北斗地基增强系统软件(EarthNet2.0)及其应用

杨 徉，潘树国，汪登辉，喻国荣，王胜利

(1.东南大学交通学院，江苏南京210096;2.东南大学仪器与工程学院，江苏南京210096)

一、引 言

北斗卫星导航系统是我国自主建设、独立运行并与世界其他卫星导航系统相兼容的全球卫星导航系统，目前系统已经实现亚太地区的覆盖，为亚太地区提供导航定位及通信服务，并将在2020年形成全球覆盖能力［1-3］。充分利用已有国家基础设施开展北斗地基增强系统的建设，可为国家节约大量资金。借助这个时代契机，东南大学3S技术研发中心自主研发了北斗兼容GPS/GLONASS的GNSS定位地基增强系统，包括基站接收机S6535B及网络 GNSS系统软件 EarthNet2.0。EarthNet2.0是对EarthNet1.0［4］的升级和改造，软件借鉴和吸收世界著名的网络GPS系统软件GPSNet及Spider等软件的先进技术和算法，并融入具有自主知识产权的高水平算法与模型，形成的GNSS网络增强与综合服务系统。系统包括数据播发中心、数据处理中心、用户管理中心、基站管理中心和数据存储中心五大部分［5］。软件系统已在江苏北斗地基增强系统一期、天津国土北斗地基增强系统等项目工程中投入使用，效果优异。

二、EarthNet2.0 系统概述

北斗兼容GPS/GLONASS的GNSS定位地基增强系统软件EarthNet2.0，为东南大学3S技术研发中心在EarthNet1.0基础上，针对网络差分技术及PPP增强技术，自主研发设计的一套拥有自主知识产权的全面支持Ntrip协议及RTCM标准差分协议，可分别为网络RTK(real time kinematic)用户提供实时厘米级定位服务的多星座地面增强综合服务系统软件。软件主要界面如图1、图2所示。

图1 EarthNet2.0站点星空图

图2 EarthNet2.0站点分布拓扑图

系统共有5个子软件组成:数据播发中心、数据处理中心、用户管理中心、基站管理中心和数据存储中心。本系统输入数据主要有两类:GNSS数据、用户上传信息。GNSS数据包括基站观测电文、导航电文、实时数据流;用户上传信息主要包括用户名、密码、概略位置信息等。GNSS数据由数据处理中心接收并解析，综合经数据播发中心连入的授权用户上传的概略位置信息，利用VRS技术、完备性监测技术、区域PPP增强技术多线程处理，生成改正定位信息、完备性监测信息，采用国际RTCM(radio technical commission for maritime services)差分数据编码格式统一编码后由数据播发中心播发［7］。用户管理中心、基站管理中心和数据存储中心功能相对独立，主要负责用户、基站及事后数据的管理。

三、EarthNet2.0 系统算法概述

系统软件功能为获取基准站卫星观测信息、导航信息及移动终端用户的坐标信息，通过一定的算法进行解算，最终提供移动终端用户精确的RTK/RTD/PPP相关辅助定位信息。该软件的算法主要有:

1.网络RTK用户定位服务

EarthNet 2.0利用Ntrip协议，支持用户采用网络RTK、网络 RTD、RTK、RTD等接入方式，以及RTCM2.3、RTCM3.1 等差分数据协议类型，兼容不同流动站设备，并为不同流动站提供平面3 cm、高程5 cm的实时定位精度及1 cm的事后解算精度，同时也提供分米级、亚米及1～3 m多种精度差分服务。EarthNet2.0的厘米级网络RTK是基于VRS的网络差分系统，差分改正主要分为两步:首先计算出虚拟参考站的伪距、载波相位观测值;然后依据RTCM协议生成标准格式的载波相位差分改正数据，并通过系统数据通信链路发给移动站实现高精度定位［6］。

网络RTK的VRS网络差分基准站采用多频多模GNSS接收机，至少由3个组成。因为基准站的精确坐标已知［7］，故站星距可以精确求得，虚拟载波相位观测值最关键的内容是精确估计GNSS信号与虚拟参考站之间的大气延迟值，通过结合参考站数据的大气延迟和位置信息建立区域误差模型，然后进行内插得到虚拟参考站的相位观测值［8］

根据式(1)就能求出虚拟参考站的载波相位观测值，其中，电离层采用VETC多项式模型估计，对流层采用天顶对流层延迟模型估计。数据处理中心将虚拟参考站的载波相位观测值单差处理后，将其和虚拟站的坐标进行RTCM编码，通过网络发送至流动站。因为虚拟参考站与流动站之间距离很短，所以利用虚拟观测值与流动站观测值进行常规RTK方法定位时，可以达到厘米级定位结果。

2.兼容北斗的多星座基站数据融合方法

兼容北斗的GNSS多星座卫星导航定位中，根据测距原理与方法的不同，根据所需的精度，采用不同的定位方式。EarthNet2.0中采用的是载波双差法，其双差观测方程为

