星基增强加持CORS数据断点续航测试分析

许艳博 李 毅 崔醒宇 王名洋

(1. 北京市测绘设计研究院, 北京 100038; 2. 城市空间信息工程北京市重点实验室, 北京 100038)

0 引言

星基增强系统是全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)不可或缺的重要组成部分,目前都是一些世界闻名的科研机构来进行精密单点定位的数据处理和研究,如美国的喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)、加拿大联邦自然资源部(Natural Resources Canada,NRCan)、德国波茨坦地学研究中心(The Helmholtz Centre Potsdam German Research Center for Geosciences,GFZ)等。GFZ研究出采用最小二乘估计法;美国的JPL则研究出了采用平方根滤波估计方法(SIRF);这两种方法可以应用在全球卫星导航系统(Global Positioning System,GPS)卫星星历及钟差计算上,国际卫星导航系统服务(International Global Navigation Satellite System Service，IGS)全球框架的建立、低轨卫星的定轨计算。利用这两种不同方法确定的GPS轨道参数精度可以到达2～5 cm,确定卫星钟差精度可以达到0.1～0.2 ns,测站静态定位水平精度达到厘米级,高程精度达到厘米级[1-4]。随着自主知识产权北斗系统的建立,我国专业学者也对精密单点定位进行了深入的研究。魏子卿、葛茂荣在GPS相对定位的数学模型中介绍了相对定位模型中非差模式的处理方法[5]。由武汉大学测绘学院2005年研制成功的精密单点定位软件trip,通过处理单台GNSS接收机的非差观测值,可以实现厘米级甚至是毫米级的单点静态定位和分米级至厘米级的动态单点定位精度[6-9]。

国内目前的连续运行参考站(Continuously Operating Reference Stations,CORS)数量有2 000个左右,基本都是GPS、俄罗斯全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GLONASS),面临着升级北斗系统的需求,并且国内的CORS建设没有停歇,加密的需求日趋严峻。国内当前的CORS系统以国土、测绘、规划、气象、地震部门引领,随着北斗产业的扩展,其应用范围大大超出上述行业主体,其他各个行业都有CORS的建设需求,如交通运输、能源、个人位置服务等。中国、美国、俄罗斯、欧洲的四大导航系统,拥有超过100颗的导航卫星,多系统兼容的研究和发展已成为大趋势,在和平发展的前提下要充分整合资源。

国内也有一套星基增强系统于2015年正式提供全球厘米级商业服务。未来的技术热点是CORS系统与星基增强系统的非差相位精密单点定位技术的融合。CORS系统与星基增强系统各自有着鲜明的优缺点和互补性,新的定位技术发展必将掀起高精度卫星定位应用的新高潮。本文阐述星基增强系统、CORS系统的原理及优缺点。因为CORS系统基准站与流动站需要双向的数据通信网络环境,所以在应用区域、网络环境和用户量载荷方面存在先天的劣势,引出星基增强、CORS协同作业的方式和基本原理。最后通过实验实测CORS和星基增强系统下的测量数据,用数据分析了两个系统在精度、收敛时间等方面的差异及各自的优缺点,针对两个系统的差异与互补性探讨了星基增强加持CORS数据断点续航的作业方式带来的优势。

1 星基增强与CORS系统的原理及差异

1.1 星基增强系统

星基增强系统是利用分布在地面上的参考站网络对导航卫星进行测量来获取定位信息,并将定位信息发送到主控站,测量的数据经过主控站的数据处理,对星历误差、电离层延迟误差、卫星钟差等信息进行改正,通过上行注入站发送给搭载卫星导航增强信号转发器的地球静止轨道卫星,最终向用户播发,实现对于原有卫星导航系统定位精度的改进[10]，星基增强系统原理如图1所示。

