大范围矿区场景下的BDS精密单点定位研究进展

高井祥

(1.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏 徐州 221116)

0 引 言

矿区场景下的煤矿建设、开采和形变监测离不开GNSS技术的支持。早期的GNSS用户主要依靠标准单点定位(Standard Point Positioning，SPP)和相位差分定位技术来获取定位结果。SPP仅由单台接收机就能获取用户的位置信息，但定位精度只能达到m级，是低精度用户(如航海)的主要定位手段。差分定位是通过观测量差分的方式来大幅消除相关的定位误差项，以此来获得精确的量测信息，由于其高精度和高可靠性，是目前应用最为广泛的GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)定位技术[1]。但是差分定位技术也存在一定的技术局限性，如必须联系国家高等级的基准信息；在高精度实现和时效性上存在应用瓶颈。煤炭安全生产是产煤企业的工作重点，需要GNSS提供高精度、高可靠的位置信息服务以供生产与指挥决策之便。煤炭开采会导致矿区地表发生沉陷变形，对矿产区域人民的生产生活带来巨大的影响。针对小范围矿区，可以在矿区之外地质构造坚固的地区架设GNSS基站，通过差分定位技术手段获取高精度相对位置信息服务于矿区形变监测与生产工作；但在大范围矿区，难以在近区域建立稳定的基准站，且长基线将大大降低差分定位的精度，难以满足安全生产的基本要求。精密单点定位(PPP，Precise Point Positioning)技术首次由Zumberge提出[2]，它是通过外部高精度的产品或模型对相应误差项进行改正，获取地球参考框架下的高精度的位置坐标。PPP无需GNSS基站，操作简单，可实现全球范围内的高精度定位，因此面向大范围矿区开展精密单点定位模型的研究工作具有重要意义，可以在无基站情况下满足大范围矿区定位需求。中国北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System，BDS)发展至今，相关技术手段发展日渐成熟，已于2020年7月完成了全球组网工作。利用中国自主建设的BDS在大范围矿区场景下实现精密单点定位应用研究，有利于提升矿区的生产效率，在提升北斗系统技术水平的过程中维护国家安全与核心利益。

1 BDS精密单点定位

BDS是我国着眼于国家安全和经济社会发展需求，自主建设、独立运行的全球卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航与授时(PNT)服务的国家重要时空基础设施[3-4]。我国BDS起步较晚，目前国内外关于GNSS PPP的研究相对比较深入，主要呈现出如下几个趋势：① PPP技术在静态条件下能够提供cm级甚至mm级的定位服务，在动态条件下能够提供dm级甚至cm级的定位服务；② PPP整周模糊度技术的改正大幅度提高了定位的精度和可靠性，但是相关产品还处于实验阶段；③ 多系统GNSS PPP能够有效提高定位收敛速度，在困难条件下对精度的提高也起到了很大的作用；④ 事后PPP处理已经不能满足人们日常生活的需求，实时PPP技术研究已经广泛开展。发展至今，BDS PPP得益于BDS的独特结构和性能，涵盖以下几方面的研究内容。目前，BDS系统共有8颗地球同步轨道卫星(Geostationary Earth Orbit，GEO)、10颗倾斜地球同步轨道卫星(Inclined Geosynchronous Orbit，IGSO)和27颗中轨道地球卫星(Medium Earth Orbit，MEO)，其中北斗三号系统(BDS-3)星座包括24颗MEO卫星、3颗IGSO卫星和3颗GEO卫星。不同类型的导航卫星能够增加BDS的全球覆盖能力，特别是在一些复杂遮蔽区，但不同类型的卫星具有不同的轨道稳定性，为定位带来了新的挑战。有研究表明北斗二代系统(BDS-2) GEO卫星轨道精度约为0.5～1 m，IGSO/MEO卫星约为 10～30 cm[5]；而BDS-3轨道精度约为35 cm[6]。光压模型构建是限制BDS卫星轨道的主要因素。Ge等人采用 ECOM(Empirical CODE Orbit Model)9参数光压模型对BDS卫星精密定轨，实验结果表明 GEO卫星轨道三维精度比IGSO卫星低，分别为3 m和20 cm[7]。除此之外，BDS精密钟差产品精度是制约BDS PPP应用的另一关键因素。由于BDS-3配备了更加稳定的星载原子钟，新卫星钟以及与旧卫星钟的联合处理还有待进一步研究。赵齐乐等人采用非差模型实时估计了BDS卫星钟差，精度可达0.15 ns[8]。Wang等人对德国地学研究中心BDS MEO卫星精密钟差进行拟合，拟合精度为0.1 ns；另外采用频谱分析法对BDS-2和BDS-3卫星钟差进行周期性分析，实验发现BDS-3稳定性达10-15量级，远高于BDS-2卫星钟[9]。在同一系统中，不同类型卫星钟精度也不一样。Ouyang等人分析了BDS-2卫星的实时钟差精度，其中GEO卫星钟差精度最低，IGSO和MEO卫星钟差精度相当[10]。

