北斗差分定位系统应用分析
摘 要 北斗二号系统是我国自主研发的卫星导航系统，具有GEO、IGSO、MEO三种卫星的混合星座，同时播发B1、B2和B3三个频点观测值。北斗差分定位系统基于北斗网络RTK技术，能够提供米级、分米级甚至厘米级实时定位服务，可以满足高精度定位用户需求。本文介绍了北斗网络RTK原理、应用指标和应用模式，分析了北斗差分定位系统应用效能，为北斗高精度应用推广提供了新的选择。
我国北斗二号区域导航系统已经初步建成，目前在轨卫星共14颗，其中包括5颗GEO卫星、5颗IGSO卫星和4颗MEO卫星。
北斗二号系统具备定位导航、测速、授时和短报文通信四大功能，应用性能见表1。
表1 北斗二号系统提供的应用性能
随着北斗应用的逐步发展，表1中基本应用性能已无法满足部分用户高精度应用需求，因此，北斗差分定位系统应运而生。北斗差分定位系统采用北斗网络RTK(实时动态定位：Real-Time Kinematic)技术，为精密工程测量、地形勘测、形变监测、精密农业等测量用户，提供近实时(秒级)的高精度定位基准服务。
(一)网络RTK原理
在一定的区域内建立多个(一般为三个或以上)参考站，对该区域构成网状覆盖，并以这些参考站中的一个或多个为基准，计算和播发改正信息，对该区域内的卫星定位用户进行实时误差修正的定位技术，称为网络RTK技术，又称为多参考站RTK。
北斗网络RTK的基本原理是利用多个连续运行北斗基准站(最少3个或3个以上基准站形成基准站网络)的观测数据，经计算处理实时生成格网化的差分改正数据，发送给网络区域内用户，该数据相当于距离用户较近(10米左右)位置的一个虚拟参考站的观测数据，该种方法的RTK定位结果可靠、精度高，且精度一致性好。网络RTK技术又被称为虚拟基准站技术如图1。
图1 网络RTK原理
网络RTK的高性能源于功能强大的网络RTK数据处理软件，由基准站观测数据处理模块和差分改正数生成模块组成。
(二)北斗网络RTK系统构成
北斗网络RTK系统组成如图2所示。
图2 北斗网络RTK构成
北斗网络RTK系统由GNSS基准站网、控制中心、从各基准站到控制中心的通信网络、控制中心和用户间的通信网络和用户五部分构成。
GNSS基准站网由3个以上基准站组成，基准站是网络RTK的空间基准，其位置信息和观测数据是生成差分校正数据的基础数据。控制中心是网络RTK系统的核心，利用网络RTK软件处理基准站网络的数据，形成校正数据网格。基准站到控制中心的通信网络则负责将基准站的数据实时传输给控制中心，由于基准站数据量大，位置固定，并有实时性要求，因此通常采用有线通信网络(或无线移动链路)进行数据通信，但应避免通信延迟过大。控制中心和用户间的通信采用无线移动网络，将网络校正数据传送给用户。
(一)应用技术指标
(1)基准站精度：≤3厘米，测量时间：180分钟(无控制点);
(2)基准站之间距离：50～70千米;
(3)用户定位精度：≤30厘米，测量时间：5秒。
网络差分精度与区域的电离层环境有很大的关系，我国南方地区电离层环境较差，解决的办法是缩短基准站间的距离，一般情况为50千米，而我国北方地区电离层变化相对稳定，则基准站间的距离可以延伸到100千米。
(二)应用模式
系统维护中心设计和布设基准站网络，基准站优先设置在已知的大地控制点上(精度优于3厘米)，对于设置在未知点上的基准站，该站能自动地把最先观测的180分钟观测数据发送到控制中心的数据处理系统，数据系统与西安陆态网络数据处理系统链接，利用陆态网络的连续运行基准站(国家级的基准站)数据快速计算出该点的精确坐标(精度优于3厘米)。
在布设基准站的同时，设置控制中心(可设置在一个基准站上)，控制中心由一台计算机实时控制和管理整个系统的运行，进行数据通信和数据处理，并监测基准站的运行状态。
控制中心通过信息网络实时接收地面基准站的观测数据，生成作业区域内的差分定位改正信息，同时通过移动网络把这些改正信息发送给作业区域内的所有配备北斗差分接收机的测量用户，进行自主测量定位。
(一)机动布网，全域覆盖
北斗网络RTK系统能够实现作业区域内灵活机动布设，覆盖范围广。网络RTK系统只需布设3个基准站，即可提供覆盖区域内的位置空间基准服务。
图3给出一个具有同样定位精度的单基站RTK系统和网络RTK系统的覆盖对比。为了有效覆盖100千米×100千米的区域，单基站RTK系统需要建设9个基准站(按单基站RTK覆盖半径15千米计算)，而网络RTK系统只需要建设4个基准站。因此为了达到同样的覆盖效果(精度和范围)，单基站RTK需要的基准站建设成本远远高于网络RTK。
图3 不同RTK方式下，基准站数量对比
(二)系统可靠性强，测量结果可靠
在系统的可靠性方面，网络RTK远远优于单基站RTK系统。单基站RTK系统的可靠性取决于单个基准站，一旦该基准站出现问题，其覆盖的区域就会成为服务盲区，甚至是错误服务区。而网络RTK系统的可靠性不是由单个基准站而是由整个基准站网络来维护的，因此单个基准站即使出现问题也很容易被发现，不会导致数据被错误使用;而要提高系统的容错性，保持网络的有效覆盖也只需要在网络中增加很少的备用基准站，这在单基站RTK系统中代价将是十分高昂的。相对于单基站RTK，网络RTK测量结果精度与距离无关，在基准站网络控制范围内，定位精度始终在厘米级，并且坐标结果一致为CGCS2000坐标系。
(三)利用连续运行参考站网络，提高基准站定位精度
对于设置在未知点上的基准站，能够利用连续运行参考站网络快速解算该站的位置坐标(精度优于3厘米)。基准站位置坐标精度越高，生成的差分定位改正信息就越准确，定位结果精度更高。
(四)用户自主测量，应用范围广
可以为全域内的所有设备和人员(装备北斗差分接收机)提供近实时(几秒钟)的高精度的自主定位测量服务，还可以为运动的车辆和设备提供动态定位服务。
北斗卫星导航系统是全球首个提供三频信号服务的卫星导航系统，其三频信号对中长距离的卫星导航精密定位非常有利，不仅可以扩大作业范围，而且还能显著改善作业效率、精度和可靠性，对北斗差分定位系统的应用推广，可以打破GPS对我国精密定位市场的垄断，满足各类不同行业用户对精密定位，快速和实时定位、导航的需求，满足城市规划、国土测绘、地籍管理、城乡建设、环境监测、防灾减灾、交通监控等多种现代信息化管理的社会需求。
赵文军：北京卫星导航中心，高级工程师
张锋、郑冲：北京卫星导航中心
摘自《测绘地理信息蓝皮书》
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