聚焦︱华北区域分米级北斗地基增强服务系统构建及精度分析
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导读
随着北斗卫星导航系统的完善以及我国经济建设的快速发展，迫切需要提供分米级、厘米级等更高精度的导航定位服务，满足专业测绘、城市规划、管线勘探等行业应用需求，以及车道级导航、共享单车停放等大众应用需求。本文力图在我国华北区域构建国内首个跨区域的北斗地基增强服务网络，为京津冀一体化建设提供精准的空间位置信息，为华北地区的区域协同发展发挥巨大的作用，取得良好的经济效益。
随着我国北斗卫星导航定位系统的不断完善，截至2016年底已发射23颗北斗导航卫星，已实现了亚太区域的高精度服务能力，面向大众的定位精度优于10 m，并将在2020年有望实现全球服务。随着北斗卫星导航系统的完善以及我国经济建设的快速发展，迫切需要提供分米级、厘米级等更高精度的导航定位服务，满足专业测绘、城市规划、管线勘探等行业应用需求，以及车道级导航、共享单车停放等大众应用需求。因此在地面布设北斗地基增强基准站拓展高精度实时定位服务能力的需求日益迫切。
在相关部门的大力推动下，目前中国大陆已经布设了多个地基北斗基准站，如四川、天津、云南、广东、新疆等省市自治区的北斗定位服务系统等，均具备了向本省提供高精度北斗导航定位服务的能力，此外原国家测绘地理信息局的卫星导航定位服务平台，中国兵器的北斗导航定位服务系统，也具备了提供面向全国的实时定位服务。目前存在的问题是：虽然各省级北斗地基增强服务在各自区域比较理想，但是跨区域实时定位服务则存在一定的问题，如基准不一致，接边有空白等问题；而国家级基准站网在全国布设相对不够密集，还存在部分服务区域空白的问题。
随着经济建设的发展，交通、物流、导航等迫切需要跨区域的导航服务。本文力图在我国经济和物流发达的北京、天津、河北、山西、内蒙古自治区等华北区域构建国内首个跨区域的北斗地基增强服务网络，通过建立一个跨区域的相对密集的北斗地基增强网，解决跨区域的北斗实时精密导航定位服务空白区、基准不一致的问题，满足高精度车辆实时导航定位服务应用。
本系统包括北斗地基增强基准站网、数据传输网络及数据中心等3个子系统，由地基基准站网接收北斗信号，通过专线网络实时传输到数据中心，再由数据中心通过精密数据处理，实时对外播发轨道、钟差、电离层等改正数，由用户终端接收并实时改正，实现分米级的实时导航定位服务。
北斗地基增强基准站网构建主要包括站网选址、基准站改造等事宜。在站网选址方面充分考虑利用已有基础设施，在现有基础设施基础上尽可能改造，避免重复建设。站址选择主要考虑地基稳定、交通便捷、网络通讯完善、运行维护可靠、网形均匀等因素，直接利用了国家测绘地理信息局“国家现代测绘基准一期工程”在上述区域的26个国家GNSS基准站，这些基准站主要满足我国基准控制，服务地方测绘，采用的设备为TRMBLER9，可直接接收北斗信号。其中在北京市直接利用2站，河北省直接利用9站，内蒙古直接利用1站，天津市直接利用1站，山西省直接利用13站。考虑网形均匀，补充利用24个省级CORS基准站进行站网加密，其中利用11个河北省级CORS站，利用6个内蒙古区级CORS站，改造利用5个山西省级CORS站，利用北京市和天津市CORS站各1个。具体站网分布情况如图1所示，图中红色标记的为国家基准工程站，蓝色的为省级CORS站，在我国华北区域构建了由50个站构成的北斗地基增强基准站网，平均站间距离约为100 km。对山西5个省级CORS站进行了实地改造，采用增加一个功分器和北斗接收机（原来的天线架设不变，可接收北斗信号）的方式，实现了北斗观测数据的实时采集。
图1 华北区域北斗地基增强基准站网分布示意图
数据网络传输系统是北斗地基增强系统的重要组成部分，是实现北斗地基增强观测数据汇集监控的重要保障。数据网络传输系统的可靠运行将保证北斗基准站网准确、可靠、及时、安全地进行各种数据通信。华北区域地基北斗增强网数据网络传输系统主要包括3个节点，分别是核心层（国家数据中心主节点）、汇聚层（省级数据分节点）和接入层（若干个基准站接入节点）。各个基准站节点的数据信息通过省内专线传输至各省数据分节点，经数据分节点路由转发后实时传输到国家数据中心主节点。具体网络传输架构如图2所示。
图2 数据网络传输示意图
数据中心系统将实现华北区域北斗地基增强系统的数据接收、数据处理、产品播发等功能，因此本系统构建主要包括精密定位服务软件部署及服务网络搭建。精密卫星定位服务软件采用了武汉大学研发的北斗高精度广域差分软件，配置在5台高性能计算服务器上，分别实现了数据管理、实时轨道计算、钟差计算、电离层计算和产品播发等5个功能。
考虑到数据安全原则，将数据中心服务网络划分为Internet网络（外网）和专用网络（内网）。其中IGS数据和产品下载、产品播发模块部署在Internet网，负责IGS数据的下载和产品播发。实时轨道计算、钟差计算、电离层计算模块需要接收基准站观测数据，部署在专用网络，两者之间采用单项光闸导入方式实现数据安全。具体数据中心系统组成如图3所示。
图3 软件系统部署图
最终由数据中心生成并发布实时轨道、钟差、电离层等改正数，通过网络播发给用户，由用户终端接入后实现实时导航定位。
