鄔凌智，黃永軍，呂瑛炯

(交通運(yùn)輸部 北海航海保障中心，天津 300450)

沿海BDS CORS基準(zhǔn)站選址關(guān)鍵技術(shù)研究探討

鄔凌智，黃永軍，呂瑛炯

(交通運(yùn)輸部 北海航海保障中心，天津 300450)

為了提高沿海區(qū)域BDS精密定位服務(wù)系統(tǒng)的基準(zhǔn)站選址精度，提出沿海BDS CORS基準(zhǔn)站選址方法；通過論述沿海BDS CORS基準(zhǔn)站布局設(shè)計(jì)和選址原則，以及現(xiàn)場(chǎng)踏勘與環(huán)境測(cè)試原理，將交通、通信、供電、防雷、機(jī)房及安保情況作為沿海基準(zhǔn)站布局設(shè)計(jì)、初選和現(xiàn)場(chǎng)勘查的主要考慮因素，將觀測(cè)數(shù)據(jù)完整性、多路徑效應(yīng)、信噪比情況作為基準(zhǔn)站觀測(cè)環(huán)境測(cè)試的3大主要指標(biāo)，以期有效地解決沿?；鶞?zhǔn)站的選址問題，滿足實(shí)際工程需要。

BDS；沿海CORS；基準(zhǔn)站選址；多路徑；信噪比

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)是我國擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。沿海BDS連續(xù)運(yùn)行參考站(continuously operating reference stations，CORS)是通過建設(shè)一定數(shù)量的連續(xù)運(yùn)行的基準(zhǔn)站，以我國的BDS為主，并兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，利用衛(wèi)星定位技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)，向社會(huì)提供統(tǒng)一、高精度的空間位置信息服務(wù)的系統(tǒng)[1]。與單點(diǎn)定位、RBN-DGPS等目前主流的海上定位方式相比，BDS CORS具有覆蓋范圍更廣，定位精度更高，網(wǎng)內(nèi)定位精度分布均勻且不受與基準(zhǔn)站之間的距離限制[2]，安全性更高且不易受到域外國家導(dǎo)航政策變化的影響[3]，生產(chǎn)效率更高，一次投資長期受益[4]，可同時(shí)滿足不同需求的用戶在實(shí)時(shí)性方面的差異，能兼顧不同層次的用戶對(duì)定位精度指標(biāo)要求[5]等優(yōu)點(diǎn)，可滿足海上用戶對(duì)高精度化定位和日益多元化的需求。

沿海BDS CORS由基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)、控制中心、數(shù)據(jù)中心、用戶應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成[6-7]。其中，基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)BDS衛(wèi)星信號(hào)的捕獲、跟蹤、采集與傳輸[8]，同時(shí)提供系統(tǒng)完好性監(jiān)測(cè)服務(wù)，是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，其穩(wěn)定性和可靠性直接影響到系統(tǒng)的性能[9]。鑒于沿海RBN-DGPS系統(tǒng)與CORS相比精度較低，對(duì)臺(tái)站選址的要求相對(duì)也較低；且RBN-DGPS臺(tái)站都配置有功率很大的信號(hào)發(fā)射裝置，對(duì)BDS信號(hào)的接收有一定干擾性，難以滿足沿海BDS CORS建設(shè)的精度要求，因此沿海BDS CORS的基準(zhǔn)站需要重新選址。

本文以沿海BDS CORS一期工程——渤海灣及煙大航路區(qū)域BDS精密定位服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)工程的基準(zhǔn)站選址實(shí)踐為例，提出了沿海BDS CORS基準(zhǔn)站的選址技術(shù)。

1 基準(zhǔn)站布局設(shè)計(jì)

站點(diǎn)布局設(shè)計(jì)主要是按一定的站間距在地圖上標(biāo)識(shí)或確定站點(diǎn)的分布及點(diǎn)數(shù)，以便選點(diǎn)踏勘時(shí)進(jìn)一步確定[10]。主要包括基準(zhǔn)站網(wǎng)形設(shè)計(jì)和基準(zhǔn)站類型選擇2部分：基準(zhǔn)站網(wǎng)形設(shè)計(jì)主要從CORS系統(tǒng)的應(yīng)用功能方面考慮，單一實(shí)現(xiàn)靜態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)功能基準(zhǔn)站在站間距離上可以適當(dāng)加長，站間距離在100～200 km都可以滿足要求，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法(real-time kinematic，RTK)( 即網(wǎng)絡(luò)RTK)的實(shí)現(xiàn)需要考慮更多因素，站間距離一般為50 km左右；基準(zhǔn)站可分為樓頂站和基巖站，基巖站較樓頂站更為穩(wěn)固，但在供電、網(wǎng)絡(luò)及安全防護(hù)上不如樓頂站，小型CORS系統(tǒng)全部和大型CORS系統(tǒng)的大部分基準(zhǔn)站均可采用樓頂站[11]。