图1 星基增强系统原理图

星基增强系统定位精度高、速度快、覆盖面广,用户无须建基站,用户设备简单易用,无须额外差分数据链路,在难以设计基准站的海洋、沙漠、山地等地区具有广泛的使用前景[11]。实时解算大地坐标,没有误差累积,测量长边时相对精度非常高,以10 cm的绝对误差计,10 km为1/10万,100 km为1/100万。相对于实时动态载波相位差分技术(Real-Time Kinematic，RTK)或CORS站其精度收敛慢(平均20 min),收敛后的精度可达到5 cm左右。

1.2 CORS系统

CORS系统是在一定区域范围内,根据地理情况按照一定密度布设一定数目的固定参考站,利用卫星通信技术与网络通信技术将各基准站、数据处理中心紧密地联系起来,数据处理中心将来自各参考站的观测数据进行加工计算,然后通过数据链将定位相关的信息发送给流动站(用户),流动站利用自身内带软件获取定位结果。此方法借鉴了广域差分和局域差分技术的原理,消除或减弱了各种系统误差,提高了定位精度[12]，系统原理如图2所示。

图2 CORS系统原理图

CORS解决了常规RTK覆盖范围10 km以内的束缚,在相同基准站的情况下,常规RTK技术是在作业半径内,流动站围绕基准站工作,各个基准站相互独立,而网络RTK解算的是多基站的差分数据,在网络覆盖的范围内测量精度不会因为和基准站距离的增大而变化,差分的范围还可以向网外延展。

1.3 星基增强系统与CORS系统的差异

(1)星基增强系统与CORS系统的构成不同,CORS可以定义为一个或若干个固定的、连续运行的GNSS参考站,是利用现代计算机、数据通信和互联网(LAN/WAN)技术组成的网络[13],可以实时向不同需求的用户发送不同类型的服务信息。广域差分星基增强系统是基于卫星的增强系统,用户需要接收来自同步卫星发送的差分改正数据来实现高精度定位,对通信设施要求更高,因此，其成本、使用及维护费用也比较高。

(2)星基增强系统与CORS系统定位精度不同,星基增强收敛后的精度一般为5～12 cm,CORS则可以实现厘米级定位精度。

(3)星基增强系统与CORS系统工作方式和覆盖范围的不同,星基增强系统直接从卫星L波段或者网络服务器接入端口播发广域差分数据,解决了无人区、海域的差分需求,也解决了对3 G、4 G公网及电台数据链路的依赖。而CORS则是利用互联网LANWAN网络向用户传输经过检验的差分数据,在网络信号不好或者网络覆盖有问题时,就不能很好地保障高精度作业[14]。

(4)收敛时间的不同,CORS收敛时间在10 s以内,星基增强系统的收敛时间一般为20 min。

2 星基增强加持CORS数据断点续航原理

GPS流动站接收机在接收CORS站发送的差分数据的同时也会接收来自星基增强系统发送的广域差分数据,当CORS数据链路因为意外情况中断,系统就会根据预先设置好的差分延迟阈值判断CORS差分信号是否中断,如果判定数据中断,就会启用星基增强的差分数据去加持CORS的定位精度[15]，星基增强加持断点续航流程图如图3所示。

图3 星基增强加持断点续航工作流程

精密单点定位采用IGS精密星历,所以精密单点定位解算出的坐标是基于所使用的IGS精密星历的坐标框架,而非各GNSS广播星历所用的坐标系统。另外,不同时期IGS精密星历所使用的国际地球参考框架(International Terrestrial Reference Frame,ITRF)也不同,所以在进行精密单点定位数据处理时,需要明确所用精密星历对应的参考框架和历元,并通过框架和历元的转换公式进行统一。断点续航不会更改CORS的坐标框架,接收机客户端不需要任何仪器设置,但由于星基增强系统的定位精度一般为5～12 cm,如果CORS通讯链路不能及时恢复,GPS的定位精度会随着时间推移而逐渐下降,最后会维持在星基增强的定位精度。

