深圳市北斗地基增强系统测试分析

杨凡敏， 李沛鸿， 张远， 邱蕾

（1.江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西 赣州 341000；2.深圳市地籍测绘大队，广东 深圳 518034）

0 引 言

北斗卫星导航系统(BDS)是我国自行研制、独立运行的全球卫星定位系统，是继美国GPS和俄罗斯GLONASS之后第三个成熟的全球卫星导航系统.系统由空间端、地面端和用户端组成，可在全球范围内全天候为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务，并独具短报文通信功能.北斗卫星导航系统于2012年12月27日正式向亚太地区提供服务[1-3].北斗地基增强系统是以北斗卫星导航系统为主，兼容其他GNSS系统的地基增强系统，是通过地面通信系统播发导航信号修正量和辅助定位信号，向用户提供厘米级至亚米级精密导航定位和大众终端辅助增强服务[4].

在系统建成后，系统性能和系统功能是否达到系统设计指标要求，是系统建设成功与否的重要指标，它关系到CORS（Continuously Operating Reference Stations）在实际应用中能否提供可靠的服务.蔡成辉等[5]对CORS定位精度的可靠性进行研究，得到内外符合精度的函数关系；陈裕汉等[6]从可靠性、可用性、定位精度以及兼容性方面对CORS系统进行检验、测试分析；张秀斌[7]、杨建科等[8]还对初始化效率（时间）进行了相关研究；达朝宗等[9]对甘肃CORS从定点测试、时间可用性和用户定位服务时效性方面进行系统测试分析，从而为甘肃省CORS系统投入试运行提供了有力支持；刘伟[10]对系统实时动态定位初始化时间、实时定位精度、时间可用性、空间可用性等开展相关测试分析；徐艳海[11]对新疆CORS进行实时定位性能、初始化时间等测试，系统的各项测试结果均优于设计目标，系统运行稳定性、兼容性良好，能够完成新疆的空间连续定位工作；杨建会[12]分析了中山CORS系统的在线实时坐标转换功能的作用.以上研究说明了系统测试的必要性及科学性；因此，基于完成对新建立的北斗地基增强系统以及在线坐标转换系统的测试，对该系统的定位精度、可靠性、兼容性以及可用性方面进行检验、测试，同时验证在线坐标转换系统的可用性及精度，其测试结果为CORS试运行和正式运行提供科学依据.最后得出相关测试结论，为进一步研究提供理论依据.

1 系统概况

深圳市北斗地基增强卫星连续运行服务系统（Shenzhen BeiDou Continuously Operating Reference Stations，简称SZBDCORS）是以北斗卫星导航系统为主，辅以GPS卫星导航系统兼容GLONASS等卫星导航系统的多模的连续运行卫星定位服务系统.加上原深圳CORS的5个基准站，共有建艺站（SZJY）、龙岗站（SZLG）、南山站（SZNS）、石岩站（SZSY）、大鹏站（SZDP）、平湖站（PINH）、松岗站（SONG）、滨海站（BINH）、坑梓站（KENZ）、宝安站（BAOA）、东涌站（DONC）共 11个基准站分布在深圳市境内[13].

SZBDCORS集成了基于光纤的SDH城域网络，1000 M内部局域网、Internet等网络.总体而言，系统可视为在SDH，LAN和Internet基础上构成的，拓扑结构是以控制中心为中央节点的星型网络.SZBDCORS网络通信协议统一采用TCP/IP，服务器操作系统采用Microsoft Windows 2008 Server R2.SZBDCORS系统由基准站子系统（Reference Station Sub-System）、 系 统 管 理 中 心 （System Monitoring and Analysis Center）、用户数据中心子系统（Data Transmission Sub-System）、用户应用子系统（User Application Sub-System）、数据通讯子系统（Data Communication Sub-System）组成.深圳市北斗地基增强系统关键技术参数（指标）如表1所示.

表1 深圳市北斗地基增强系统技术指标

2 系统测试

2.1 RTK动态实时定位精度

实时定位精度测试包括内符合精度测试和外符合精度测试.内符合精度反映系统定位结果的收敛情况，用于分析系统定位的稳定性；外符合精度则反映了系统定位的准确性[14-15].

2.1.1 内符合精度

内符合精度指的是单次观测值均方根误差，是观测值的系统偏差，能够准确地反映出定位结果收敛状况[16].根据《卫星定位城市测量技术规范》（以下简称《规范》）[17]，测试点的坐标分量内符合中误差（Mx，My）和点位中误差按照下列公式计算：

其中，（Mx，My）为坐标分量内符合中误差，cm；Ms为点位内符合中误差，cm；ΔX，ΔY为测试点每次观测值坐标分量与其加权平均值之差，cm；ΔS为测试点点位平均值与每次观测点位的差值，cm；N为测试点的个数；K为测试点的观测次数[18].

2.1.2 外符合精度

外符合精度代表的是定位坐标和实际坐标的符合程度[19]，两者之间的偏差就是系统实时定位的精度，可以反映出系统实时定位的准确性.根据《规范》，测试点的平面点位外符合中误差Mp计算公式如下：

其中，Mp为测试点的平面外符合中误差，cm；ΔP为测试点的观测点位加权平均值与其已知平面坐标点位差值，cm；N为测试点的个数.

2.2 定位服务时效性与兼容性

系统定位服务时效性，对于用户而言就是实时定位所需的初始化时间.是指用户在作业时，接收机经过一定时间的观测和计算获得固定解，这段时间叫作用户的初始化时间.影响初始化时间的主要因素有观测卫星数、卫星分布、观测环境和接收机软硬件设备等因素[20].

