北方海区北斗地基增强系统精度测试与数据分析
董江
摘 要：为检验北方海区北斗地基增强系统建设效果，采用静态和动态相结合的精度检测方法对其精度进行了分析和评估。通过在系统理论覆盖范围内合理布设若干网内网外控制点、车载测试线路和船载测试线路，进行网络RTK实时观测和事后处理，分析内、外符合精度，有效地解决了系统精度评估问题，满足了实际工程需要。
关键词：北斗系统；沿海CORS；精度评估；静态检测法；动态检测法
0 引 言
北方海区北斗地基增强系统是中国沿海北斗地基增强系统的重要组成部分，服务范围覆盖环渤海及山东半岛沿海海域。系统主要包括参考站网、数据处理服务中心、用户应用系统、数据通信系统等四大部分[1]。其中，参考站网共包括26个永久基准站，点位分布如图1。在系统正式对外提供服务前，为确保能向用户提供高精度的导航定位服务，有必要对系统进行精度评估，以确认是否符合设计要求。
1 测试方法
1.1 静态检测法
静态检测法是卫星定位精度检测中最普通、最易实现的方法，广泛应用于静态定位、常规RTK、网络RTK等定位技术的精度检测中。实时测试时，将接收机架设在已知坐标的控制点上并保持静止，进行实时差分定位，并记录实时定位结果文件，然后以已知点坐标作为参考基准，定位结果与参考基准的差值进行统计分析，得到实时定位的精度指标。事后测试时，将接收机架设在已知坐标的控制点上并保持静止，连续采集2小时以上的原始观测数据，利用事后解算软件解算出定位结果文件，然后以已知点坐标作为参考基准，定位结果与参考基准的差值进行统计分析，得到事后定位的精度指标。
静态检测精度统计方法简单，且能显著反映定位精度，但对于整个动态系统来说，只进行静态检测是不能完全验证模型算法和反映定位精度的。主要原因有：（1）静态检测的方法一般是接收机用静态测量方式模拟动态测量，但由于静态观测条件一般会优于动态观测条件，因此所得的精度测试结果会较为乐观，难以真实反映实际应用中的动态定位精度。（2）静态检测需要不变的已知点或不变的基线向量基准，但在某些测量区域可能很难找到已知点或不变的基线向量基准（如水面上），在这些情况下，静态检测无法实施[2]。
1.2 动态检测法
动态检测时，使用固定基线长检测法，将同型号同批次的两台多频接收机天线固定架设在同一个运动载体上，两天线之间的距离已知，运动过程中，两台接收机进行定位解算，将解的基线长与已知基线长比较，其差值在一定程度上反映了动态定位精度[2]。
2 测试过程及结果
测试主要包括实时定位精度测试、事后精密定位精度测试和动态导航测试，其中，动态导航测试又包括车载测试和船载测试。
2.1 实时定位精度测试
考虑到系统建设的主要目的是服务沿海区域，因此，本次测试按照靠近码头、重点港口和重要航路的原则，选取了位于系统理论覆盖范围内的控制点21个（如图2和图3），其中，16个位于网内，5个位于网外。为保证测试的可信度，其中，15个为已有C级点成果，6个为BERNESE软件事后静态解算成果。
2.1.1 初始化时间和固定成功率统计
在网络RTK定位测试中，初始化时间为网络RTK定位状态中从浮点解到固定解的时间[3-6]。同时，对模糊度固定成功和不成功的时段进行统计，可以计算出每种观测模式的固定成功率和整体的固定成功率。統计结果显示，各控制点在GPS+BDS+GLONASS和单BDS定位模式下的平均初始化时间（如图2）的平均值为4秒，最大值为8秒，两种定位模式的初始化时间差别不大；每种定位模式在不同时段都能固定，固定率100%。
2.1.2 实时定位精度统计
网络RTK定位精度统计可以分为内符合精度评定和外符合精度评定两个部分。其中，内符合精度是单次观测值均方根误差，反映的是定位结果的收敛情况，即定位的稳定性；外符合精度反映的是与已知坐标的符合情况，即定位的准确性，根据不同的已知坐标，可以得到不同坐标系的外符合精度[7]。统计结果如图4所示：平面内符合精度平均值0.006m，最大值为0.009m，高程内符合精度平均值0.010m，最大值为0.022m。平面外符合精度平均值0.032m，最大值为0.049m；高程外符合精度平均值0.052m，最大值为0.084m，满足系统实时定位水平优于0.050m，垂直优于0.100m的精度要求。
2.2 事后精密定位测试
