史俊波 歐陽晨皓 岳金廣 陳 明 郭際明
1 武漢大學(xué)測繪學(xué)院,武漢市珞喻路129號,430079 2 國家基礎(chǔ)地理信息中心,北京市蓮花池西路28號,100830
北斗地基增強系統(tǒng)最早由各省市的測繪部門組織建設(shè)并提供服務(wù),隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”業(yè)務(wù)范圍的逐漸擴大,目前我國已出現(xiàn)了多家覆蓋全國的商用北斗地基增強系統(tǒng),包括2016年推出的千尋位置、2020-07推出的六分科技和2020-10推出的中國移動北斗地基增強系統(tǒng),其中千尋位置提供的網(wǎng)絡(luò)RTK是國內(nèi)最早的商用北斗地基增強系統(tǒng),已有學(xué)者對其服務(wù)進行了較為詳細的研究[1-3]。
3家北斗地基增強系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)性能對于高精度“北斗+”的推廣應(yīng)用具有重要意義,但目前尚未有對其較系統(tǒng)的比較分析。本文從3家網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)提供商對北斗三號新衛(wèi)星和新信號的支持情況、北斗原始觀測值的數(shù)據(jù)質(zhì)量及高精度定位性能等方面進行詳細分析,給北斗地基增強系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTK用戶提供使用建議。
本文選取數(shù)據(jù)完整率、多路徑誤差、信噪比、周跳比這4項指標(biāo)對北斗地基增強系統(tǒng)的北斗原始觀測數(shù)據(jù)進行質(zhì)量分析,各指標(biāo)的具體含義為:
1)數(shù)據(jù)完整率為實際觀測歷元數(shù)與理論觀測歷元數(shù)的百分比,計算公式如下:
(1)
式中,α為數(shù)據(jù)完整率,Ni為實際觀測歷元數(shù),N0為理論觀測歷元數(shù)。
2)多路徑誤差MPij為觀測信號第i頻率相對于第j頻率上多路徑效應(yīng)的影響,MPij的值越小,抗多路徑效應(yīng)的能力越強。MPij的計算公式如下:
(2)
式中,Pi為第i頻率上的偽距觀測值,φi、φj分別為第i和第j頻率上的相位觀測值,α為第i和第j頻率fi、fj之比的平方,即α=(fi/fj)2。
3)信噪比(SNR)為信號功率和噪聲功率之間的比率,SNR越高,信號質(zhì)量越好。SNR可以從觀測文件中直接獲取。
4)周跳比是反映周跳情況的指標(biāo),公式如下:
(3)
式中,o/slip表示觀測值數(shù)num_of_all和周跳數(shù)num_of_slip的比值,比值越小,周跳情況越嚴重。
本文通過自編Ntrip客戶端軟件獲取千尋位置、六分科技及中國移動3家北斗地基增強系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)的原始數(shù)據(jù)。需要指出的是,每個網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)都提供了多個掛載點,每個掛載點對北斗衛(wèi)星系統(tǒng)和觀測值信號的支持能力不一樣。為保證數(shù)據(jù)分析的一致性,本文選取官方推薦的掛載點,分別為AUTO(千尋位置)、RTCM32_GRECJ2(六分科技)、RTCM33_GRCE(中國移動),且均選擇CGCS2000坐標(biāo)框架對應(yīng)的端口號。
依據(jù)Ntrip協(xié)議客戶端與服務(wù)端的交互邏輯,在2021-07-21~22以31°00′58.345″、109°27′55.891″模擬用戶近似坐標(biāo),分別實時接收8~9 h的網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)原始數(shù)據(jù),并按照RTCM V3.3給定的標(biāo)準(zhǔn)格式進行解碼。由文獻[2-4]可知,目前北斗地基增強系統(tǒng)為虛擬格網(wǎng)模式,而非傳統(tǒng)虛擬基站模式,因此本文實際采集的3個基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)是距用戶坐標(biāo)最近的虛擬格網(wǎng)點的虛擬觀測數(shù)據(jù),具體采集情況如表1所示。由表可見,3家系統(tǒng)返回的虛擬格網(wǎng)點與用戶的距離小于58.4″ N、56.0″ E(約2.4 km),千尋位置與中國移動虛擬格網(wǎng)點的橢球高差僅為4.2 cm,而與六分科技的橢球高差為779.808 m。
