区域北斗地基增强系统动态服务精度分析

2017-01-13谢玉兵王昌瀚蒋明富汪海涛

地理空间信息 2016年11期

关键词：双差测试点北斗

谢玉兵，王昌瀚，蒋明富，汪海涛

（1. 61287部队，四川成都 610036；2.重庆市勘测院，重庆 400100）

区域北斗地基增强系统动态服务精度分析

谢玉兵1，王昌瀚2，蒋明富1，汪海涛1

（1. 61287部队，四川成都 610036；2.重庆市勘测院，重庆 400100）

分析了北斗卫星导航系统数据模型，并通过实际案例测试了其动态服务精度。结果表明，区域北斗地基增强系统的动态服务精度指标完全达到了相关标准的要求，特别是BDS+GPS组合较之传统GPS增强系统有较大的提升，体现了多系统融合的优势，也为北斗卫星导航系统在相关领域的推广应用提供了丰富的数据支撑。

区域北斗地基增强系统；动态服务；精度分析

全国北斗地基增强系统是由国家统一规划建设的，以北斗卫星导航系统（BDS）为主，兼容其他GNSS系统的地基增强系统；利用间距为50～300 km的地面基准站，通过地面通信系统播发导航信号修正量和辅助定位信号，向用户提供cm级至亚m级精密导航定位和大众终端辅助增强服务[1]。

在全国北斗地基增强系统的基础上，一些较大的城市也在建立各自的区域北斗地基增强系统，主要包括连续运行参考站建设、控制中心建设、数据通信系统建设和用户应用系统建设。在动态服务中，大多采用虚拟参考站技术（VRS）。本文结合重庆市北斗地基增强系统相关测试，对BDS的数据模型及其动态服务精度进行了深入分析。

1 BDS数据处理模型

在北斗的测量型应用中，影响北斗载波相位观测精度的误差源主要为3类：与卫星有关的误差（如星历误差、卫星钟差等），与信号传播路径有关的误差（如电离层误差、对流层误差、多路径误差等），与接收机有关的误差（如接收机钟差、载波相位观测误差等）。由于在BDS精密定位中，通过测站间组双差的方法可消除或削弱以上大部分误差的影响，因此在BDS数据处理中常采用相对定位方法来处理北斗测量型数据。

在卫星导航系统相对定位中，要获得高精度的位置解，就必须使用载波相位观测量，而载波相位观测量整周模糊度的固定与否直接关系到定位的精度。相位、伪距测量的函数模型为：

式中， f为BDS的3个频点（f=1，2，3）； j为卫星的编号；m为测站；λf为频点f对应的载波波长；Φf,mj、Pf,m,j分别为载波相位和伪距观测量；ρmj为测站m到卫星j的几何距离；δtm为测站m的接收机钟差；δtj为卫星j的钟差；Nfmj为整周模糊度；Ifmj、Tmj分别为电离层和对流层延迟；Mm,φj、εm,φj分别为载波相位观测量的多路径效应和观测噪声；Mm,ρj、εm,ρj分别为伪距观测量的多路径效应和观测噪声；c为光速。

对于多频数据来讲，通过观测值之间的线性组合可以构造多种宽巷和窄巷线性组合观测量，从而得到不包含电离层延迟误差的观测量，以此消除或减弱卫星星历误差、卫星钟差、对流层延迟的影响；并通过测站间作差消除接收机钟差的影响，有利于整周模糊度的解算。本文采用MW组合对周跳进行探测与标记，然后利用卡尔曼滤波法估计模糊度，再运用快速模糊度解算法对模糊度进行快速固定，最后利用观测值之间的双频无电离层组合观测量和已经固定的模糊度恢复误差方程，构建法方程矩阵，求解待测站坐标。

MW组合观测量为：

双频无电离层组合观测量为：

假设m站和n站同时进行测量，且它们具有共同的观测卫星，则双差观测量为：

双差观测量进一步削弱了对流层误差、卫星星历误差的影响，并消除了卫星钟差的未知量，可以比较容易地解算待测站坐标。

区域BDS动态服务基本都采用VRS技术[2]，参考站间的双差观测值λ(∆∇φ+∆∇N)与距离双差∆∇ρ之间的差值可根据观测值、已知站坐标及卫星星历求得[3]，为已知值。采用一定的内插算法[4]可求得作为参考点的参考站和虚拟参考站间的差值；求得二者之差后可根据式（6）计算双差观测值λ(∆∇φPA+∆∇NPA)。

式中，∆∇φPA+∆∇NPA=∇φA-∇φP+∆∇NPA；∇φA为参考站在两颗卫星间求一次差，可根据载波相位观测值求得；∆∇NPA为双差整周模糊度，可在初始化过程中确定[5]。于是在虚拟参考站上的单差观测值∇φP便被求出；数据处理中心将该观测值播发给用户后，即可与流动站上的单差观测值相减组成双差观测值进行动态定位。

2 区域北斗地基增强系统动态服务精度测试

2014年重庆市建成区域北斗地基增强系统，主要包括9个北斗连续运行参考站建设、控制中心建设、数据通信系统建设和用户运用系统建设。动态服务采用VRS技术。

2.1 测试点选取

重庆市作为典型山地城市，区域内高差变化大。针对这一特点，在网内、网外分别选取30个和24个高等级控制点，各点均具有精确WGS84大地坐标系成果。测试点分布在具有地形代表性的位置，高程为188～833 m。

2.2 测试方法

测量时每个测试点上进行5次初始化，每次初始化连续记录30组数据；统计内符合精度；与已知成果比较，并统计外符合精度[6-9]。

2.3 测试结果及统计分析

1）内符合精度统计。内符合精度反映系统定位结果的收敛情况，用于分析系统定位精度的稳定性。本项测试使用南方S82C双星接收机，在网内、网外测试点上采用BDS+GPS组合定位方式进行网络RTK测量。根据《卫星定位城市测量技术规范》（以下简称《卫星定位规范》）中点位坐标分量内符合中误差和点位平面内符合中误差公式，计算网内、网外内符合精度，统计结果如表1所示。

表1 网内、外测试点内符合精度统计/cm

由表1可看出，系统网内、网外的内符合精度均满足《卫星定位规范》中4.1.8：城市CORS系统测试坐标分量内符合中误差不应超过2 cm的要求。

2）外符合精度统计。外符合精度反映了系统定位的准确性。通过对网内、网外测试点采用BDS+GPS组合定位方式进行网络RTK测量，计算各点观测坐标与已知坐标的较差，从而计算系统外符合中误差，结果如表2所示。可以看出，系统在网内、网外的外符合精度满足《卫星定位规范》中城市CORS系统测试外符合中误差不应超过5 cm的要求。

表2 网内、外测试点外符合精度统计/cm

3）不同卫星系统定位精度检测。为了测试不同卫星系统的定位精度，分别在网内、网外各选取5个测试点，分别采用单独BDS、单独GPS和BDS+GPS组合3种方式进行测量，测试点内符合精度见表3，与已知点较差见表4。结果表明，单独GPS内符合精度优于单独BDS；BDS+GPS组合的内符合精度、外符合精度均较单独GPS和单独BDS有明显提高。