卫星导航差分系统和增强系统（四）

+ 刘天雄

2.3.3 连续运行参考站系统

在大地测量、形变监测、道路施工、精准农业等领域，对卫星导航系统提出了动态厘米级、静态毫米级的定位精度要求，仅靠卫星导航系统自身无法满足如此高的定位要求，因此，需要建设增强系统提高其精度，连续运行参考站系统（continuous operation reference station system，CORS）就是为满足这些应用需求发展起来的。

CORS是地基差分系统，由若干个参考基准站、一个中心站和通信链路组成，数据处理中心与参考基准站之间一般需要建立双向通信链路。每个参考基准站配置双频卫星导航接收机，基准站应按规定的采样率进行连续观测，并通过数据通信链实时将伪距、载波相位测量观测数据传送给数据处理中心，数据处理中心根据流动站送来的近似坐标(可根据伪距法单点定位求得)判断出该站位于由哪三个基准站所组成的三角形内，然后根据这三个基准站的观测资料求出流动站处所受到的系统误差，并播发给流动用户来进行修正以获得精确的结果，必要时可将上述过程迭代一次，实现静态8～10mm，动态3～5cm的高精度定位。

图10 连续运行参考站系统的工作原理

参考基准站与数据处理中心间的数据通信可采用数字数据网DON或无线通信等方法进行。流动站和数据处理中心间的双向数据通信则可通过移动电话GSM等方式进行。数据处理中心利用通信链路播发修正数据，播发系统有单向和双向两种工作方式，在单向方式中，用户从数据处理中心得到一致的修正数据；在双向方式中，用户将自己的粗略位置传送给数据处理中心，数据处理中心将针对性的修正数据播发给用户，每个用户可能得到不同的修正数据。用户终端根据得到的修正数据，修正定位信息，以达到增加定位精度的目的，CORS的工作原理如图10所示。

CORS应用多基站网络RTK技术解决参考基准站差分改正数据作用距离有限的问题，RTK技术基于载波相位观测量进行实时差分，用户站同时接收导航信号和参考站传输的观测数据，根据相对定位原理，实时解算整周模糊度未知数并得到用户坐标，网络RTK技术中，线性衰减的单点导航差分误差模型被区域型的导航差分网络误差模型取代，通过多个参考站组成的导航网络估计一个地区的误差模型，并为该网络覆盖地区的用户提供校正数据。

对于CORS系统而言，数据处理中心是其核心，CORS利用特定的算法对参考站网的数据进行处理得出精确的差分改正，使用户得到更好的定位精度。应用较广泛的CORS技术有天宝（Trimble）公司的虚拟参考站(VRS)技术和Leica公司的主辅站改正(MAX)技术，这两种技术都是将所有的固定参考站数据发送到数据处理中心，进行联合解算，再以RTCM等标准格式播发到移动站，但两者也存在一定的差别。

VRS技术工作原理：在特定区域建立永久的固定参考站(通常相距50～70km)，用户接收机通过GSM短信息功能向控制中心发送一个概略坐标，控制中心根据用户的位置，选择一组最佳的参考站，利用特定的模型算法，相当于在用户位置附近建立一个虚拟参考站，并利用此参考站产生高精度的差分改正信息，控制中心将标准格式的改正信息发送给用户接收机进行载波相位差分改正，从而产生厘米级的定位结果，解决了RTK技术作业距离限制上的问题口。

MAX技术工作原理：利用多基站、多系统、多频(L1，L2，L5)及多信号非差处理算法，采用了Leica公司的SpiderNET软件包，利用了LAMBDA算法(Teunissen，1994)解算整周模糊度，利用卡尔曼滤波进行平差处理。利用网络处理软件将网络中所有参考站相位距离归算到一个公共的整周未知数水平，并据此对每一对卫星／接收机以及每一个频率计算出弥散性(误差值与频率有关)和非弥散性(误差值与频率无关)误差，并将此误差的差分改正数作为网络的改正数据播发给流动站。主辅站技术克服了VRS技术需要双向通信的缺陷，且无网大小限制，也没有网中台站及流动用户的数量限制。

