老挝北斗CORS系统建设与应用

杨忠祥 刘鸿飞 乔忠诚 周定杰 安剑英

(1. 云南旅游职业学院, 云南 昆明 650221；2. 云南省测绘工程院 云南 昆明 650033)

0 引言

北斗导航卫星系统(Beidou navigation satellite system,BDS)是中国正在实施的自主发展和运行的全球卫星导航系统[1-3],是国际上具有全球性定位能力的第三个卫星导航系统。中国“一带一路”战略规划的实施以及中国-东盟自由贸易区建设推进,中老合作不断朝着宽领域、纵深化的方向发展[4]。随着老挝交通设施、通信设施、矿产资源开采等基础设施建设的推进,对地理空间信息的需求量急剧增加。亟须建立卫星导航定位连续运行基准站系统(continu-ously operating reference stations, CORS),为导航与位置服务、精密卫星定轨、地质灾害监测等商用领域提供了越来越多的应用价值。这些领域的发展对精确定位提出了更高的要求[5-8]。 CORS系统现已广泛应用于测绘地理信息、地震形变监测、规划建设等多个行业。

鉴于此,本文通过已建成的9个老挝基准站与国际GNSS服务组织(International GNSS Service,IGS)站、国内CORS联测数据进行解算,获取其高精度位置信息,并对有、无北斗信号条件下对CORS站定位精度影响进行测试分析,为老挝境内实现实时、高精度、快速、便捷的导航与位置服务奠定基础。

1 总体思路

本文选取现已建设完成的9个CORS站与国际IGS站、国内CORS站联测数据进行解算,运用同步环、异步环、基线重复性等指标评价解算结果的精度与可靠性,并进行应用测试分析。考虑到老挝国内发展现状和CORS站建设需求,多数省会城市面积较小,国内森林覆盖面积大,发达区域主要集中于湄公河沿线一带,CORS系统建设采用“网络+单基站”形式更加有利于老挝国家综合卫星定位服务系统的建成及后期运行维护。

2 国家大地基准和处理策略

2.1 大地基准概况

老挝WGS-84地心坐标基准由一等、二等全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)控制网维持,其对应的参考框架为ITRF96,参考历元为1989.9。老挝国家大地基准为Lao 97坐标系,属于参心坐标系,同样由分布于全国一等、二等GNSS控制点维持。Lao 97坐标系对应的空间坐标与WGS-84坐标存在3个平移量。Lao 97坐标系采用横轴墨卡托统一3°带投影,从东经180°至西经180°划分为60个带,每个带的东西跨度为6度。取每个投影点的中央经线作为中央子午线,投影坐标横轴加常数为5 000 000,中央子午线比例因子取0.999 6。

2.2 数据联测

为保证框架网数千千米基线解算的精度,引入中国境内IGS全球跟踪站BJFS(北京房山)、SHAO(上海)等作为起算坐标,基线解算采用IGS精密星历,将IGS站与已建老挝CORS站、联测控制点同步观测数据进行联合处理,获得IGS站与CORS站、CORS站间、CORS站与联测控制点的基线解。

3 算列分析及应用测试

3.1 数据来源

为获取CORS站精确位置信息,联测5个老挝国家一等、二等控制点,并对有、无北斗信号条件下对CORS站定位精度影响进行测试分析,本文选取9个已建成CORS站共20 d的数据。数据时长约为24 h,数据采样间隔为10 s,数据质量良好。CORS基准站及联测控制点分布如图1所示。部分CORS站及联测站所使用GNSS接收机及天线信息如表1所示。数据处理时GAMIT软件采用网解(即全组合解),同步环闭合差在基线解算时已经进行分配。

表1 测站实验仪器信息

图1 CORS基准站分布和联测控制点分布

3.2 解算可靠性分析

对于GAMIT软件基线解的同步环检核,运用验后标准化均方根误差(normal-ized root mean square,NRMS)及模糊度固定率检验解算结果是否可靠。NRMS值是衡量同步环质量好坏的一个指标,在正常情况下,NRMS值应小于0.5。NRMS值越小,基线解算的精度越高[9-10]。经计算,本文计算21个同步时段,全部NRMS值均小于0.5,最大为0.41,满足高精度GNSS数据处理的基本要求；联测(含全球站)50组基线向量重复性统计结果如表2所示,a为GNSS接收机标称精度中的固定误差，b为GNSS接收机标称精度中的比例误差。由表2可知，其精度已达国家规范中B级GNSS网的精度要求，检核独立基线构成的独立异步环共151个。其中，相对异步环闭合差最大相对精度为0.565 6 mm/km，位置闭合差为0.035 5 m，位置的限差0.251 5 m；绝对异步环闭合差最大相对精度为0.550 3 mm/km，位置闭合差为0.037 8 m，位置的限差0.275 3 m。在异步环检核中，其闭合差均小于国家规范中关于B级GPS网测量的精度要求。

表2 基线重复性统计

3.3 基站精度分析

本文CORS基准站三维平差采用WGS-84坐标系,其坐标框架为ITRF96,历元为1 998.9。以联测的5个老挝国家控制点作为基准并施加系统约束,九个基站点位平差后CORS站的WGS-84坐标精度如图2所示,三个分量平均值中误差精度均优于0.01 m,控制点点位精度较高。

图2 9个CORS基准站点位精度统计

3.4 应用测试

为评估北斗星座参与后在此区域的定位和高程精度,在测试点上,分别采用双星(GPS+GLONASS)、三星(GPS+GLONASS+BDS)模式采集45个测试数据,记录初始化时间和卫星状态数。通过统计分析,坐标的内、外符合精度确定真实作业条件下RTK的实时定位精度[11-12]。部分测试数据统计结果见表3、表4。通过数据统计分析,在双、三星模式下测试点内、外符合精度在N、E两个方向上分别优于3 cm、4 cm,其中北斗信号参与后总体内、外符合精度都明显提高。高程精度方面,分别测试双星、三星状态与水准测量结果对比得到平均较差。经统计,双星模式下高程平均值与水准高程的差值最大为3.583 cm,最小为1.962 cm,高程较差中误差为±2.79；三星模式下最大差值为2.106 cm,最小为1.055 cm,高程较差中误差为±1.64。两种模式下高程测量精度都能有效满足四等水准测量精度的要求[13],加入北斗信号后,多余观测值更多,信号更稳定,测量初始化时间更短,测量结果平均值较差更小,其精度更高。

表3 内符合精度及高程平均值较差统计

表4 外符合精度 单位：m

4 结束语

本文介绍了东南亚(老挝)首个北斗卫星导航(LAOCORS)系统建设和老挝国家大地基准控制点应用现状,将老挝CORS基准站与国际IGS站、国内CORS长基线数据联测和解算,通过基线解算后NRMS值、重复基线、异步环检测等指标分析,以及对有、无北斗信号条件下CORS系统的定位应用精度测试。结果表明:①在进行高精度中长基线解算时,老挝CORS基准站水平方向和垂直方向平均值中误差可达到厘米级定位精度,其相对精度已达到10-8量级。②通过平差和坐标转换,获取老挝CORS站高精度坐标,实现与老挝国家坐标基准相统一。③北斗信号参与后,老挝CORS系统三星(BDS、GPS、GLONASS)组合精度和效率明显高于双星(GPS、GLONASS),定位精度明显增强，可提供厘米级RTK定位服务,测量初始化时间以及稳定性、可靠性方面有明显提高,为国家建设统一地理空间框架,为老挝CORS系统后续的建设和应用奠定了基础,在工程测量、城市开发建设等领域将发挥重要作用。