近海岛礁CORS系统测试研究

管明雷，王英刚，李飞龙，伏天淑，周立

(1.淮海工学院 连云港 222005；2.上海华测导航技术股份有限公司 上海 201702)



近海岛礁CORS系统测试研究

管明雷1，王英刚1，李飞龙2，伏天淑1，周立1

(1.淮海工学院 连云港 222005；2.上海华测导航技术股份有限公司 上海 201702)

近海岛礁CORS系统将CORS基站从内陆向近海海岸和近海岛礁延伸，使近海区域实现厘米级高精度导航定位。文章对近海岛礁CORS系统的各部分组成进行介绍，同时对基准站稳定性、基准站时间延迟、移动站多路径效应和移动站内外符合精度进行测试研究，为CORS技术向海上发展提供参考。

岛礁CORS；定位导航；工程技术

2 近海岛礁CORS系统构成

2.1 系统概述

近几年城市CORS技术快速发展，已经基本实现城市区域覆盖，为城市基础地理空间信息的采集提供极大便利[1]，CORS系统向海洋延伸也将是未来发展趋势。CORS系统由基准站子系统、数据处理中心、数据通信系统和用户应用系统等4个部分组成，各基准站与数据处理中心通过数据通信系统连接成一体，形成CORS基准站网。本研究的测试基于某单位在建的近海岛礁CORS系统，其中2个基准站位于沿岸、1个基准站位于离岸7 km左右的海岛，站间网络通信采用无线通信技术；该岛礁CORS系统基准站使用华辰HC-5型号基准站型接收机，基准站接收原始观测数据，并通过数据通信系统传到数据处理中心，数据处理中心主要负责处理接收的数据，并将得到的差分数据通过数据通信系统播发给用户；基准站组网软件选用NrsEagleNet，网络RTK差分服务软件选用NrsEagleServer，这2个软件都是南方公司NRS 系统软件系列；海岛基准站的电力由太阳能电池板、太阳能控制器和大容量储备电源提供，蓄电池可保证持续供电一周，太阳能控制器具有熄电重启功能。

2.2 系统网络通信

数据通信系统是CORS的重要组成部分，被称为CORS的“神经系统”，是实现CORS各种服务功能的途径，一套稳定可靠的数据通信系统更是保证CORS系统正常稳定运行的必要因素[2-4]。CORS的数据通信系统主要包括“基准站—数据处理中心”的原始观测数据传输和“数据处理中心—用户接收机”的差分改正数据传输。

2.2.1 基准站—数据处理中心通信

目前传统的陆基CORS系统中，基准站与数据处理中心之间的数据传输主要通过Internet网络实现，其传输速度快、稳定性高，是数据传输的首要选择。但在各种基础设施匮乏的岛礁上，基准站观测数据很难像在陆地上一样通过Internet网络实现有线传输，因此在岛礁上通常采用无线网络通信方式。基准站接收机利用宏电H792X 4G Router数据通信终端接入互联网，采用TCP/IP协议，访问到数据处理中心NrsEagleNet基准站管理服务器的固定IP地址，将基准站接收数据传输到管理服务器中。

2.2.2 数据处理中心—用户移动站接收机通信

数据处理中心与用户移动站间的数据传输采用无线通信，目前最流行的是GPRS/CDMA通信方式，即移动站通过GPRS/CDMA接入互联网，采用TCP/IP协议，访问到数据处理中心NrsEagleServer用户管理服务器的固定IP地址，验证通过Sever管理用户给出的账号密码，实现移动站与数据处理中心之间的双向通信。

3 CORS系统稳定性测试

CORS系统在运行之前必须对CORS基准站组网进行测试，检测CORS系统运行的稳定性和数据可靠性，为移动站用户提供实时、高精度的导航定位服务。对CORS系统基准站组网的测试主要包括基准站稳定性分析和通信稳定性分析。

3.1 CORS基准站稳定性测试

为确保CORS系统为用户移动站提供高精度、稳定可靠的服务，首先要确保基准站本身的精度。由于基准站位于海岛上，受天文潮和固体潮双重作用，基准站会产生位置变动，从而影响CORS系统的定位精度。因此，需要对基准站的真实坐标进行定期检核修复，具体方法就是将系统中的基准站与我国的IGS跟踪站进行联测，利用高精度数据处理软件GAMIT/GLOBK对长基线进行解算，得到基准站的最新坐标，一般选择3～4个靠近CORS网的IGS站就可以得到精度较高且较为稳定的解算精度[4]。

