采用融合升级方法的CZCORS北斗增强系统建立与测试

刘全海,王琰开(1．常州市测绘院,江苏常州 213003; 2．常州市地理信息智能技术中心,江苏常州 213003)

采用融合升级方法的CZCORS北斗增强系统建立与测试

刘全海1,2∗,王琰开1,2
(1．常州市测绘院,江苏常州 213003; 2．常州市地理信息智能技术中心,江苏常州 213003)

摘 要:以常州市连续运行参考站系统(CZCORS)为基础,采用融合升级的方法建立了北斗增强系统,从时间和空间可用性、定位时效性、定位精度等几个方面对北斗增强系统和原有双星系统进行了对比测试。结果显示北斗增强系统可以显著提高CZCORS的时间和空间可用性,特别是每日11:00～16:00电离层活跃时段及有高大建筑、树木等遮挡的观测条件下。同时,北斗增强系统可以提升定位速度约10%,但定位精度略有下降。

关键词:CORS；北斗增强系统；融合升级

1　引 言

城市CORS作为现代测绘基准体系的重要组成部分,在大地测量、工程测量和城市地理信息系统等领域具有广泛的应用[1]。近十年来,国内许多城市都建立起了基于GPS单星或GPS/ GLONASS双星的CORS系统。CZCORS于2006年建成[2],截至目前共包含10个基准站。

随着我国自主知识产权的北斗卫星导航系统的快速发展,建立能兼容北斗卫星的CORS系统从而提高测绘产业效率、推动产业升级,进而减少对GPS卫星的依赖已经成为必然趋势[3,4]。近年来,国内一些省市已开始启动相关项目,上海市于2012年底完成了北斗CORS应用示范项目[5],广东省于2012年6月启动了广东省北斗地基增强系统建设项目,湖北省于2012 年11月启动了北斗地基增强系统建设项目,并于2013年2月完成。

常用的北斗增强系统建设方法有两种,第一种是在各基准站新增一套接收机,并增加一套服务器系统和一个数据播发端口,该方法实际是建立一套独立于原有系统的新系统,两套系统并行,上海市、重庆市建立的北斗增强系统均采用此方法。另一种方法是直接对原有CORS系统进行融合升级,该方法可以充分利用原有资源,从而降低建设成本,CZCORS北斗增强系统的建设采用此方法进行。

2　CZCORS北斗增强系统建设

对CZCORS系统进行融合升级主要包括基准站接收机升级、控制中心数据处理软件升级和流动站接收机升级三个方面的工作。

2．1基准站接收机

将CZCORS基准站采用的徕卡GR10型接收机的固件升级至3．1版本,使系统支持北斗卫星的解算,并可以发送包含北斗卫星改正数的RTCM3．2(MSM) /徕卡4G两种差分信号。其中RTCM3．2(MSM)为通用格式,任何品牌的GNSS接收机只要支持此格式均可接入CZCORS进行三星定位。

2．2控制中心数据处理软件

将基准站网软件GNSS Spider升级至4．2．1版本,使系统可以对基准站接收到的北斗卫星信号进行处理并播发给实时定位用户使用,升级后的GNSS Spider软件如图1所示。

图1　GNSS Spider软件

上图中可以查看各基准站接收卫星信号的情况(G、R、C分别代表GPS、GLONASS、北斗卫星),包括卫星的信噪比、高度角和方位角等信息。

2．3流动站接收机

将支持北斗卫星的徕卡GS15型接收机的固件升级至5．61版本,使流动站支持北斗、GPS、GLONASS卫星的任意组合定位。同时,GS15型接收机支持单北斗系统定位,这是目前除徕卡外其他任何厂商的GNSS接收机都不具备的功能。流动站GS15型接收机在手簿上可进行卫星系统的选择(如图2所示),查看各卫星系统的星座分布(如图3所示)。

图2　GS15型接收机卫星系统选择

图3　GS15型接收机卫星星座分布

3　系统测试与分析

为了全面评定北斗卫星在CZCORS系统中的作用,采用徕卡GS15型接收机对新建成的北斗增强系统和原有双星系统进行了对比测试,测试主要从定位时效性(即初始化时间)、空间可用性、时间可用性、内符合精度和外符合精度几个方面进行[6]。

具体测试方法为在常州市域选取8个精密导线点(其中A058位于大树下、A062位于房角、A086位于高架路旁,A091两个方向有高楼遮挡,其余4个点观测条件良好),在每个点位上分上午(8:00～10:00)、中午(11:00～13:00)、下午(14:00～16:00)三个时段进行观测,采样率为1 s。每次从开机到获得固定解的时间即为初始化时间,当得到固定解后开始记录测量结果,连续记录30个历元作为一个测试数据,共重复3次。测试过程中记录点名、初始化时间、卫星颗数(北斗、GPS、GLONASS)、观测环境等必要信息。

3．1空间和时间可用性、定位时效性

各测试点在三个时段的初始化时间如表1所示。

测试点初始化时间 表1

从表1中可以得出以下几点结论:

(1)在无高大建筑、树木等遮挡的观测条件理想区域,北斗增强系统相比原有双星系统在空间和时间可用性上并不存在明显的提升。

(2)在有高大建筑、树木等遮挡的观测条件不理想区域,北斗增强系统的空间可用性得到了一定的提升,具体表现为在A058和A062两个测试点,用北斗增强系统可以获得固定解,而双星系统无法实现。

(3)在观测条件不理想的区域,北斗增强系统的时间可用性得到了一定的提升,具体表现为采用北斗增强系统不论是在上午、中午还是下午都可以获得固定解,而原有双星系统在11:00～16:00电离层较为活跃的时段往往无法获得固定解。

