国家广域实时精密定位服务系统设计与功能实现

2018-10-21武军郦王孝青

地理信息世界 2018年1期

武军郦，陈明，王孝青

（国家基础地理信息中心，北京 100083）

0 引言

随着GNSS技术的发展与应用，综合应用GNSS技术、信息技术、网络技术等建设的卫星导航定位基准站网已成为国家信息化建设的重要基础设施，带来了传统测量技术手段的变革。广域实时精密定位是GNSS应用领域发展的趋势[1]。一些国家和地区纷纷建立了自己的广域差分（增强）系统，如美国的广域差分系统（WAAS）[2]、欧洲的静止卫星导航重叠服务系统（EGNOS）、日本的多功能卫星星基增强系统（MSAS）以及印度的GPS辅助型对地静止轨道扩增导航系统（GAGAN）以及NASA的全球差分系统GDGPS、Navcom公司的StarFire系统、Fugro公司的Omnistar系统等[3]。

当前，国家测绘地理信息局通过国家重大基础设施项目建设，在全国范围内形成了均匀分布、总体规模达到410站的国家级卫星导航定位基准站网，并通过“资源统筹、共享服务、基准统一”与各省共同构建了全国卫星导航定位基准服务系统，该系统是在我国国家层面和省（市）层面建立卫星导航定位基准站“一张网”的基础上建立的，是集国家坐标框架维持、高精度导航定位服务为一体的综合系统。其中，广域实时精密定位服务系统是全国卫星导航定位服务系统的重要组成部分，是国家层面构建的覆盖全国范围、面向社会大众的导航定位服务系统[4-5]。

1 系统架构

我国国家广域实时精密定位服务系统是在广域差分定位技术基础上，基于精密单点定位技术形成，对BDS、GPS、GLONASS等多系统观测数据进行数据处理[6]，产出实时卫星轨道、钟差、电离层等产品[7-9]，实现全国范围内任何地点、任何时间的高精度定位，为全国范围的各类用户提供米级、分米级精度的导航和实时定位服务，以满足全社会对高精度实时导航定位越来越高的要求。

系统是通过多种软件实现，主要包括数据流传输分发、数据文件同步、数据下载、产品计算、产品生成、完好性分析与处理、产品播发等软件，系统的设计流程如图1所示。

图1 系统流程图Fig.1 System fl owchart

2 系统功能

广域实时精密定位服务系统从系统组成上划分，是由基准站、数据汇集网络、国家数据中心硬件和软件系统、数据播发网络和用户构成[10]。系统功能主要包括数据输入、产品计算、产品播发以及用户终端定位等。

2.1 数据输入

广域实时精密定位服务系统的数据输入包括数据文件和实时数据流。数据文件通过外网下载，包括全球IGS站观测数据、广播星历、天线相位中心改正模型、跳秒等文件。系统工作流程主要为：通过FTP协议从IGS数据中心和全国CORS数据中心下载数据到指定目录，对下载数据进行自检，并生成相应日志文件，支持自动重新下载。

实时数据流接收主要实现国家基准站的实时数据流的接收、解析、时间同步和存储。系统工作时，设置不同的网络端口，实时接收基准站发送的数据，根据基准站IP和端口号区分不同站点的数据，先解析数据头部分，然后解析数据体，完成后进行时间同步和存储，支持的类型包括商家自己定义的数据格式、RTCM格式以及BINEX格式等。

2.2 产品计算

产品计算主要包括实时精密卫星轨道、卫星钟差和电离层模型产品，今后将会支持实时对流层模型产品计算。

实时卫星轨道产品解算主要利用IGS-MGEX基准站和国家基准站的观测数据，解算实测精密卫星轨道和预报卫星轨道，并生成轨道改正数。系统首先调用准备文件及数据，检查广播星历，剔除缺失卫星，生成解算需要的初始卫星轨道及卫星钟差，对原始数据进行预处理、轨道解算和改正数解算。

实时钟差产品的解算是在精密卫星轨道基础上进行，通常是选定其中一个卫星钟或接收机钟为基准钟，然后确定其他接收机和卫星钟的相对于基准钟的钟差，即相对钟差。相对钟差加上基准卫星的钟差即为绝对钟差。系统在实时钟差解算过程中不使用IGS和iGMAS站，而是从210个国家站中选择均匀分布的40个测站，所使用的数据类型为RTCM3.2和BINEX。

实时电离层产品生成主要利用IGS-MGEX基准站的观测文件和广播星历，生成每小时的全球电离层格网文件以及每天的频间偏差文件。电离层模型产品使用了210个国家站作为电离层计算基准站，满足了卫星与接收机信号连线的穿刺点在我国上空的分布，极大地提高了电离层建模的精度。