在实验中选取bjfs站、shao站和wuhn站进行联测，它们分别位于北京房山、上海佘山和武汉。通过解算得到3个基准站在WGS-84坐标系统下的三维坐标(表1)。

表1 最新基准站坐标

3.2 CORS 基准站时间延迟测试

在CORS系统中，时间延迟包括数据发送时延、数据传播时延和数据处理时延，而网络从基准站到数据处理中心的数据时延主要是发送时延和处理时延[3]。一般来说，数据时延小于500 ms就不会影响数据处理中心实现网络RTK基线的实时解算[5]。

发送时延计算公式如下：

发送时延式中：数据块长度即基准站1 Hz带宽的数据量，按照50～130 KB计算；信道宽度为数据传输的上行速率。岛礁上的基准站接收机与数据处理中心之间的数据传输是通过无线模块实现的，为选择合适的网络模式，进行时间延迟测试，结果如表2所示。

从表2可以看出，在使用3G模块时只有联通时延在500 ms以内，而在使用4G模块时三大运营商时延均远远小于500 ms，又由于数据处理延时根据仪器的不同在60～120 ms之间，因此理论上在网络正常的情况下，只有4G数据延时可满足基线实时解算。该岛礁CORS通信系统测试阶段选用联通3G作为基准站与数据处理中心之间的通信模块，结果表明CORS基线可以实时解算但会出现短暂的基线浮动。因此，在CORS系统运行中应尽量选择4G模块作为数据传输手段。

4 CORS系统精度测试

4.1 海面多路径测试

在CORS系统精度测试中，最主要的就是对移动站定位精度进行测试[6]。影响移动站定位精度的主要因素包括基准站稳定性、接收机性能和移动站观测条件，其中影响海上移动站定位精度的最主要因素是多路径效应。CORS系统无法对移动站的多路径效应所带来的误差进行改正，目前多路径的改正主要通过改变截止高度角或增加抑径板等方法来降低误差。本研究基于接收机兼容不同星座的情况，研究多路径效应与接收机星座数增加、卫星颗数变化的关系，为海上移动站选择合适的接收机来降低多路径效应、提高岛礁CORS服务精度。

岛礁CORS系统建设主要针对港口及其近海工程的需求，提供厘米级的实时定位精度。由于海面情况在潮波作用下的复杂性，海面上目标点的多路径效应也各异，对海面目标进行导航定位时，CORS系统无法对其多路径效应进行合理改正。因此，在对移动站测试的过程中，海面对移动站产生的多路径效应测试是不可或缺的。本实验利用GPS单模(单星座)接收机和GPS/GLONASS双模(双星座)接收机进行单点定位比较海面多路径效应与卫星颗数的关系，解算软件采用TEQC(Translation、Editing and Quality Checking)；TEQC是功能强大且简单易用的 GPS/ GLONASS 数据预处理软件，主要功能有格式转换、编辑和质量检核。试验结果如图1至图3所示。

图1 单模mp1/mp2和双模Mp1/Mp2比较

图2 单模mp1/mp2与卫星颗数比较

图3 双模Mp1/Mp2与卫星颗数比较

从图1可以发现，GPS/GLONASS双模下的Mp1/Mp2值始终高于GPS单模下的mp1/mp2值，表明增加不同导航卫星的种类对改善多路径效应没有益处，这与GLONASS导航系统本身有关，因为GLONASS采用频分多址(FDMA)，使信号频率的变化受外界条件的影响，导致GLONASS的单点定位精度稍逊于GPS[7]；由于目前TEQC软件还不支持BDS的质量检核，所以未进行BDS与GPS/GLONASS的比较。从图2、图3可以发现，mp1/mp2值与卫星颗数成负相关性，即卫星颗数越多、mp1/mp2值越小。因此，移动站在进行海上导航定位时应尽量选用GPS单模接收机，降低多路径对其影响，以提高CORS系统对移动站改正的精度。

4.2 内外符合精度测试

内符合精度用来评定差分定位的稳定性程度，其数学方法是计算每一测点所有测量值的算术平均值，再将求得的算术平均值与每个测量值求差，然后分别统计出X、Y和Z三个方向上差值的分布情况，内符合精度值越小表示CORS-RTK定位的稳定性越高。外符合精度反映系统定位的准确性，其定义为在已知测试点上，通过转换参数实测得出当地坐标系下的坐标成果，与该测试点的已知坐标成果相比较，即可得出在X、Y和Z方向上的外符合精度分布情况。