(4)在任意测试点上北斗增强系统的初始化时间都比双星系统短,除去双星系统无法固定的2个测试点,其余6个测试点北斗增强系统平均初始化时间为31 s,双星系统为34 s,因此北斗增强系统的定位时效性优于原有双星系统,提升幅度约为10%。

3．2内符合精度

内符合精度反映了系统实时定位结果的稳定性与离散度,计算方法为首先将每一测试点所有测量值取平均值,再将该平均值与每一测量值求差,按下式分别计算系统在x、y、H方向的内符合精度:

式中n为每一测试点的测量值总数;△为测试点的测量值与平均值的差值;m为测试点的内符合精度。

系统总体内符合精度采用如下公式计算:

式中n为测试点总数;mi为各个测试点的内符合精度;M为系统总体内符合精度。各测试点内符合精度如图4所示(单位:mm)。

图4　测试点x、y、U方向内符合精度

从上图可以看出,北斗增强系统在平面方向的内符合精度与原有双星系统相当,高程方向略低于双星系统,两者的统计结果如表2所示。

测试点内符合精度统计 表2

北斗增强系统的总体内符合精度在x、y、U方向上分别为6．3 mm、6．7 mm、12．9 mm,原有双星系统为5．0 mm、5．1 mm、8．3 mm,因此得出结论,在可以获得固定解的前提下,北斗增强系统的内符合精度略低于原有双星系统。

3．3外符合精度

外符合精度反映了测试点实时定位结果的准确度,计算方法为将每一测试点所有测量值与已知坐标和高程求差,再按下式分别计算测试点在x、y、U方向的外符合精度:

式中θ为测试点的测量值与已知坐标之差;n为每一测试点测量值总数;τ为测试点的外符合精度。

系统总体外符合精度采用如下公式计算:

式中n为测试点总数;τi为各测试点的外符合精度;T为系统总体外符合精度。各测试点外符合精度如图5所示(单位:mm)。

图5　测试点x、y、U方向外符合精度

从上图可以看出,北斗增强系统与原有双星系统的外符合精度相当,两者的统计结果如表3所示。

北斗增强系统的总体外符合精度在x、y、U方向上分别为19．7 mm、20．3 mm、30．0 mm,原有双星系统为15．9mm、17．2 mm、23．4 mm,因此得出结论,在可以获得固定解的前提下,北斗增强系统的外符合精度略低于原有双星系统。

4　结 语

本文介绍了在常州市建立CZCORS北斗增强系统所采用的融合升级方法,该方法充分利用既有资源,投入成本小,升级方法简单,具有较强的实用性,为其他城市建立CORS北斗增强系统提供了一定的参考和借鉴。

对CZCORS北斗增强系统和原有双星系统进行的对比测试显示,北斗卫星对于CORS最大的贡献在于时间和空间可用性的显著提升,即北斗增强系统实现了在每日11:00～16:00电离层活跃时段及有高大建筑、树木等遮挡的观测条件下的高精度定位,这是原有双星系统所不具备的。

通过对比测试,同时可以发现北斗增强系统可以将原有双星系统的定位速度提升约10%,但定位精度却略有下降,这可能与北斗在轨卫星数量和卫星信号质量等有关。

参考文献

[1] 汪伟,史廷玉,张志全．CORS系统的应用发展及展望[J]．城市勘测,2010(3):45～47．

[2] 庄文彬,刘全海,谢中华．常州市连续运行卫星定位服务系统的建设及关键技术研究[J]．城市勘测,2007(3): 13～16,31．

[3] 李作虎,杨强文,吴海玲等．北斗地基增强系统建设与产业化发展[J]．高科技与产业化,2014(10):59～65．

[4] 侯倩,蒋勇,李东俊．构建北斗地基增强系统打造智慧城市基础设施[J]．卫星应用,2014(11):29～33．

[5] 林国利,张文言,於永东等．上海北斗连续运行参考站系统(SHBD-CORS)的建设与精度测试[J]．测绘通报, 2013(11):136～137．

[6] 张振军,谢中华,冯传勇．RTK测量精度评定方法研究[J]．测绘通报,2007(1):26～28．

The Establishment and Test of Compass Enhancement System by Fusion Upgrade Method of CZCORS

Liu Quanhai1,2,Wang Yankai1,2
(1．Changzhou Surveying and Mapping Institute,Changzhou 213003,China; 2．Changzhou City Geographic Information Technology Center,Changzhou 213003,China)

Abstract:Based on the continuous operation reference station system of Changzhou City(CZCORS),a fusion method is used to establish the Compass enhancement system．A comparative test of the Compass enhancement system and the original system was conducted from the aspects of time and space availability,timeliness and positioning accuracy and the results show that the Compass enhancement system can significantly improve the time and space availability of CZCORS especially when the time is between 11:00am and 4:00pm daily when the ionosphere is active or the observation condition is poor where there are tall buildings and tree．At the same time,the Compass enhancement system can improve the positioning speed of about 10%,while the positioning accuracy is reduced slightly．

Key words:CORS;compass enhancement system;fusion upgrade

文章编号:1672-8262(2015)05-91-04中图分类号:P228

文献标识码:A

收稿日期:∗2015—06—29

作者简介:刘全海(1972—),博士,研究员级高级工程师,主要研究智慧城市及测绘科技管理等。

基金项目:住房与城乡建设部研究开发项目(2013-K8-5);常州市科技计划项目(应用基础研究)(CJ20130038)