度；③不能正确反映测区不同外界条件下定位进度情况。

2.2 与后处理结果比较的检测方法

通过将实时动态观测值与静态后处理结果进行比较，分析CORS动态定位精度[1]。

该方法适用于无已知点时，CORS系统定位精度可靠性的检验，但是，该方法有一定的局限性，检测点的精度受到观测数据质量、基线解算软件的影响。

2.3 动态规则几何轨迹检测方法

动态规则几何轨迹检测方法适用于检测运动状态下GPS接收机的定位精度。该检测方法将GPS接收机沿着轨迹已知的路线运动，同时以一定的采样率进行测量，比较测量值的轨迹与已知轨迹之间的差值，从而分析运动状态下接收机的定位精度[2-3]。

2.4 固定(已知)基线长度相对检测方法

固定基线长度相对检测方法通过将多台GPS接收机之间的相对位置关系固定，从而使接收机之间的基线长度不变，然后在运动状态下，多台GPS接收机同时进行数据采样，然后对GPS接收机之间的定位结果进行分析，并与实际基线进行比较，从而分析动态定位的相对精度[2]。

2.5 其他检测方法

其他检测方法有常规仪器比较法，不同时段检测法，不同高程检测法[3-8]。常规仪器检测法是将RTK测量两通视点之间的测距(高差)，与高精度全站仪(水准仪)测量的测距(高差)进行分析比较，评定CORS系统的定位精度。不同时段检测法是通过将一天分为4个时段，各个时段在固定点上进行RTK动态测量，统计各个时段的精度，分析时段对CORS定位精度的影响；也可通过不同的季节在固定点上进行RTK动态测量，分析不同季节条件下CORS定位精度。不同高程检测法通过不同高度的动态测量，分析高程变化对CORS定位精度的影响。

3 BHCORS定位精度测试与分析

3.1 BHCORS精度测试方法

BHCORS系统定位精度测试要求其精度指标能够准确反映其可靠性，这就要求测试方法简便易行，并能够完整反映CORS的精度情况。而以上各种检测方法中，动态规则几何轨迹检测方法和固定(已知)基线长度相对检测方法检测效果一致，但要求GPS严格沿着规定路线前进，检测方式不如固定(已知)基线长度相对检测方法灵活方便，故本次采用固定(已知)基线长度相对检测方法进行检测。常规仪器比较法，不同时段检测法，不同高程检测法仅能反应时间、高程等分项的精度；而静态已知点检测方法、与后处理结果比较分析整体反映CORS的精度，故本次采用这两种检测方法。

3.2 静态已知点检测

1)测试区域及方法。

本次检测是在测区选择51个坐标已知C级GPS点，动态测量采用RTK拨号方式进行。仪器设备采用TRIMBLE R8，测量模式采用控制点模式，采样率为1 s，每180个历元记录一个定位结果，每点独立观测5次，每观测一次后断开连接，重新初始化后进行测量，并记录初始化时间。

2)观测成果的统计与分析。

(1)内符合精度的统计。

(1)

在连续运行参考站系统网络RTK实时内符合精度统计中，计算每一个观测点所有测量值的平均值，再将该平均值与每一测量值求差，进行内符合精度统计。其内符合精度统计结果如表1所示。

对动态测量的数据内符合精度进行频率和正态分布分析，并绘制DX、DY、DZ方向的频率和正态分布图，如图2。

从表1中可看出，内符合精度100%的测试点平面精度优于±2.0 cm，100%的测试点高程精度优于±2.0 cm。

从图2可以看出，DX、DY、DZ3个方向的误差均集中在±1 cm以内，内符合精度优良。

表1 实时动态测量内符合精度分布区间统计表Tab.1 Distribution interval statisticsTable of internal conforming accuracy for real time dynamic measurement

图2 DX、DY、DZ方向频率和正态分布图Fig.2 Frequency and normal distribution diagram of DX，DY，DZ direction

(2)外符合精度统计

(2)