2.3 产品播发

在上述产品基础上计算，系统向外播发实时卫星轨道、卫星钟差和电离层模型产品。其中，实时卫星轨道和钟差一并播发，电离层模型产品单独播发。产品播发考虑系统具有传输数据量大、实时传输、高速率、传输距离长、覆盖面大等特点，差分改正信息的讯龄和时间差很小才能提高导航和定位精度，同时网络的低误码率方能保证用户定位的完备性。所以系统采用了基于Internet网络的广播模式，并以两种数据格式播发，包括RTCM-SSR标准格式，以及在标准格式基础上进行优化升级后的自定义格式。

2.4 终端定位

用户终端定位基于用户手持终端获取实时观测数据和广播星历，同时接收系统播发的实时轨道、钟差改正数以及电离层模型产品，在终端进行PPP解算，计算对流层延迟、接收机钟差以及模糊度等参数，并在一定时间的收敛后，达到分米级或亚米级的定位精度。其中，双频终端采用无电离层组合，通过实时轨道和钟差改正后，可在15～20min收敛后达到分米级精度；单频终端通过实时轨道、钟差和电离层模型等改正后，可达到亚米级精度。

3 系统特点

国家卫星导航定位基准服务系统集国家坐标框架维持、高精度实时导航定位服务于一体，不仅服务于国家坐标框架建立与维持，还面向其他政府部门、企业和社会大众提供高精度导航定位服务，扩展了测绘地理信息服务范围，提高了全国基准站网整体服务水平。系统具备以下特点：

1）覆盖范围大。系统基于410个国家级基准站资源，实现了全国范围覆盖，形成了兼容北斗、GPS、GLONASS、GALILEO多卫星系统的卫星导航定位基准站网。

2）定位速度快。与传统测绘定位服务相比，系统可对基准站观测数据进行实时数据处理，提供多种类型的高精度实时导航定位产品，定位效率大幅提高。

3）导航精度高。系统以高精度、三维、动态、陆海统一的现代测绘基准体系为基础，使全球导航系统在我国大陆的实时导航定位能力由10米级精度向分米级甚至厘米级精度迈进，大大提升了我国高精度卫星导航定位能力。

4）应用领域广。系统可应用于测绘领域的地理国情普查、应急测绘保障，社会发展领域的国土资源调查、多规合一、生态文明建设等方面，在交通、气象、地震、农业、渔业、地质灾害、国土执法、管线监测、大众位置服务等领域，甚至科研方面的应用也十分广泛。

4 系统指标

国家卫星导航定位基准服务系统的主要技术指标如下：

1）实时发布兼容BDS、GPS、GLONASS等系统的精密实时卫星轨道、卫星钟差、电离层等产品；

2）精密卫星钟差数据更新频率1 Hz，播发频率1Hz；

3）精密卫星轨道数据更新频率3 h，播发频率1 Hz；

4）电离层模型产品更新和播发频率15min；

5）产品精度如下，BDS GEO卫星轨道精度优于60 cm，钟差优于0.8 ns；IGSO和MEO卫星轨道精度优于25cm，钟差精度优于0.5 ns。GPS卫星轨道数据精度优于5 cm，钟差数据精度优于0.2 ns；

6) 系统可持单频终端定位精度可达米级，双频终端定位精度可达分米级。

5 系统测试

终端测试主要目的是测试使用系统提供的实时产品所能达到的精度与收敛时间[11]。为验证在理想观测环境下，广域实时定位服务系统终端定位能达到的效果，定点静态测试选择观测及网络环境良好的地点进行测试。

测试流程如下：

1）测试准备。静态测试选用一台双频手持终端和一台单频手持终端分别测试，采样率为1Hz，以动态单历元模式处理；选择观测环境良好的测试地点，分别将双频手持终端与外接天线相连、单频手持终端使用内置天线，将其架在两个已知点上，进行连续观测；

2）测试过程。测试2 h为1组，测试4组，分别以GPS模式、GPS差分模式、GPS&BDS模式和GPS&BDS差分模式测试；将测试数据备份，将观测文件、定位结果文件以及相应记录文件备份，用于事后结果分析；

3）结果分析。将未差分、接入差分数据等各种模式测试的定位结果与已知点坐标求差，作出NEU误差时间序列图，并分别统计RMS和STD，双频测试RMS和STD统计从收敛后开始统计，单频测试RMS和STD从5 min后开始进行统计。对测试的定位结果进行分析，得出定位固定率，以及亚米级、分米级精度的定位结果所占的比例等。测量的同时记录后处理所需数据，以便进行后处理比较分析，终端定位测试的结果如图2所示。

图2 终端定位精度Fig.2 Terminal positioning accuracy

采用双频终端测试结果表明，单BDS、单GPS以及BDS&GPS 3种模式进行定位，其定位精度均优于0.3 m，其中，BDS&GPS模式平面精度0.03 m，高程精度0.04 m，达到了厘米级。采用单频终端测试，单BDS模式精度最差，平面精度2.72 m，高程甚至达到4.38 m；单GPS模式优于1 m。