表1 3家北斗地基增強系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)原始數(shù)據(jù)采集情況
相較于GPS、GLONASS和Galileo系統(tǒng)相對固定的星座和信號結(jié)構(gòu),北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)遵循逐步建設(shè)、逐步完善的發(fā)展規(guī)律。由于北斗二號衛(wèi)星系統(tǒng)的正式宣布時間(2012-12)遠早于3家網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)提供商的成立時間,這3家提供商的網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)支持所有北斗二號衛(wèi)星(C01-C16)。但是針對2020-07正式宣布的北斗三號衛(wèi)星系統(tǒng)[5-6],這3家提供商的支持能力各有不同。表2為3家北斗地基增強系統(tǒng)對北斗衛(wèi)星的支持情況,需要指出的是,原始RTCM數(shù)據(jù)的解析以標(biāo)準(zhǔn)RTCM V3.3協(xié)議為準(zhǔn)[7],3家北斗地基增強系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的基礎(chǔ)上自定義數(shù)據(jù)類型,例如北斗三號新信號B1C、B2a均不包括在本文分析中;本文對原始北斗觀測值的字符標(biāo)識以標(biāo)準(zhǔn)RINEX 3.04協(xié)議為準(zhǔn)[8]。由表2可知:1)北斗三號衛(wèi)星共30顆,包括24顆MEO衛(wèi)星、3顆IGSO衛(wèi)星和3顆GEO衛(wèi)星,其中千尋位置除C59、C60、C61三顆GEO衛(wèi)星外共支持27顆衛(wèi)星,六分科技除C61外共支持29顆衛(wèi)星,中國移動僅支持C19~C30、C32~C37共18顆MEO衛(wèi)星;2)從信號類型來看,千尋位置和中國移動支持3個頻率的偽距、相位和信噪比觀測值,而六分科技僅支持B1和B3兩個頻率的偽距、相位和信噪比觀測值;3)從具體的信號頻率來看,對于北斗二號衛(wèi)星,千尋位置和中國移動支持B1I+B2I+B3I,六分科技支持B1I+B3I;對于北斗三號衛(wèi)星,3家服務(wù)提供商均支持B1I+B3I。
表2 3家北斗地基增強系統(tǒng)對北斗系統(tǒng)的支持情況(2021-07-21~22)
利用本文提供的數(shù)據(jù)完整率、多路徑誤差、信噪比、周跳比4項指標(biāo)計算公式得到3家網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)提供商的基準(zhǔn)站北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量(表3和圖1)。結(jié)果表明:1)3家服務(wù)提供商的北斗數(shù)據(jù)完整率均為100%;2)六分科技不支持第二頻率,故沒有MP2和SNR2指標(biāo),3家服務(wù)提供商提供的北斗數(shù)據(jù)多路徑誤差都不超過0.13 m;3)3家服務(wù)提供商的信噪比為43.84~48.13 dB;4)中國移動的周跳比最低,小于千尋位置和六分科技。
表3 3家北斗地基增強系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)北斗原始數(shù)據(jù)質(zhì)量
圖1 3家北斗地基增強系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)的北斗原始數(shù)據(jù)完整率、多路徑效應(yīng)、信噪比、周跳比Fig.1 Data integrity, multipath effect, signal-to-noise ratio and cycle slip ratio ofthree BDS ground-based augmentation system network RTK service