根据以上工作原理，在CORS覆盖区域内，无论用户在哪里，中心站都可根据用户当前所在的粗略位置，为该用户计算出所需的差分数据，好象在用户的附近建立了一个临时虚拟基站，从而保证用户可以连续地进行高精度定位，避免了用户不断切换基站的问题。CORS的工作原理决定了每个用户需要保持与中心站双向数据通信。每个基站需要保持与中心站单向数据通信，同时要求每个基站能够同时提供伪距测量值和载波相位测量值。

目前，CORS采用的主流解算方法虚拟参考站（VRS）算法，已被美国天宝公司申请专利，在建设北斗地基差分系统的过程中，如何正确使用现有的技术资源，同时又不触犯对方的知识产权，避免知识产权纠纷，是建设过程中不可避免遇到的问题。

2013年6月21日，中国卫星导航系统管理办公室召开“北斗应用推广示范工程”工作会，提出建设覆盖全国的北斗地基增强骨干网建设目标，在全国建设150个均匀分布的框架参考网站，在湖北、湖南和广东建立150个示范加密网参考站，建设一个综合数据处理中心和一个备份数据处理中心，三个区域数据处理中心，完成交通、测绘、地理国情监测和大众应用服务示范系统建设，实现广域、区域、辅助增强一体化集成服务。

2014年4月，国家重大专项领导小组确定由中国北方工业集团公司承担国家北斗地基增强系统研制建设总体任务，与国家交通运输部、国家测绘局、中国气象局、中国地震局、国土资源部、中科院国家授时中心、教育部武汉大学等单位共同实施项目研制建设。北斗地基增强系统利用多基站网络RTK技术建立连续运行参考站系统，也称为北斗CORS系统，提供北斗卫星导航系统定位精度的增强服务。北斗地基增强系统是在一定区域范围内，由若干个连续运行的基准站、数据通信链路、数据中心和用户终端构成的局域网络。北斗地基增强系统综合应用卫星导航定位技术、计算机技术、数据通信和互联网（LAN/WAN）技术进行实时差分改正信息解算，可向用户自动提供经过检验的卫星导航信号观测值（载波相位、伪距）、差分改正数、状态信息等卫星导航增强信息，为不同行业、不同类型用户提供多种多样的高精度导航定位解算服务。

图11 北斗地基增强系统框架网基准站分布

北斗地基增强系统由框架网和加密网基准站、通信网络系统、数据处理系统、数据播发系统、应用终端等组成。国家北斗地基增强系统在境内建设150个国家框架网北斗基准站，站间距300km～1000km，平均每省、自治区至少有3～5个北斗基准站，每个直辖市至少有1个北斗基准站，框架网基准站分布图如图11所示；1200个区域加密网北斗基准站，站间距一般不大于60km，采用国家补贴、企业自筹的方式建设系统，区域加密网基准站分布图如图12所示；建立了北斗数据综合处理系统、数据备份系统、6个行业数据处理系统，利用卫星L波段、C波段、中国移动多媒体广播（CMMB）、中国数字广播（CDR）、移动通信等多种方式播发增强数据，实现广域实时米级和分米级、区域实时厘米级和后处理毫米级四类高精度服务。

图12 北斗地基增强系统区域加密网基准站分布

北斗地基增强系统框架网基准站用于提供北斗广域修正（米级、分米级）数据产品解算所需的北斗卫星播出的导航数据。区域加密网基准站用于提供北斗区域差分（厘米级、后处理毫米级）数据产品解算所需的北斗卫星播出的导航数据。通信网络系统用于连接基准站至国家北斗数据处理系统、国家北斗数据处理系统至行业北斗数据处理系统、国家北斗数据处理系统至数据产品播发系统之间的数据传输。数据处理系统用于基准站卫星导航原始观测数据的接收、存储、质量分析与评估、解算广域、区域、后处理高精度数据产品、对数据产品进行解析和封装、推送到数据播发系统。数据播发系统包括卫星（L波段、C波段）、无线电广播（CMMB和CDR）、移动通信（2G/3G/4G），将北斗高精度数据产品播发至对应“人、车、物”的应用终端。应用终端接收北斗卫星导航信号和北斗差分数据信号，即可解算出相应的北斗高精度定位信息。通过位置服务运营平台，降低位置服务的门槛，支撑大众和行业应用。