1.1 設(shè)計(jì)原則

渤海灣及煙大航路區(qū)域BDS精密定位服務(wù)系統(tǒng)計(jì)劃建設(shè)10個(gè)BDS基準(zhǔn)站，其分布設(shè)計(jì)原則為：

1)充分利用現(xiàn)有航標(biāo)站、船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(automatic identification system，AIS)站等資源，并結(jié)合導(dǎo)航和實(shí)時(shí)精密海上定位的示范應(yīng)用；

2)基準(zhǔn)站點(diǎn)布設(shè)需考慮海岸線，保證系統(tǒng)能夠提供覆蓋近海的m級(jí)、dm級(jí)導(dǎo)航、cm級(jí)海上位置服務(wù)；

3)考慮到南北電離層活躍程度，南部區(qū)域平均在50 km，北部區(qū)域平均間距在70 km；

4)考慮到海岸線附近較為荒涼，供電及通信條件較差，站址選擇范圍有限，因此基準(zhǔn)站類型以樓頂站為主。

1.2 基準(zhǔn)站選址原則

1)充分利用各行業(yè)部門和地方已有的基準(zhǔn)站；

2)應(yīng)有10°以上的地平高度角衛(wèi)星通視條件[12]，特殊困難地區(qū)，經(jīng)測(cè)試可在一定范圍類(水平視角不超過60°)放寬至15°；

3)遠(yuǎn)離電磁干擾區(qū)(微波站、無線電發(fā)射臺(tái)、高壓線穿越地帶等)和雷擊區(qū)，其距離不小于200 m；遠(yuǎn)離周邊的高大建筑、樹、水體、海灘和易積水地帶，其距離不小于200 m；

4)應(yīng)避開地質(zhì)構(gòu)造不穩(wěn)定區(qū)域(除特殊應(yīng)用外)，避開鐵路、公路等易產(chǎn)生振動(dòng)的地點(diǎn)；遠(yuǎn)離活動(dòng)斷層和密集斷裂帶50 km以上，避開地震活動(dòng)帶等不穩(wěn)定區(qū)域；

5)具有穩(wěn)定、安全可靠的交流電電源[13]，交通便利，便于人員往來和車輛運(yùn)輸。

1.3 點(diǎn)位設(shè)計(jì)方案

根據(jù)以上原則進(jìn)行基準(zhǔn)站分布設(shè)計(jì)，按海區(qū)岸線及航海保障重點(diǎn)區(qū)域劃分，渤海灣及煙大航路區(qū)域共設(shè)計(jì)10個(gè)基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站網(wǎng)分布參見圖1，其名稱、類型、位置及所在地列入表1。

點(diǎn)名類型位置所在地曹妃甸樓頂站當(dāng)?shù)睾綐?biāo)站河北唐山天津港樓頂站當(dāng)?shù)睾綐?biāo)站天津海河Ⅰ樓頂站航標(biāo)處天津黃驊港樓頂站當(dāng)?shù)睾綐?biāo)站河北黃驊黃白咀樓頂站當(dāng)?shù)谹IS站遼寧大連北長山樓頂站當(dāng)?shù)睾綐?biāo)站山東長島北隍城樓頂站當(dāng)?shù)責(zé)羲澈：{龍口樓頂站當(dāng)?shù)谹IS站山東龍口煙臺(tái)樓頂站當(dāng)?shù)睾綐?biāo)處山東煙臺(tái)威海樓頂站當(dāng)?shù)睾綐?biāo)站山東威海