3 星基增强与CORS差异性和断点续航测试实验

3.1 星基增强与CORS的差异性测试实验

为了验证星基增强系统和CORS系统的差异,本文设计以下测试:将一台RTK设备(合众思壮G970)和一台星站RTK设备(合众思壮G10A)固定在三脚架上分别进行1 h的CORS接入测试和星基增强单点定位测量测试。

G970的CORS系统接入测试过程中模拟部分情况下CORS差分信号中断。这在实际CORS测量的过程中是非常普遍的,一方面原因是网络信号的不稳定性造成的差分数据中断,另一方面是由于CORS网对用户接入数量的限制,当大量用户接入的时候会出现部分用户被系统踢下线的情况发生。在1 h的测试过程中分别在第10、20、35、50 min的时间点手动断开CORS信号,模拟差分信号分别断掉2、5、10、2 min的应用场景。通过控制网络的接通与否来控制差分信号的接入或断掉，测试情况见表1、图4所示。

图4 CORS系统测试

从测试数据可以看出CORS系统的优缺点如下:

(1)初始化速度快,首次初始化时间优于10 s(表1)。

表1 北京市测绘设计研究院CORS系统快速初始化

(2)定位精度高,在测试环境较好的情况下,内符合中误差在1～2 cm左右。

(3)受制于差分信号的限制,在差分信号中断的情况下精度快速降低到70～80 cm左右。

G10A接收机利用星基增强系统进行单点定位，模拟在没有网络信号情况下的定位测量，星基增强系统测试如图5所示。在荒漠、深山、海洋等无法获取差分信号源的作业环境下,星基增强系统是唯一的依赖。

图5 星基增强系统测试

从测试数据可以看出星基增强系统的优缺点如下:

(1)对通信网络没有依赖,单机可实现厘米级定位。

(2)单机长时间观测收敛以后的平面中误差可以达到5～12 cm,基本满足高精度测量需求。

(3)收敛时间长,需要20 min左右的时间,精度才能降到10 cm左右。

3.2 星基增强加持CORS数据断点续航测试实验

将一台合众思壮G10A星站差分RTK设备同时接入CORS系统和星基增强系统，并进行测试。测试过程中断掉CORS系统差分数据,即在1 h的测试过程中分别在约10、20、35、50 min的时间点断开CORS数据2、5、10、2 min的应用场景。通过控制网络的接通与否来控制差分信号的接入或断掉,测试结果如图6所示。

图6 星基、CORS、断点续航测试数据对比

从数据可以看出,即使CORS系统的差分数据中断,在星基增强系统的作用下依然保持了固定解的测量结果。精度会有略微的发散,但依然在可接受的范围内,且在CORS系统的差分信号恢复的时候立即收敛到CORS系统的精度范围。

在CORS系统模式下作业,用户接收机需要时时接收来自参考站的差分数据,所以数据链路必须保持通畅不能中断,但外业工作环境复杂,信号受到强磁干扰、意外中断不可避免,虽然在信号中断后可继续解算,但维持不了几秒钟时间。

4 结束语

从本文的实验数据分析结果可以看出,支持星基增强的接收机在测试中收敛时间和数据精度都达到了我们的预期。星基增强加持CORS数据断点续航作业是把从星基增强系统中获得的广域差分数据利用“相关性”的解算方法与CORS系统中的数据结合起来,在公网意外中断无法接收基准站的差分改正数后,利用星基增强的信号来扩展“相关性”的外推时间,维持2～5 cm的定位精度,时间长达20～40 min,这段时间可以继续进行测量工作。如果40 min以后,流动站的接收机仍旧接收不到来自CORS网的差分数据,则精度回到星基增强系统的精度,这种珠联璧合的配合,是CORS和星基增强系统的完美结合。在实际的测量工作中,CORS系统的差分信号往往是断续性的,这个断续时间通常不会很长,有了星基增强系统的配合,外业数据采集时几乎不会丢失固定解,从而提高了工作效率。