陕西北斗CORS系统高精度定位性能评估方法

王海涛 王 维 成夏葳 杨梦佳 樊康尧

(1. 自然资源部大地测量数据处理中心 陕西 西安 710054;2. 自然资源部第二地形测量队 陕西 西安 710054)

0 引言

卫星导航定位连续运行参考站系统(Conti-nuously Operating Reference Stations,CORS)能够提供高精度、网格化、自动化、快速、可靠、有效的位置信息服务,广泛应用于基础测绘、交通运输、环境监测、地理信息更新和国土资源调查、灾害预警、气象预报等[1-3]。随着中国北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system，BDS)-3完成全球组网,与全球定位系统(global position-ing system,GPS)、格洛纳斯卫星系统(global navigation satellite system,GLONASS)、伽利略卫星导航系统(Galileo satellite navigation system,GALILEO)共同组成全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS),CORS可以使用的卫星星座和卫星数的增加,提升了系统的固定率和稳定性[4-6]。刘洋洋从解算策略角度评估了BDS-3的B1C/B2a双频实时动态载波相位差分技术(real-time kinematic,RTK)的定位性能,模糊固定率优于99%[7]。张亮通过实验分析BDS/GPS组合相对于单GPS、BDS,在高高度角下依然能够提供大于8颗可见卫星数,使得全天候连续高精度定位得到保证[8]。糜晓龙对BDS-3和GALILEO组合的RTK定位性能分析显示BDS-3和GALILEO组合的RTK定位性能相对于单BDS-3和GALILEO在模糊度固定成功率和定位精度上都有10%以上的提升[9]。众多学者研究北斗三号对RTK定位精度和收敛时间影响大部分是根据实验网和测试站进行实验分析,表明BDS-3的加入定位精度具有明显提高[10-12]。陕西北斗CORS系统通过软硬件升级,已全面支持BDS-3和其他GNSS卫星系统,本文基于陕西北斗CORS设计控制点测量和长时间连续测量方案,同时对单北斗系统定位性能进行测试分析,全面评估陕西北斗CORS定位性能和BDS-3对系统的影响,系统的评估方法可为系统运行提供技术支持和运维指导。

1 方案设计与概况

1.1 系统概况与资料

陕西省北斗卫星导航定位基准站系统简称陕西北斗(SHX-BDCORS),共建设136座基准站,已为多家企事业单位、行业部门和科研机构提供了公益性、全天候、高精度实时位置服务,极大提升了陕西省卫星定位测量保障服务能力。2020年4月,系统完成软硬件升级,整网支持BDS-2、BDS-3卫星信号的全部频点(B1I、B1C、B2a、B2b、B3I),是我国首个支持全星座、全频点、全北斗的高精度定位服务系统。系统运行初期布设4个测试点,采集8 h静态观测数据,静态解算获得高精度坐标,坐标精度如表1所示,N、E方向精度在1 mm左右,U方向在8 mm以内。

表1 静态解算坐标精度统计 单位：mm

1.2 评估方法

1.2.1 陕西北斗CORS系统定位性能评估方案

根据RTK使用场景,本研究设计2类测试方式,一类是控制点测试包括方案一、方案二、方案三(表2),另一类是连续性测试为方案四、方案五(表3),方案间比较可以分析系统不同采样间隔、不同历元数量、不同星座系统与不同CORS系统间差异,综合评估陕西北斗CORS系统的稳定性、可靠性、易用性。

表2 控制点测试方案

表3 连续性测试方案

1.2.2单北斗系统定位性能评估方案

开阔环境使用天宝接R10收机在固定点位分别采用全星座系统、单BDS-2系统和单BDS-3系统连续采集多个测回和历元坐标成果,对数据进行分析。

1.3 仪器与设置

根据规范中对仪器精度要求[13-14],选择天宝R10接收机,网络RTK精度,水平±10 mm+0.5×D×10-6,高程±20 mm+0.5×D×10-6;南方极点接收机的动态精度,水平±8 mm+1×D×10-6,高程±15 mm+1×D×10-6,D为基线长度,单位为毫米。采用三角支撑对中杆架设接收机,根据方案要求进行设置卫星星座、采样间隔,为了避免系统信号延迟和软件初始化影响,操作断开仪器与网络RTK连接,实现测回间测量。