式中，η=40.28 TEC，TEC 为信号传播路径上的总电子含量;f表示频率;为双差对流层延迟;H为接收机仪器高;h为接收机天线相位改正;E为卫星高度角;为双差卫星轨道误差;为双差伪距硬件延迟;为双差卫星多路径效应影响;为其他与频率无关的误差双差值，包括地球自转、相对论效应、潮汐改正等;为观测噪声双差;λ 为各卫星的载波波长值;i为参考星;j为观测卫星;为参考星的站间单差模糊度;为需要求解的站间星间双差模糊度项。

将观测方程线性化后，各个系统分别选取参考卫星后，并线性化，得到误差方程［9］

式中，kGRC为不同星座的参考卫星;ZTD为站点天顶对流层延迟;ΔMF为站点的单差ZTD投影函数，常用的有 Neill模型［10］和 GMF 模型［11］;

误差方程写成矩阵形式为

引入天顶对流层参数进行估计，当考虑天顶对流层模型时，方程无法用单历元解算。因此需要多历元解算，解算方法可以使用序贯最小二乘或使用Kalman 滤波模型［12］。

EarthNet2.0中，采用多星座融合实现定位，有效地增多了卫星数，改善了点位几何精度因子，在长时间观测中一直处于1～2之间，解决了部分时段GPS、GLONASS卫星少及北斗分布不均匀等缺点。针对不同系统选择适当的权值，弥补了北斗和GLONASS伪距精度的不足，提高了定位精度。

3.CORS完备性监测

EarthNet V2.0具有一套完整的CORS系统完备性监测参数体系，从数据播发中心、数据处理中心、用户管理中心、基站管理中心和数据存储中心5个方面出发，根据各方面监测内容，结合CORS系统自身特点，对CORS系统完备性参数进行监测及发布。提出一套完备性监测指标体系、监测技术、参数播发机制。构建一套完整的CORS系统完备性监测参数体系及各项参数量化指标，实现了电离层的绝对变化、相对变化监测。提出了基线解算中一种基于观测常量的粗差探测方法。实现了基于抗差估计的RAIM算法［13-14］。构建大规模GNSS定位地面增强系统可靠性参数量化指标体系;突破参考站坐标框架监测技术，参考站坐标平面精度≤2 cm，高程精度≤3 cm;攻克了实时反映电离层变化情况的电离层模型，精度≤1 TEC。

EarthNet2.0 中，采用 I95 指数［15］监测电离层活动情况，I95指数反映了电离层活动的强度(式6)。I95值根据每小时所有网络参考站跟踪的所有卫星的电离层改正数来计算，而最差的5%的数据会被拒绝，最高的值将会保存下来。

根据EartnNet2.0网络RTK中I95指数监测结果看出，在白天范围内，电离层扰动变化较小，I95最大值出现在14∶00，如图3所示。

图3 电离层活动I95指数

四、系统应用及精度评估

EarthNet2.0在江苏北斗地基增强一期项目工程中运行良好，与Spider系统并行运行。结果表明，系统运行稳定、兼容性强、定位精度高。精度测试分为内符合精度及外符合精度，共测试17个国家高等级控制点，5个静态测试点，测试点位图如图4所示。

图4 测试点位分布图

精度评定公式为

式中，N为测量值总数，即剔除粗差观测后全部RTK实时动态测量值总数;对于内符合精度Δ为测点测试值与相应测试平均值的差值，对于外符合精度Δ为测点测试值与相应真值(已知的、观测精度相对较高的差值)的差值。在每一个测试点上，都给出不同接入模式下的以中误差为指标的精度评定结果。对所有点位结果进行统计，平均各点位初始化时间、固定成功率、内符合外符合精度见表1。图5和图6为测试点YKLD在WGS-84平面坐标系下单北斗系统平面xy及高程h方向上的误差分布图。

表1 各测试点的统计平均结果

图5 测试点单北斗RTK内符合精度的误差分布图

图6 测试点单北斗RTK外符合精度的误差分布图

五、结束语

EarthNet2.0是东南大学3S技术研发中心自主研发的具有自主知识产权的网络GNSS系统软件，界面友好，商品化程度高，能兼容国内外主流终端设备及基站设施。在江苏地基增强系统项目工程中，与Spider软件并行运行，结果证明其性能水平相当，并且在天津、长沙、重庆等地已投入实际运行，稳定性好。在江苏北斗地基增强项目中，软件主要性能指标达到了以下几方面的要求:

1)流动站设备网络GPS+BDS初始化平均时间为23 s，GPS初始时间35 s，BDS初始化时间52 s，其中固定成功率分别为100%、90%及81.8%。

2)在南京市北斗地基增强系统一期工程的有效覆盖范围内实时定位初始化时间优于30 s;内符合精度平面方向优于1 cm，高程方向优于2 cm;外符合精度平面方向精度为2 cm，高程方向精度为4 cm。

3)网络RTK有效范围为6个基准站网络覆盖区域和网外15 km之内的区域。

4)在观测环境良好的区域，网络RTK的时间可用性可以达到95%以上;在观测环境较恶劣区域，使用多星座GNSS依然可以使用高精度快速RTK定位。

致谢:感谢项目合作方江苏省北斗卫星应用产业研究院有限公司及江苏省测绘工程院为项目提供的支持和帮助。

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