使用CGCS2000坐标系下该测试点的坐标为系统的最或然值，将各观测值与最或然值求差，然后按式(2)进行系统的外符合精度统计。

对动态测量的数据外符合精度进行频率和正态分布分析，并分别绘制DX、DY、DZ方向的频率和正态分布图，如图3。

表2 实时动态测量外符合精度分布区间统计表Tab.2 Distribution interval statisticsTable of external conforming accuracy for real time dynamic measurement

图3 DX、DY、DZ方向频率和正态分布图Fig.3 Frequency and normal distribution diagram of DX，DY，DZ direction

从图3可以看出，DX、DY2个方向的误差均集中在±2 cm以内，DZ方向的误差分布集中在±5 cm以内，平面方向的外符合精度高于高程方向，外符合精度优良。从整体上看，该地区的内符合精度优于外符合精度。

3.3 与后处理结果比较分析

1)测试区域及方法。

本次实验是在测区选择18个坐标已知的C级GPS点，进行D级静态观测，数据采样率为15 s，观测时间为120 min，测量仪器采用TRIMBLE R8，采样完成后进行静态解算，将处理结果作为真值，与各点已知值进行比较。

动态测量采用RTK拨号方式进行。仪器设备采用TRIMBLE R8，测量模式采用控制点模式，采样率为1 s，每180个历元记录一个定位结果，每点独立观测5次，每观测一次后断开连接，重新初始化后进行测量，并记录初始化时间。

2)观测成果的统计与分析。

与后处理结果差值比较分析统计表如表3所示。

表3 与后处理结果比较精度分布区间统计表Tab.3 Distribution interval statisticsTable of accuracy for comparison with the post-processing results

图4 DX、DY、DZ方向频率和正态分布图Fig.4 Frequency and normal distribution diagram of DX，DY，DZ direction

对测量的数据外符合精度进行频率和正态分布分析，并分别绘制DX、DY、DZ方向的频率和正态分布图，如图4。

从表3和图4可以看出，X方向、Y方向的误差主要集中在±3 cm之间；Z方向的误差主要集中在±4 cm之间,且统计结果在99.99%均在6 cm以内。外符合精度优良。

3.4 固定(已知)基线长度相对检测

1)检测方法。

固定基线长度检测将2台 GPS架设在一钢管两端固定点上，准确测量2点之间的距离，作为真值。钢架绕中间支点进行转动，转动的同时2台仪器以采样率1 s进行实时动态定位，记录定位结果，然后计算两点间距离，与真值比较，得到观测数据与真值的长度差，此长度反映了2台接收机位置误差的瞬时相关影响。

表4 固定基线长度差值分布区间统计表Tab.4 Distribution interval statisticsTable of difference for fixed baseline length

图5 DS方向频率和正态分布图Fig.5 Frequency and normal distribution diagram of DS direction

2)观测成果的统计与分析。

本次共测量197组数据，对各组数据进行统计。由于2台接收机采用RTK模式进行测量，后处理时以秒为单位进行同步，存在两台接收机没有严格同步情况，并以2倍中误差为限差，超过2倍中误差的观测数据，可以认为同步较差的数据作为观测粗差剔除。剔除粗差后的数据为181组，对该数据进行统计分析，固定基线长度检测比较分析统计表如表4所示。

对固定基线长度差精度进行频率和正态分布分析，绘制DS方向的频率和正态分布图(图5)。

从表4和图5 可以看出，长度方向的中误差主要集中在±3 cm之间，精度比较优良。

固定基线长度相对检测方法的优点：适用于CORS 覆盖区域无固定检测点定位精度检测。但该检测方法也有局限性，它只能够反映固定基线边长相对位置关系，不能反映坐标分量之间的相对关系，因此不能显著反映CORS动态定位各分量之间的精度。

4 结论

CORS系统定位精度指标是CORS系统重要的考核指标之一，本文通过CORS系统用户精度检测方法的研究和在BHCORS的实际应用，可认为本文的检测方法对多数CORS系统精度测试具有参考应用价值。实验结果表明，BHCORS系统定位精度可靠性较高，平面坐标内符合精度为±1 cm之内，高程内符合精度在±1 cm之内；平面坐标外符合精度在±3 cm之内，高程外符合精度在±4 cm之内；长度方向的精度在±3 cm之内；且在该地区内外符合精度均匀，可以提供cm级实时定位。