2 数据分析

2.1 陕西北斗CORS系统定位性能测试结果分析

2.1.1数据整理与不同采样间隔分析

对方案一、二、三不同采样间隔下各测回数据整理分析,计算每测回坐标平均值。根据规范要求[13],计算各测回间平均值较差最大值(3个测回中各方向最大值与最小值的差),如表4所示,在2 s、5 s、15 s测量间隔下,测回间N、E、U方向最大较差分别为1.6 cm、1.3 cm、3.4 cm均符合规范中各测回间平面和高程方向坐标较差应不大于4 cm的要求。3个测回的坐标平均值作为最终测量坐标结果。

表4 各方案不同采样间隔测回间较差最大值统计 单位：cm

内符合精度：内符合精度是以估计最似然估值为比对基准,主要反映观测值之间的离散度,即精密度,一般用标准差来度量[15]。极差是测量中最大值与最小值的差,是测量坐标序列中的最大波动量。计算方案一、二、三不同采样间隔下极差和标准差以及不同采样间隔平均值间互差最大值,因篇幅原因,只列出方案一统计结果如表5和表6所示。陕西北斗CORS系统网络RTK性能设计指标：内符合精度平面≤3 cm,高程≤5 cm;外符合精度平面≤5 cm,高程≤10 cm。标准差显示内符合精度符合陕西北斗CORS系统性能指标要求。平均值间较差最大值是2s、5s、15s间隔下N、E、U三个方向的平均值间最大差异值,可分析相同历元数,不同采样间隔下的差值大小。根据方案一到方案三不同采样间隔下N、E、U三个方向的标准差值分析,得到在3个测回,不同采样间隔对坐标精度的影响较小,无显著差异和规律性,说明采样间隔对结果的影响较小。

表5 方案一不同采样间隔下坐标统计 单位：mm

表6 方案一2 s、5 s和15 s采样间隔下坐标平均值互差最大值 单位：mm

由各方案中不同采样间隔标准差得出相同测回和历元数下,水平N、E方向坐标内符合精度均达到毫米级,由坐标序列图可以看出在水平方向波动较小,结果稳定。高程方向精度均在20 mm以内,相对水平方向精度稍低。水平方向极差在30 mm以内,高程方向最大极差74 mm,表明高程方向波动较大,采用多历元、多测回观测可有效减少偶然误差影响。

采集相同测回和历元数,采样间隔越大则耗时越长,通过以上对比分析可知,在15 s的采样间隔,耗时增加,但与精度提高并成正相关。比较不同采样间隔下平均值间较差水平方向均在5 mm以内,高程方向均在11 mm以内,表明坐标成果内符合精度较好,结果可靠。根据规范[13]要求采样间隔应大于2 s,根据以上测试分析,表明采样间隔设定在15 s内,在保证坐标精度的情况下,适当降低采样间隔可以提高作业效率。

2.1.2历元数量对坐标结果影响

方案一与方案二采用相同仪器和设置及卫星系统,采集3个测回,方案一每测回30个历元,方案二每测回60个历元,对比分析2 s、5 s、15 s采样间隔下90个历元和180个历元的差异(图1),可分析不同采样间隔和历元数量对定位结果的影响。统计两种方案在水平和高程方向标准差差异,表明当90个历元增加到180个历元后部分点位的N、E、U方向测量标准差减小,说明内符合精度有所提升,但部分测点的某个方向标准差稍微增大,均在毫米级,也符合设计和规范要求,表明当观测历元达到一定数量时,其精度与历元增加数量不成正比关系。由平均值之差得到坐标间差异水平方向在1.5 cm以内,高程方向在2 cm以内。综上,在实际测量中我们根据规范进行控制测量时应不少于20个历元,测量间隔大于2 s。

图1 方案一中CHJ2点不同采样间隔下N、E、U方向坐标变化

2.1.3不同星座组合定位结果分析

方案一采用三星系统(GPS+GLO+BDS),方案三采用双星系统(GPS+BDS),比较分析三星系统与双星系统的定位结果精度和差异。统计标准差和平均值差异如表7所示。由标准差之差可以看出双星系统与三星系统在相同的观测历元和采样间隔下坐标精度相差较小,水平方向最大为3.7 mm,高程方向最大为7.7 mm,均在毫米级,说明双星系统与三星系统的测量精度相当,差异较小,测量过程中接收机显示接收使用的GOLNASS系统卫星只有3～4颗,其对整体精度贡献较小。比较平均值之差水平方向最大差值为18.4 mm,高程方向为25.4 mm,其差异也符合规范要求和系统设计指标。说明系统在双星系统时也可以稳定运行并测得可靠坐标成果。