系统测试的目的是验证本文构建的华北区域北斗地基增强服务系统的服务范围和服务精度。测试范围主要包括山西、河北、北京、天津全域及内蒙古部分区域（基本覆盖我国华北区域），测试设备为一台GPS+北斗双频终端和一台RTK终端，测试内容包括静态测试和动态测试。
静态测试主要通过将双频终端固定到已知的GNSS大地控制点上实时观测，通过单历元解算获取控制点的动态坐标序列，与已知坐标比较，实现静止的实时动态单点定位测试（PPP）。静态测试的目的是验证在理想观测环境下，本系统所能达到的定位精度。在华北区域的系统理论覆盖范围内选择5个分布均匀的GNSS大地控制点进行测试。将中海达AT-2300H天线固定在观测墩上，通过功分器同步连接中海达海星达H32接收机（RTK）和攀达时空PD318接收机（双频）。每个测试点上按1 s采样率连续采集，采用GPS+BDS、BDS观测模式分别进行静态定位测试，每组测试时间50 min左右。测试过程中，利用中海达AT-2300H接收机同步采集RTK固定解坐标，作为PPP精度评估的基准；然后根据定位结果的统计分析，评定系统的静态定位精度。
动态测试主要将测试设备架设在汽车上，通过移动观测实现动态定位测试。测试目的是验证在复杂动态环境下，本系统在华北区域所能达到的实时动态定位服务精度。将中海达AT-2300H天线架设在车顶，通过功分器连接中海达海星达H32接收机（RTK）和攀达时空PD318接收机（双频），采用GPS+BDS、BDS观测模式分别进行动态定位测试。测试设备采样间隔均设置为1 s，测试路线如图4（图中蓝色线为拟定测试路线）所示，每个省市区内观测不少于2 h。测试期间车速符合公路限速要求，高速公路上宜在80 km/h左右。同时基于省级CORS的网络RTK服务获取实时定位信息，作为比对基准，以评价动态定位精度。
图4 实际测试点位及路线分布图
本系统的精度评定主要采用外符合精度统计方式，将PPP定位结果与RTK固定解的差值进行比较来实现精度统计。精度评定方法如下：
将PPP定位结果与已知坐标值（RTK固定解坐标）进行比较，求得各测点的外符合分布情况，再根据式（1）统计PPP结果在平面V、垂向H方向的外符合精度，根据收敛情况，从接收终端启动20 min后开始统计精度。
式中，θ为测试点PPP定位结果与RTK固定解坐标值之差；N 为观测历元数；τ为系统外符合精度，反映PPP系统定位的准确性与精度。
由于本系统设计的精度为分米级，而RTK的精度为厘米级，因此本文中未采用已知固定点的坐标进行精度评定，而直接与并置的RTK固定解结果进行比较。经计算本次静态定位测试精度统计情况见表1，精度分布情况如图5所示。从静态测试结果来看，双频GPS+北斗的定位精度均小于0.5 m，其中河北最大，水平方向约为0.4 m，垂向为0.46 m，天津定位精度在0.1 m～0.2 m之间，而河北、北京、内蒙古等地均低于0.1 m，基本可达到RTK精度。双频单北斗的定位精度则明显要低于双频GPS+北斗的定位精度，除天津垂向超过1 m，北京水平方向达到0.66 m，山西垂向达到0.6 m外，其他点的测试精度均优于0.5 m。经对天津观测的时间序列分析，发现该点在收敛40 min后高程RMS小于0.4 m，且定位精度稳定。此外我们还发现，GPS+北斗多模式定位收敛速度要优于单北斗模式定位收敛速度，如果从收敛时间30 min以后计算，单北斗模式定位的精度统计将会提升到0.5 m以内。
表1 静态测试结果
图5 静态测试精度统计结果
动态测试共完成5条线路，分布于华北5省市区，每个省市完成2 h的动态定位测试，共获得有效数据44 503点。经计算本次动态定位测试精度统计情况分别见表2和如图6所示。从动态测试结果来看，双频GPS+BDS的动态定位精度，平面定位精度均优于0.45 m，且在河北、天津、山西、内蒙古等地优于0.2 m；垂向定位精度均优于0.6 m，其中河北、山西、内蒙古等地定位精度在0.25 m左右。单BDS的实时定位精度则略差，平面定位精度，河北最差，约为1 m，山西、北京次之，约在0.85 m左右，天津、内蒙古定位精度约为0.4 m；垂向定位精度河北最差，约为4.5 m，天津、北京次之，约为0.85 m，山西最好，约在0.426 m。经对河北动态定位的时间序列分析，发现这个时间段观测到的北斗卫星数较少，仅为4～9颗，且波动较大，导致测试精度较差，这可能与当天观测环境有关。从动态测试的结果来看，双模GPS+北斗的动态定位精度要大大优于单模北斗的定位精度，且稳定性更高。
表2 动态测试结果
图6 动态测试精度统计结果
利用国家级北斗连续运行基准站和省级区域北斗CORS站，基于国家卫星导航定位服务平台，通过改造和直接利用的方式，我国华北区域构建了我国首个跨区域级北斗地基增强服务系统，系统共包括50个北斗地基增强基准站和1个数据中心。采用双频终端分别进行静态和动态实地测试，试验结果表明该系统覆盖整个华北区域（含京津冀晋全域及内蒙古部分区域），广域实时差分服务精度采用双模GPS+北斗模式可达到分米级，单北斗模式达到亚米级精度。基于本文开发的华北区域北斗地基增强服务系统，可结合惯性导航等技术，服务于精准物流、车辆调度等交通运输行业，以及高精地图、智能驾驶等新兴领域。系统可为京津冀一体化建设提供精准的空间位置信息，为华北地区的区域协同发展发挥巨大的作用，取得良好的经济效益。
责任编辑：林冬娜、邓小云
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