实验选取岛礁CORS网覆盖海区内多个岛屿上分布的8个坐标已知点作为测试点，分别做采样间隔为1 s的长时间观测，经过数据处理，得到的观测值内符合精度结果如图4、图5所示。

图4 内符合精度测试

从图4可以看出，在基站覆盖范围内，8个测试点上各方向的内符合精度值都符合系统设计要求：平面X、Y方向上内符合精度最小为2 mm、最大为6 mm，均在1 cm内；Z方向上精度略差，最小为5.9 mm、最大为15.5 mm，均在2 cm内。

图5 外符合精度测试

从图5可以看出，各测站点平面X、Y方向定位精度在2 cm以内，Z方向个别高于5 cm。结果表明，近海岛礁CORS系统在平面方向定位精度明显优于垂直方向，且两者均符合系统设计要求。

5 结语

通过测试结果，该岛礁CORS系统的稳定性和定位精度均达到规范要求，海上移动站多路径效应也找到新的改善方法。但岛礁CORS系统建设还面临一些问题，如站点选址、网络通信等。在未来CORS系统向近海建设的过程中，常规无线网络通信技术将不再适用于海上数据传输，需要将卫星通信和北斗短报文通信等新的通信技术运用于CORS系统数据传输中。随着海上风力发电站、近海石油平台等一大批海洋工程的建设，CORS基准站点选址也不再局限于近海岛礁的位置。随着近海CORS系统的不断建立和发展，近海CORS网络范围内的实时导航定位精度将得到大大提高，使近海厘米级定位精度成为可能。

[1] 汪伟，马华山，史廷玉，等.基于CORS的单基站RTK点位检校与精度评定[J].测绘通报，2013(11)：52-54.

[2] 黄俊华，陈文森.连续运行卫星定位综合服务系统建设与应用[M].北京：科学出版社，2009.

[3] 黄丁发，周乐韬，李成钢，等.GPS增强基准站网络理论[M].北京：科学出版社，2011.

[4] 赵倩，沈飞.江苏省CORS系统解算中IGS基准站选取的研究[J].测绘科学，2011，36(6)：124-126.

[5] 全GB/T 28588—2012球导航卫星系统连续运行基准站网技术规范[S].北京：中国标准出版社，2012.

[6] 张西军，唐卫明，曾广鸿，等.广州市CORS系统实时动态定位精度测试[J].测绘信息与工程，2008，33(5)：6-7.

[7] 付先国.GPS与GLONASS的几点比较分析[J].城市勘测，2010(2)：81-83.

Testing Research of Offshore Reefs CORS System

GUAN Minglei1，WANG Yinggang1，LI Feilong2，FU Tianshu1，ZHOU Li1

(1.Huaihai Institute of Technology,Lianyungang 222005，China;2.Shanghai Huace Navigation Technology LTD,Shanghai 201702，China)

Offshore reefs CORS system extends the coverage of CORS from inland to the near shore and offshore islands and reefs to achieve centimeter level accurate navigation and positioning in offshore areas. Components of the offshore reefs CORS system were introduced in the paper. At the same time, stability and time delay of the

tation, multi-path effects and accuracy of the mobile station were tested and studied, which provided references for the development of CORS technology utilized on the sea.

Reefs CORS，Positioning and navigation，Engineering technology

CORS(Continuous Operational Reference System)的建设和发展，陆地上全球导航卫星系统实时动态定位精度已达到厘米级。由于海上地理环境的特殊性，近海高精度导航定位成为海洋开发利用的“瓶颈”之一。为解决这一问题，我国在沿海地区都布设相应的差分台站，如沿海信标台站、海洋局差分站和沿海省(自治区、直辖市)CORS网等，在一定程度上提高定位精度和稳定性，但是港口航道建设和近海海洋工程这类对导航定位精度要求较高的行业，目前海上定位精度还达不到相应的规范要求，因此近海岛礁CORS系统建设成为未来海上定位发展的趋势之一。本文基于在建的近海岛礁CORS系统，对系统网络的稳定性和时间延迟、海上移动站的多路径效应以及系统的定位精度进行测试研究。

2016-04-14；

2016-08-01

管明雷，硕士研究生，研究方向为海洋空间信息技术，电子信箱：lyggml@126.com

P71

A

1005-9857(2016)08-0073-04

1 引言