系统兼容性主要是指在基准站网有效覆盖范围内，数据处理与控制中心根据接收不同的RTK用户数据信息，能否快速、准确无误的发送差分数据服务.

2.3 在线坐标转换系统测试

由于SZBDCORS采用的是国家2000大地坐标系坐标，而在深圳市日常测量中常用的是深圳独立坐标；另一方面，由于获取的是大地高，而实际使用的是正常高.因此，如果使用SZBDCORS能够直接得到用户需要的深圳独立坐标和正常高将会是非常方便的.为解决这一问题，通过生成分区坐标转换参数，将似大地水准面模型及传统的转换参数按照格网分配到各格网的坐标转换参数中去，开发了在线实时坐标转换系统.该系统能实现在不公开转换参数的情况下，用户可直接实时获取深圳独立坐标和1956黄海高程，将极大地提高用户作业效率[21].

在线坐标转换系统，通过生成分区坐标转换参数，将似大地水准面模型及传统的转换参数按照格网分配到各格网的坐标转换参数中去，从而在服务端消除了大地水准面模型参数及传统转换参数，保护了转换参数.结合在线坐标转换系统和深圳市北斗地基增强系统进行野外实地环境下的测试，测试在RTK+事后坐标转换（模式1）和在线坐标转换系统（模式2）这两种模式下，分区格网转换的可用性及精度.

3 测试结果分析

3.1 内外符合精度分析

从全市范围内均匀的选取了60个一级以上点（已知深圳独立坐标和高程），采用4种模式进行RTK测试.第一种模式：应用GPS及BDS双系统进行测量，接入点选择：RTCM GB；第二种模式：应用BDS单系统进行测量，接入点选择：RTCM 3B；第三种模式：应用GPS单系统进行测量，接入点选择：RTCM 3G；第四种模式：应用 GPS单系统（原SZCORS）进行测量，接入点选择：RTCM 31.本次测试时间跨度为2017年10月至12月，测试使用的仪 器 类 型 主 要 有 ：Trimble R4、Trimble R8、Leica GS15、Trimble R10、PD328、南方银河 1，测试点位分布如图1所示.

根据《规范》中点位坐标分量内符合中误差和平面点位外符合中误差公式，即公式（1）～公式（4）及公式（5）～公式（6），分别计算内外符合精度，统计结果如表2、表3所示[22].

图1 RTK定位精度测试分布

表2 内符合中误差/cm

表3 外符合中误差/cm

由表2可知，4种模式的实时动态定位内符合精度都在毫米级，远高于《规范》规定的精度要求（2 cm），说明了系统实时动态定位的稳定可靠性.由表3可知，4种模式的实时动态定位外符合精度都在 2～3 cm，也都优于《规范》规定精度（5 cm），说明了系统实时动态定位的准确性.

3.2 系统定位服务时效性与兼容性分析

RTK用户初始化时间的测试是检验系统定位服务时效性的重要体现.测试选取徕卡、天宝、南方等主流接收机，分别在全市范围内进行测试.测量三组数据，每组测量60个值，每个历元一秒采样，每组重新初始化，记录每次初始化时间.初始化时间统计结果如图2所示.

从初始化时间统计结果来看，新系统下的初始化时间明显比原系统少.原SZCORS系统初始化平均时间为19 s，新系统下单GPS初始化平均时间为15 s，GPS+北斗的初始化平均时间为14 s，单北斗的初始化时间较为有优势平均为5 s，全市的初始化时间相对比较稳定，反映了系统比较稳定.同时，还测试了本系统各差分改正数据格式和设备之间的兼容性，结果显示系统兼容绝大部分市场主流的仪器设备，其中天宝和南方的仪器无法使用单北斗模式进行测试，攀达时空可以利用单北斗模式进行观测.

3.3 在线坐标转换系统测试分析

在线坐标转换系统测试，包含两种测量方式.第一种测量方式为任选4个模式中的一种模式进行测量，得到各个测点的经度、纬度、大地高，并转换得到深圳独立坐标X、Y及1956黄海高程；第二种测量方式为使用新开发的深圳在线坐标转换系统，按照系统的用户设置说明书，根据使用仪器的型号设置转换参数、IP、端口、接入点及差分数据协议，直接获取各个测点在深圳独立坐标系下的X、Y及1956黄海高程.每种测量方式通过在40个一级点以上（已知深圳独立坐标和高程）进行RTK测试，共测试3组数据，每组数据60个观测值（1 s记录一个）.两种测量方式测试结果内、外符合精度如图3所示.

图2 不同模式下的初始化时间

图3 两种测量方式测试结果

在线坐标转换系统测试结果：

1）在深圳市全区域范围内，北斗/GNSS+分区格网可用；

2）RTK与分区坐标转换参数系统内符合与外符合的平面、高程精度一致；

3）内符合精度测试表明：RTK平面方向的内符合精度总体在0.8 cm，高程在1.3 cm左右；

4）外符合精度测试表明：RTK平面方向的外符合精度总体在2 cm，高程在8 cm左右.

4 结 论

通过从动态实时定位精度、时效性与兼容性以及在线坐标转换系统方面对深圳市北斗地基增强系统进行测试，测试结果显示：4种模式下的点位精度分布均匀，具有较高的稳定性，内外符合精度优于规范技术要求，可满足全市范围内的RTK作业精度要求；初始化时间相对比较稳定，系统兼容性较强，总体来说多系统模式要好于单系统；并且在线坐标转换系统通过提供分区格网化的参数转换，验证了系统可用性，且精度达到预期要求.