三家北斗地基增强系统的高精度定位服务性能对比分析

史俊波 欧阳晨皓 岳金广 陈 明 郭际明

1 武汉大学测绘学院，武汉市珞喻路129号，430079 2 国家基础地理信息中心，北京市莲花池西路28号，100830

北斗地基增强系统最早由各省市的测绘部门组织建设并提供服务，随着“互联网+”业务范围的逐渐扩大，目前我国已出现了多家覆盖全国的商用北斗地基增强系统，包括2016年推出的千寻位置、2020-07推出的六分科技和2020-10推出的中国移动北斗地基增强系统，其中千寻位置提供的网络RTK是国内最早的商用北斗地基增强系统，已有学者对其服务进行了较为详细的研究[1-3]。

3家北斗地基增强系统的网络RTK服务性能对于高精度“北斗+”的推广应用具有重要意义，但目前尚未有对其较系统的比较分析。本文从3家网络RTK服务提供商对北斗三号新卫星和新信号的支持情况、北斗原始观测值的数据质量及高精度定位性能等方面进行详细分析，给北斗地基增强系统网络RTK用户提供使用建议。

1 北斗原始观测数据质量分析指标

本文选取数据完整率、多路径误差、信噪比、周跳比这4项指标对北斗地基增强系统的北斗原始观测数据进行质量分析，各指标的具体含义为：

1)数据完整率为实际观测历元数与理论观测历元数的百分比，计算公式如下：

(1)

式中，α为数据完整率，Ni为实际观测历元数，N0为理论观测历元数。

2)多路径误差MPij为观测信号第i频率相对于第j频率上多路径效应的影响，MPij的值越小，抗多路径效应的能力越强。MPij的计算公式如下：

(2)

式中，Pi为第i频率上的伪距观测值，φi、φj分别为第i和第j频率上的相位观测值，α为第i和第j频率fi、fj之比的平方，即α=(fi/fj)2。

3)信噪比(SNR)为信号功率和噪声功率之间的比率，SNR越高，信号质量越好。SNR可以从观测文件中直接获取。

4)周跳比是反映周跳情况的指标，公式如下：

(3)

式中，o/slip表示观测值数num_of_all和周跳数num_of_slip的比值，比值越小，周跳情况越严重。

2 北斗地基增强系统网络RTK服务原始数据采集方案

本文通过自编Ntrip客户端软件获取千寻位置、六分科技及中国移动3家北斗地基增强系统网络RTK服务的原始数据。需要指出的是，每个网络RTK服务都提供了多个挂载点，每个挂载点对北斗卫星系统和观测值信号的支持能力不一样。为保证数据分析的一致性，本文选取官方推荐的挂载点，分别为AUTO(千寻位置)、RTCM32_GRECJ2(六分科技)、RTCM33_GRCE(中国移动)，且均选择CGCS2000坐标框架对应的端口号。

依据Ntrip协议客户端与服务端的交互逻辑，在2021-07-21～22以31°00′58.345″、109°27′55.891″模拟用户近似坐标，分别实时接收8～9 h的网络RTK服务原始数据，并按照RTCM V3.3给定的标准格式进行解码。由文献[2-4]可知，目前北斗地基增强系统为虚拟格网模式，而非传统虚拟基站模式，因此本文实际采集的3个基准站数据是距用户坐标最近的虚拟格网点的虚拟观测数据，具体采集情况如表1所示。由表可见，3家系统返回的虚拟格网点与用户的距离小于58.4″ N、56.0″ E(约2.4 km)，千寻位置与中国移动虚拟格网点的椭球高差仅为4.2 cm，而与六分科技的椭球高差为779.808 m。

表1 3家北斗地基增强系统网络RTK服务原始数据采集情况

3 结果与分析

3.1 3家北斗地基增强系统对北斗卫星系统和信号的支持情况

相较于GPS、GLONASS和Galileo系统相对固定的星座和信号结构，北斗卫星导航系统遵循逐步建设、逐步完善的发展规律。由于北斗二号卫星系统的正式宣布时间(2012-12)远早于3家网络RTK服务提供商的成立时间，这3家提供商的网络RTK服务支持所有北斗二号卫星(C01-C16)。但是针对2020-07正式宣布的北斗三号卫星系统[5-6]，这3家提供商的支持能力各有不同。表2为3家北斗地基增强系统对北斗卫星的支持情况，需要指出的是，原始RTCM数据的解析以标准RTCM V3.3协议为准[7]，3家北斗地基增强系统在标准协议的基础上自定义数据类型，例如北斗三号新信号B1C、B2a均不包括在本文分析中；本文对原始北斗观测值的字符标识以标准RINEX 3.04协议为准[8]。由表2可知：1)北斗三号卫星共30颗，包括24颗MEO卫星、3颗IGSO卫星和3颗GEO卫星，其中千寻位置除C59、C60、C61三颗GEO卫星外共支持27颗卫星，六分科技除C61外共支持29颗卫星，中国移动仅支持C19～C30、C32～C37共18颗MEO卫星；2)从信号类型来看，千寻位置和中国移动支持3个频率的伪距、相位和信噪比观测值，而六分科技仅支持B1和B3两个频率的伪距、相位和信噪比观测值；3)从具体的信号频率来看，对于北斗二号卫星，千寻位置和中国移动支持B1I+B2I+B3I，六分科技支持B1I+B3I；对于北斗三号卫星，3家服务提供商均支持B1I+B3I。