2 大范围矿区场景下精密定位

基于BDS PPP的研究综述，在大范围矿区场景下，基于实时产品精化的非差非组合研究深受研究人员的青睐。针对BDS不同类别卫星的性能差异以及为了降低冗余观测，可以建立基于加权位置精度因子(PDOP)的非同类卫星优选模型。为了兼顾卫星结构和卫星轨道精度，Liu等人构建相应的数理模型，通过卫星类型与定轨精度双加权的PDOP进行数据冗余度的动态评价，进而实现BDS卫星的优选，确保在不损失定位精度的前提下提高非差非组合计算效率，形成健康的观测数据空间分布状态[11]。针对GEO卫星定轨的不稳定性，精化光压模型。笔者基于太阳光照和地球反照射对系统偏差进行深层次的分离，分离出偶然误差与系统误差，构建光压模型误差的时间序列，基于这种误差时间序列，提出一种GEO卫星的光压误差补偿算法，应用ALLAN理论对误差时间序列进行分析，在此基础上引入深入学习方法对GEO卫星光压误差时间序列经验模型进行学习，提取卫星星体表面光学系数。为了实现矿区的实时监测和紧急调度问题，笔者提出一种新的BDS卫星钟差实时处理算法，该算法首先将所有历元数据归化到同一历元时刻，采用基于残差的均方根滤波建立卫星钟差实时解算和实时预报的双线性模型。针对BDS卫星钟差的不稳定，Hu等人探索了BDS卫星钟长期和短期变化的规律，建立了面向BDS的实时钟差预报模型[12]。除了数据预处理和卫星轨道与钟差解算，电离层产品是制约PPP精度和效率提升的又一大因素。在大范围矿区的应用中，有研究人员提出基于长距离RTK网络多测站联合提取卫星的初始相位偏差和电离层延迟信息，利用电离层三维层析技术建立精确的区域电离层模型。在上述研究基础之上，将实时卫星轨道、钟差以及电离层参数信息发播给矿区用户，建立实时BDS非差非组合定位与导航模型和系统，为矿区安全生产服务。

3 矿区精密定位趋势

在碳中和的愿景之下，我国作为排放量全球最大的发展中国家，承诺在2030年前达到排放峰值，并在2060年前实现碳中和[13]。作为为矿区生产保驾护航的精密定位技术也应为早日实现这一愿景提供技术支持。为了应对我国碳中和的庄严承诺，智慧矿山应运而生，它指的是在物联网、大数据、云计算和人工智能等新兴技术的助力下，实现煤炭开采、巷道掘进及形变监测等矿区主要工作高效智能的运行。站在测绘工程专业的角度，测量工作为矿区生产开展提供主要的时间、位置基准，矿区的测绘工作也向着数字化、智能化、和自动化趋势发展。综上所述，精密定位在数据预处理、轨道钟差以及电离层等方面的研究相对比较深入。在智慧矿山建设领域，精密定位正在朝着向多源融合、多技术交叉的方向发展。针对煤矿区域定位过程中环境复杂、GNSS受遮挡干扰严重以及场景切换频繁的难题，基于煤矿区多源观测信息，众多学者研究了多源观测信息融合的高精度定位理论与方法。李增科博士提出多源传感器增强GNSS定位技术可实现复杂建筑区域的cm级定位以及井下区域m级定位，显著拓宽了高精度定位的覆盖范围，实现了煤矿全区域无缝定位[14]。中国矿业大学研制的井下定位系统可进行实时高精度行人复杂活动识别，有效识别13种复杂活动，识别准确率达到99.5%以上，融合捷联解算和航位推算信息的自适应滤波算法，各项定位误差优于0.5 m。为了解决组合导航对信号的依赖性性强、在动态场景下定位收敛性与可靠性效果不好的缺点，围绕精密单点定位和惯性测量组合导航成为研究热点。基于惯性测量误差频谱特性，Li等人提出了基于Vondrak滤波的自对准算法，将Vondrak滤波和遗传算法结合，实现高频噪声的自动消除，提高对准精度[15]。此外，Li等人利用里程计和UWB多源传感器对精密单点定位和惯性测量组合导航进行了增强，有效解决了半遮蔽、遮蔽区域卫星信息不足导致的解算精度降低的问题[16]。在山西地区，基于BDS PNT服务及其独有的短报文功能，辅以遥感和地理信息系统，众多煤矿企业研发了一个集数据采集、传输、存储、分析及报警功能一体的矿山生产监测系统[17]。该系统具有管理矿区建构筑物地理信息，监测工作区形变，定位进行人员、车辆活动，模拟矿区实际环境，指挥调度矿井生产等功能。智能化系统使得智慧矿山信息资源整合和数据分析处理工作更加高效与科学，使矿山开采更数字化、智能化与环保化，为矿区及社会可持续发展注入新的动力，助推我国早日实现碳中和愿景。

4 结 语

BDS作为四大全球定位系统之一，起步较晚，因此无论是从宏观角度还是从微观角度，研究BDS PPP在大范围矿区场景下的应用都具有非比寻常的意义。PPP自1997年被提出以来，相关研究层出不穷。数据预处理、卫星轨道钟差解算、模糊度固定、大气模型约束等研究热点构成了PPP的整套理论方法。本文从这几个研究点出发，系统全面地阐述了BDS PPP的研究进展及其在大范围矿区中位置服务中的应用前景。总体而言，在BDS全球组网工作的带动下，BDS正在逐步成为我国矿区位置服务的主力军，PPP技术升级应用也呈现出蓬勃发展的态势。

需要特别说明的是有关BDS PPP的研究成为当下的热点，相关研究成果不胜枚举，本文在总结的过程中，难免会有疏漏，请有关作者见谅。BDS PPP算法发展比较成熟，重点在于将其投入到实践生产中去，配套的系统和硬件设施还需要进一步优化，为社会经济生产服务，造福人民。