3.3.1 高精度定位解算方案
取2021-07-22采集的數(shù)據(jù),按照2種解算模式對3家系統(tǒng)的定位性能進行分析:1)從控制測量應(yīng)用的角度出發(fā),按照單基線解算模式計算3個虛擬基站之間的基線向量,并統(tǒng)計閉合差等指標(biāo);2)從變形監(jiān)測應(yīng)用的角度出發(fā),將3個虛擬站數(shù)據(jù)分別模擬為基準(zhǔn)站和監(jiān)測站,按照單歷元RTK模式解算,選取該虛擬站對應(yīng)的RTCM 1005報文中的虛擬格網(wǎng)坐標(biāo)作為定位結(jié)果的參考。以上2種解算模式均采用B1I單頻信號,且設(shè)置了BDS-2和BDS-2+3進行對比分析實驗。
3.3.2 單基線解算結(jié)果
表4為3個虛擬基準(zhǔn)站之間基線向量組成的閉合差統(tǒng)計結(jié)果,其中閉合環(huán)長度為8.19 km,基于BDS-2觀測數(shù)據(jù)的閉合差為10.2 mm,相對誤差為1.24×10-6;基于BDS-2+3觀測數(shù)據(jù)的閉合差為13.3 mm,相對誤差為1.62×10-6。
表4 單基線解算結(jié)果的閉合差統(tǒng)計結(jié)果
3.3.3 單歷元RTK解算結(jié)果
如表5所示,本文共進行6組單歷元RTK解算實驗,取全時段最后30個歷元的結(jié)果,分別統(tǒng)計定位誤差的標(biāo)準(zhǔn)差STD和平均值mean。圖2為這6組定位結(jié)果誤差的標(biāo)準(zhǔn)差和平均值,結(jié)果表明:1)3個虛擬站之間的RTK誤差STD水平向均小于3 mm,垂直向均小于9 mm,且BDS-2+3的穩(wěn)定性優(yōu)于BDS-2;2)3個虛擬站之間RTK定位誤差均值存在cm~dm級的系統(tǒng)性偏差,其中六分科技和中國移動虛擬站的解算組合RTK誤差均值最大,水平向高達13.67 cm,垂直向高達47.28 cm。這是六分科技虛擬格網(wǎng)點與中國移動虛擬格網(wǎng)點的高差高達779.766 m所致(表1),在這種大高差情形下存在較大的雙差對流層殘差,進而會引起定位結(jié)果的系統(tǒng)性偏差,特別是在高程方向[9],這同樣也能解釋千尋位置和六分科技之間在高程方向存在的44.80 cm偏差。因此,在利用北斗地基增強系統(tǒng)進行高精度定位作業(yè)時,建議不要使用不同的北斗地基增強系統(tǒng),以避免不同北斗地基增強系統(tǒng)帶來的定位結(jié)果偏差。
表5 單歷元RTK精度統(tǒng)計
圖2 3個虛擬格網(wǎng)點之間的單歷元RTK結(jié)果Fig.2 Single-epoch RTK results between three virtual grid points
本文深入研究千尋位置、六分科技和中國移動3家北斗地基增強系統(tǒng),分別采集了2021-07-21~22內(nèi)8~9 h的數(shù)據(jù),得到以下結(jié)論:
1)千尋位置和中國移動支持BDS-2三頻信號(B1I、B2I、B3I)和BDS-3雙頻信號(B1I、B3I),六分科技支持BDS-2和BDS-3雙頻信號(B1I、B3I)。3家北斗地基增強系統(tǒng)都能提供100%的北斗數(shù)據(jù)完整率,六分科技的多路徑誤差和信噪比指標(biāo)最優(yōu),千尋位置的周跳比指標(biāo)最優(yōu)。
2)單基線解算結(jié)果表明,3家北斗地基增強系統(tǒng)虛擬基站組成的閉合環(huán)相對誤差均小于2×10-6。單歷元RTK解算結(jié)果表明,3家北斗地基增強系統(tǒng)均能提供水平向優(yōu)于3 mm、垂直向優(yōu)于9 mm的內(nèi)符合精度,但不同北斗地基增強系統(tǒng)之間存在cm~dm級的定位結(jié)果系統(tǒng)性偏差,因此不建議在單歷元RTK作業(yè)時使用不同的北斗地基增強系統(tǒng)。
需要指出的是,本文結(jié)論是基于2021-07-21~22采集數(shù)據(jù)得到的。隨著各服務(wù)提供商對BDS-3新衛(wèi)星/新信號兼容性的升級及虛擬格網(wǎng)生成算法的優(yōu)化,3家北斗地基增強系統(tǒng)服務(wù)提供商之間的系統(tǒng)性偏差有望減小,并最終實現(xiàn)北斗高精度定位服務(wù)共享。