表2 3家北斗地基增强系统对北斗系统的支持情况(2021-07-21～22)

3.2 3家北斗地基增强系统网络RTK服务北斗原始数据质量

利用本文提供的数据完整率、多路径误差、信噪比、周跳比4项指标计算公式得到3家网络RTK服务提供商的基准站北斗数据质量(表3和图1)。结果表明：1)3家服务提供商的北斗数据完整率均为100%；2)六分科技不支持第二频率，故没有MP2和SNR2指标，3家服务提供商提供的北斗数据多路径误差都不超过0.13 m；3)3家服务提供商的信噪比为43.84～48.13 dB；4)中国移动的周跳比最低，小于千寻位置和六分科技。

表3 3家北斗地基增强系统网络RTK服务北斗原始数据质量

图1 3家北斗地基增强系统网络RTK服务的北斗原始数据完整率、多路径效应、信噪比、周跳比Fig.1 Data integrity, multipath effect, signal-to-noise ratio and cycle slip ratio ofthree BDS ground-based augmentation system network RTK service

3.3 3家北斗地基增强系统的高精度定位性能

3.3.1 高精度定位解算方案

取2021-07-22采集的数据，按照2种解算模式对3家系统的定位性能进行分析：1)从控制测量应用的角度出发，按照单基线解算模式计算3个虚拟基站之间的基线向量，并统计闭合差等指标；2)从变形监测应用的角度出发，将3个虚拟站数据分别模拟为基准站和监测站，按照单历元RTK模式解算，选取该虚拟站对应的RTCM 1005报文中的虚拟格网坐标作为定位结果的参考。以上2种解算模式均采用B1I单频信号，且设置了BDS-2和BDS-2+3进行对比分析实验。

3.3.2 单基线解算结果

表4为3个虚拟基准站之间基线向量组成的闭合差统计结果，其中闭合环长度为8.19 km，基于BDS-2观测数据的闭合差为10.2 mm，相对误差为1.24×10-6；基于BDS-2+3观测数据的闭合差为13.3 mm，相对误差为1.62×10-6。

表4 单基线解算结果的闭合差统计结果

3.3.3 单历元RTK解算结果

如表5所示，本文共进行6组单历元RTK解算实验，取全时段最后30个历元的结果，分别统计定位误差的标准差STD和平均值mean。图2为这6组定位结果误差的标准差和平均值，结果表明：1)3个虚拟站之间的RTK误差STD水平向均小于3 mm，垂直向均小于9 mm，且BDS-2+3的稳定性优于BDS-2；2)3个虚拟站之间RTK定位误差均值存在cm～dm级的系统性偏差，其中六分科技和中国移动虚拟站的解算组合RTK误差均值最大，水平向高达13.67 cm，垂直向高达47.28 cm。这是六分科技虚拟格网点与中国移动虚拟格网点的高差高达779.766 m所致(表1)，在这种大高差情形下存在较大的双差对流层残差，进而会引起定位结果的系统性偏差，特别是在高程方向[9]，这同样也能解释千寻位置和六分科技之间在高程方向存在的44.80 cm偏差。因此，在利用北斗地基增强系统进行高精度定位作业时，建议不要使用不同的北斗地基增强系统，以避免不同北斗地基增强系统带来的定位结果偏差。

表5 单历元RTK精度统计

图2 3个虚拟格网点之间的单历元RTK结果Fig.2 Single-epoch RTK results between three virtual grid points

4 结 语

本文深入研究千寻位置、六分科技和中国移动3家北斗地基增强系统，分别采集了2021-07-21～22内8～9 h的数据，得到以下结论：

1)千寻位置和中国移动支持BDS-2三频信号(B1I、B2I、B3I)和BDS-3双频信号(B1I、B3I)，六分科技支持BDS-2和BDS-3双频信号(B1I、B3I)。3家北斗地基增强系统都能提供100%的北斗数据完整率，六分科技的多路径误差和信噪比指标最优，千寻位置的周跳比指标最优。

2)单基线解算结果表明，3家北斗地基增强系统虚拟基站组成的闭合环相对误差均小于2×10-6。单历元RTK解算结果表明，3家北斗地基增强系统均能提供水平向优于3 mm、垂直向优于9 mm的内符合精度，但不同北斗地基增强系统之间存在cm～dm级的定位结果系统性偏差，因此不建议在单历元RTK作业时使用不同的北斗地基增强系统。

需要指出的是，本文结论是基于2021-07-21～22采集数据得到的。随着各服务提供商对BDS-3新卫星/新信号兼容性的升级及虚拟格网生成算法的优化，3家北斗地基增强系统服务提供商之间的系统性偏差有望减小，并最终实现北斗高精度定位服务共享。