表7 方案一与方案三标准差之差统计表 单位：mm

2.1.4与高精度静态成果比较分析

将方案一、二、三中不同采样间隔的坐标平均值与静态解算成果比较,显示各点在N、E方向差异均小于4 cm,U方向均小于7 cm,外符合精度符合陕西北斗CORS设计精度指标要求。由于已知点的外业观测是在2019年完成距本次测试已有2年时间,点位采用简单的钉子标志,总体上各点位的外符合精度良好,具有一定的参考意义。

2.1.5不同CORS系统间比较

采用南方极点接收机在CHJ4点分别连接陕西北斗CORS系统和中国移动CORS系统连续观测,设置采样间隔1 s,理论上20 min可采集1200个历元,实际存在历元丢失情况,连接SHX-BDCORS账号需要1211 s采集完成,连接中国移动CORS账号需要1217 s采集完成。比较分析中国移动CORS与陕西北斗CORS成果差异和坐标时间序列波动以及易用性和可靠性。

对1200个历元坐标,计算标准差、平均值与静态解算成果对比,如表8所示,水平方向差异较小,高程方向平均值之差13.6 mm,高程方向采用SHX-BDCORS测量结果更接近静态解算成果。从标准差来看水平方向精度都达到毫米级,高程方向均小于10 mm,中国移动CORS测得的坐标标准差较小,坐标序列稳定。测量过程中,南方极点接收机的手簿会因信号延迟超限停止采集数据,延迟达标后,继续采集数据,结合其存在历元缺失现象,推测在观测过程中接收机会通过对信号质量进行监测来保证观测结果的稳定与可靠。

表8 坐标标准差与平均值之差统计 单位：mm

2.1.6长时间连续观测结果分析

采用南方极点接收机连接中国移动CORS全星座账号,天宝R10接收机连接陕西北斗CORS三星系统,同时在空旷的楼顶连续观测12 h以上,采样间隔1 s,分析在同等环境下进行长时间测量的系统稳定性，数据采集见表9。

表9 数据采集情况

南方极点接收机的采集率只有92%存在明显的历元缺失,缺失时长最大13 s,同时存在1 s采集2个数据情况。天宝R10接收机采集率达到99%,不存在1 s采集多个数据情况,说明陕西北斗CORS系统运行稳定。由各方向标准差和极差来看(表10),南方极点接收机连接中国移动CORS优于天宝R10接收机连接陕西北斗CORS。

表10 极差和标准差统计 单位：mm

2.2 单北斗系统测试结果分析

开阔环境下在固定点位分别使用陕西北斗CORS系统的3星座系统、单BDS-2和单BDS-3系统进行数据采集。分析历元坐标序列显示：单BDS-3系统与3星座系统在N、E方向定位精度相当,在U方向的精度略低,但较单BDS-2系统在U方向提升30%～40%。如图2所示。在复杂困难观测环境下,BDS-2系统无法单独定位的区域,加入BDS-3可以获取固定解,同时也能提升3星系统下定位能力,但单BDS-3系统的固定时间明显大于3星座系统。

图2 单BDS-3系统下坐标变化图

3 结束语

通过控制点测量、连续测量、单北斗系统测试等多种方案,结合已有资料和规范要求,对结果综合分析得出以下结论：

(1)陕西北斗CORS系统定位性能稳定,结果可靠,使用方便,在实际测量中我们根据规范要求,进行控制测量时应不少于20个历元,测量间隔大于2 s,既可得到符合要求的成果。

(2)陕西北斗CORS双星系统与3星系统,固定解下均可获得可靠稳定的坐标成果。单BDS-3系统与现行的3星系统进行RTK测量平面定位精度相当,高程方向精度略低,但相较于单BDS-2系统在高程方向精度具有明显提升。

(3)中国移动CORS系统与陕西北斗CORS系统测量精度相当,SHX-BDCORS测量结果与静态解算成果差异较小,在陕西省内开展测绘作业,建议使用陕西北斗CORS系统。