北斗地基增强系统将中国大陆国土网格化，在网格节点安装北斗高精度接收机，接收北斗卫星导航信号，通过通信网络实时传输到国家数据综合处理系统，经处理后生成卫星精密轨道、钟差、电离层、综合改正数和完好性等数据产品，利用卫星、数字广播、移动通信等方式进行播发，用户利用北斗高精度接收机/应用终端接收北斗高精度数据产品后进行解算，即可获得实时米级、分米和厘米级定位服务，及系统提供后处理毫米级的定位服务。

美国连续运行参考站系统（CORS）由国家大地测量局负责管理，在全美建设参考基站1900多个，基站分布如图13所示，利用移动通信播发GPS差分改正数据，为大地测量、地理信息、农业以及工程与科学研究等用户提供实时厘米级、后处理毫米级定位精度。

美国政府对地基增强系统的应用既传统又开放，一方面通过明确的政策法规，推荐使用GPS及GLONASS导航系统信号；另一方面，积极鼓励各州政府与民众合作共建，共享数据。美国NDGPS系统和CORS系统的运行发展较为成熟，但高精度定位应用仍局限于传统领域，尚未凸显位置服务的智能化作用。

图13 美国连续运行参考站系统（CORS）基站分布

英国国家大地测量局建设了OSNet地基增强系统，在全英建设参考基站140多个，利用移动通信和互联网播发GPS差分改正数据，OSNet系统的原始数据被提供给Leica 、Trimble、Topcon等5家公司，由其提供市场服务，为用户提供实时厘米级、后处理毫米级定位精度。德国国家测量部门联合运输、建筑等部门共建了SAPOS地基增强系统，在全德建设参考基站200个左右，利用移动通信和互联网播发GPS差分改正数据，为地震监测、地面沉降监测、海平面监测、水汽含量的精确测定、高速公路管理等用户提供实时厘米级、后处理毫米级定位精度，且基于SAPOS地基增强系统实现了德国高速公路不停车收费服务。受欧盟一体化、政治体系差异的影响，欧洲各国的基准站网络尚未联结，目前欧洲框架网（EUREF）的主要服务有高精度站坐标值和速度场、站时间序列以及对流层大气延迟参数等，但尚未转化至高精度民用领域。

加拿大大地测量局和地质测量局建设了CACS地基增强系统，基于加拿大大地测量动态参考框架，在全加建设参考基站40多个，利用移动通信和互联网播发GPS差分改正数据，为测量、地球物理等用户提供1-10米，后处理优于3厘米定位精度。澳大利亚新南威尔士土地和财产管理局建设了CORSnet-NSW地基增强系统，在全澳建设参考基站80多个，利用移动通信和互联网播发GPS差分改正数据，为测量、农业、矿业、紧急服务、科学研究、建筑和气象探测等行业用户提供实时厘米级、后处理毫米级定位精度。作为前英联邦国家，加拿大与澳大利亚均沿袭了英国成熟发达的测绘地理信息技术体系，并在此基础上进一步发展。由于地广人稀、区域发展不均，加拿大和澳大利亚的高精度应用主要集中在本国发达地区的国土测绘、公共事务、交通航道等应用领域。

日本国家地理院建设了COSMOS地基增强系统，在日本境内建设参考基站1200个，基站分布如图14所示，系统站点平均密度20km，利用移动通信和互联网播发GPS差分改正数据，为地震监测与预报、工程控制与监测、测图与地理信息系统更新、气象监测与预报等行业用户提供实时厘米级、后处理毫米级定位精度。由于自然灾害频发，基于灾害的监测需求，日本建设了全球基准站密度最高的地基增强网络，通过发达的通信网络，做到秒级实时响应，应用领域以传统行业为主。

图14 日本COSMOS地基增强系统基站分布