2 現(xiàn)場(chǎng)踏勘與環(huán)境測(cè)試

國內(nèi)外的大量CORS 建設(shè)實(shí)踐證明，CORS 站址的觀測(cè)環(huán)境是影響 CORS 系統(tǒng)整體性能的重要環(huán)節(jié)之一。如果CORS 系統(tǒng)建成后才發(fā)現(xiàn)某個(gè)基準(zhǔn)站運(yùn)行狀態(tài)欠佳，如多路徑影響較大或者附近有干擾信號(hào)，此時(shí)再想更改基準(zhǔn)站站址將會(huì)非常麻煩；因?yàn)檫@意味著天線墩的土建、防雷工程、通信網(wǎng)絡(luò)布設(shè)、設(shè)備安裝等工作必須重新做，人力、物力、時(shí)間上都會(huì)造成很大浪費(fèi)：因此在觀測(cè)墩建設(shè)前，必須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘和環(huán)境測(cè)試。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)踏勘

現(xiàn)場(chǎng)踏勘主要任務(wù)包括：目測(cè)點(diǎn)位周圍遮擋狀況和可能的干擾源狀況，并進(jìn)行攝像存檔；查看所選點(diǎn)位的供電、通訊、防雷、機(jī)房及安保情況，確定出1～2個(gè)可選建站位置，以便隨后通過環(huán)境測(cè)試確定最終站址。渤海灣及煙大航路區(qū)域BDS精密定位服務(wù)系統(tǒng)基準(zhǔn)站現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 基準(zhǔn)站現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)結(jié)果

2.2 環(huán)境測(cè)試數(shù)據(jù)質(zhì)量分析方法

接收機(jī)環(huán)境測(cè)試數(shù)據(jù)質(zhì)量分析內(nèi)容包括觀測(cè)數(shù)據(jù)的多路徑情況、數(shù)據(jù)的完整性(實(shí)際觀測(cè)值的數(shù)據(jù)量除以理論上的觀測(cè)值數(shù))、觀測(cè)值的丟失情況、衛(wèi)星信號(hào)信噪比等。通過偽距觀測(cè)值和載波相位觀測(cè)值計(jì)算上述指標(biāo)，從而評(píng)價(jià)測(cè)站的周圍環(huán)境是否滿足建站要求。其中多路徑情況用MP值表示，該值是載波上的多路徑效應(yīng)對(duì)偽距和相位影響的綜合指標(biāo)，MP值越小說明抗多路徑效應(yīng)能力越強(qiáng)，其計(jì)算方法為：

(1)

(2)

對(duì)于BDS3頻數(shù)據(jù)，還有

(3)

通常主要的幾個(gè)指標(biāo)閾值是：

1) 數(shù)據(jù)的完整性(>85 %)——反映測(cè)站周圍是否具有較高的遮擋物；

2) 多路徑效應(yīng)的大小(L1<0.35，L2<0.45，L3<0.45)——反映測(cè)站周圍是否具有鏡面反射體和較高的樹木。

3 實(shí)例與結(jié)果分析

按照上述方法，對(duì)渤海灣及煙大航路區(qū)域BDS精密定位服務(wù)系統(tǒng)10個(gè)基準(zhǔn)站的擬選站址進(jìn)行了長時(shí)間不間斷觀測(cè)。部分典型站點(diǎn)的觀測(cè)和分析數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 部分站點(diǎn)環(huán)境測(cè)試數(shù)據(jù)

通過綜合分析，結(jié)論如表4所示。

表4 基準(zhǔn)站選址結(jié)果

4 結(jié)束語

沿海BDS CORS的建設(shè)標(biāo)志著中國沿海地區(qū)海上定位精度將首次進(jìn)入cm級(jí)時(shí)代，對(duì)于保障船舶航行安全、提高航運(yùn)效率、助推經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義；此外，國際海事應(yīng)用是BDS國際化取得的第一個(gè)突破口，也是BDS推廣應(yīng)用的一個(gè)重要里程碑，沿海BDS CORS作為其重要配套項(xiàng)目，對(duì)于推動(dòng)BDS國際海事應(yīng)用具有重要示范意義。本文結(jié)合沿海BDS CORS一期工程——渤海灣及煙大航路區(qū)域BDS精密定位服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)工程的基準(zhǔn)站選址實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)沿海BDS CORS選址關(guān)鍵技術(shù)，如布局設(shè)計(jì)原則、選址選擇、現(xiàn)場(chǎng)踏勘內(nèi)容及要求、環(huán)境測(cè)試方法及原理等進(jìn)行了詳細(xì)描述，為建設(shè)沿海統(tǒng)一的BDS CORS奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

由于海上及沿海區(qū)域的特殊性，沿海BDSCORS 基準(zhǔn)站的選址工作受到一定客觀因素主導(dǎo)，如可選站址有限、信號(hào)干擾嚴(yán)重、交通不便、通訊困難、建設(shè)成本較高等。因此在某些條件下，應(yīng)適當(dāng)放寬指標(biāo)。此外CORS基準(zhǔn)站也能與水文氣象觀測(cè)站、AIS基站等其他專業(yè)站點(diǎn)一起共建，但這時(shí)應(yīng)在綜合考慮各方需要的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行布局設(shè)計(jì)及相關(guān)測(cè)試，以滿足各方的建站要求。

[1] 張國平.長江干線北斗CORS 建設(shè)的若干思考[J].測(cè)繪通報(bào)，2015(7)：5-8.

[2] 袁偉強(qiáng).福建省連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建[J].地理空間信息，2010，8(5)：44-49.

[3] 楊愛玲，周 泉，張曉磊.北斗CORS網(wǎng)建設(shè)的分析與思考[J].測(cè)繪與空間地理信息，2015，38(10)：61-63.

[4] 張振勇，王剛.CORS系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)談[J].中國科技信息，2011(3)：67-69.

[5] 李得基，畢泰武，牛亞兵.建設(shè)連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)(CORS)的方法與應(yīng)用探討[J].測(cè)繪與空間地理信息，2010，33(6)：163-169.

[6] 劉經(jīng)南，劉暉，鄒蓉，等.建立全國CORS更新國家地心動(dòng)態(tài)參考框架的幾點(diǎn)思考[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版，2009，34(11)：1261-1265.

[7] 何保國，魏忠，高長元.HBCORS 運(yùn)營管理機(jī)制的思考[J].地理空間信息，2011，9(2)：6-8.

[8] 陳俊勇，張鵬，武軍酈，等.關(guān)于中國構(gòu)建全球?qū)Ш叫l(wèi)星國家級(jí)連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)的思考[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2007，36(4)：250-369.

[9] 張婷，栗靖，朱大為，等.CORS系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及建立的必要性[J].現(xiàn)代導(dǎo)航，2012(4)：268-271.

[10]劉文建，陽力.CORS參考站選址的探討[J].地理空間信息，2008，6(6)：53-55.

[11]陽力，呂超.CORS系統(tǒng)衛(wèi)星跟蹤基準(zhǔn)站建設(shè)的探討[J].地理空間信息，2007，5(1)：30-31.

[12]國家測(cè)繪局.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)建設(shè)規(guī)范：CH/T2008-2005[S].北京：測(cè)繪出版社，2006.

[13]劉喜.CORS 站址選擇及測(cè)試數(shù)據(jù)分析方法的研究[J].測(cè)繪與空間地理信息，2010，33(6)：41-44.

Discussion on key technologies of location selection for reference stations of marine BDS CORS

WULingzhi，HUANGYongjun，LVYingjiong

(Navigation Guarantee Center of North China Sea，Ministry of Transport，Tianjin 300450，China)

In order to improve the accuracy of location section of the marine BDS CORS’s reference stations，the paper proposed a secletion method：the principles of layout design and site selection，and the theories of reconnaissance and data test were introduced，traffic，telecommunication，electricity supply，lightning protection，machine room and security conditions were taken priority for the layout design，first site selection and reconnaissance of the marine reference stations，and observations data integrity，multiple routes effect and signal-to-noise ratio were used as three main indicators of the observation environment test of the stations.The research result would help effectively tackle the location seletion of marine reference stations for meeting the demands of practical projects.

BDS；marine CORS；lociton selection of reference stations；multiple routes；signal-to-noise ratio

2016-05-30

鄔凌智(1983—)，男，湖北石首人，本科學(xué)歷，工程師，研究方向?yàn)楹Ｑ鬁y(cè)繪。

鄔凌智，黃永軍，呂瑛炯.沿海BDS CORS基準(zhǔn)站選址關(guān)鍵技術(shù)探討[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2017，5(1)：70-74.(WU Lingzhi，HUANG Yongjun，LV Yingjiong.Discussion on key technologies of location selection for reference stations of marine BDS CORS[J].Journal of Navigation and Positioning，2017，5(1)：70-74.)

10.16547/j.cnki.10-1096.20170115.

P228

A

2095-4999(2017)01-0070-05