在系统覆盖范围内选取6个控制网内点和2个网外控制点进行事后精密定位测试。精度结果如图3所示，平面精度平均值为0.014m，最大值0.016m，高程精度平均值为0.026m，最大值0.030m，满足系统事后精密定位平面优于0.02m，高程优于0.04m的精度要求。
2.3 动态导航测试
2.3.1 车载测试
本次RTK车载测试路线分布在系统覆盖范围内，且网内、网外均有覆盖。车载动态多频导航的解状态分布及精度统计结果如图5所示。其中，固定解占89%，内符合三维精度优于0.036m，外符合三维精度优于0.040m；浮点解占6%，内符合三维精度优于0.734m，外符合三维精度优于0.840m；固定解和浮点解合计占95%，根据外符合精度与各解状态占比可以得出，车载动态多频导航三维精度优于0.087m，满足系统多频导航水平优于0.3m，垂直优于0.5m的精度要求。
2.3.2 船载测试
鉴于陆地动态环境和海上动态环境在运动速度、通讯和卫星信号、多路径效应等方面都存在一定的差异，因此，船载测试是检验系统海上应用效果必不可少的一个环节。按照兼顾网内网外、覆盖重点港口和航路的原则，船载测试分为山东半岛南部沿海区域和辽东半岛及渤海北部沿海区域两个测区。其中，第二测区由于要避开禁航区和近海养殖区，导致测试路线距离海岸线过远，无法获得电信、联通、移动等公网信号，因此采用在测试过程中先采集原始数据、事后再利用周边基准站数据对该路线进行RTK解算的方法来获得解。船载动态多频导航的解状态分布及精度统计结果如图6所示。其中，固定解占42%，内符合三维精度优于0.037m，外符合三维精度优于0.040m；浮点解占2%，内符合三维精度优于0.405m，外符合三维精度优于0.416m。在两台多频接收机均达到固定解时，能满足系统多频导航水平优于0.3m，垂直优于0.5m的精度要求。
3 结束语
测试结果表明，北方海区北斗地基增强系统的实时定位精度为平面0.032m，高程0.052m，满足系统实时定位水平优于0.050m，垂直优于0.100m的精度要求；事后精密定位精度为平面0.014m，高程0.026m，满足系统事后精密定位平面优于0.02m，高程优于0.04m的精度要求；陆上车载动态多频导航三维精度优于0.087m，满足系统多频导航水平优于0.3m，垂直优于0.5m的精度要求；在两台多频接收机均达到固定解时，船载动态多频导航三维精度优于0.040m，能满足系统多频导航水平优于0.3m，垂直优于0.5m的精度要求。
受时间和测试条件的限制（如部分海域无通信信号覆盖，海中无精确测试点等），本次测试尚有一些可改进之处，需待今后进一步完善，如进一步丰富和完善测试点和测试路线的数量和布局等，完成基准站高等级水准联测后开展测试点85高程精度评估，进一步丰富测试时段的选择等。
参考文献
[1] 邬凌智，黄永军，吕瑛炯.沿海BDS CORS基准站选址关键技术研究探讨[J].导航定位学报，2017，5（1）：70-74.
[2] 唐卫明，楼益栋，刘晖，等.GPS连续运行参考站系统定位精度检测方法研究[J].通信学报，2006，27（8）：73-77，81.
[3] 安艳辉，史照良.全球卫星导航定位系统连续运行参考站网的技术探讨——以JSCORS徐州试点工程为例[J].现代测绘，2006，29（6）：3-6.
[4] 周万东，汪旸，杨铜梅，等.黄山市GNSS连续运行参考站网系统性能测试与分析[J].测绘与空间地理信息，2011，34（3）：116-118.
[5] 王卫华，安艳辉，薛铮，方卫达.有关连续运行参考站系统测试的研究[A].2007年全国测绘科技信息交流会及信息网成立30周年庆典论文集[C]，2007：140-142.
[6]卢辉.CORS系统的构建研究及其在江苏油田管线探测中的应用[D].西安：西安科技大学，2009.
[7] 吴迪军，熊伟，何婵军.港珠澳大桥GNSS连续运行参考站系统精度测试[J].导航定位学报，2013，1（2）：77-80.
摘 要：为检验北方海区北斗地基增强系统建设效果，采用静态和动态相结合的精度检测方法对其精度进行了分析和评估。通过在系统理论覆盖范围内合理布设若干网内网外控制点、车载测试线路和船载测试线路，进行网络RTK实时观测和事后处理，分析内、外符合精度，有效地解决了系统精度评估问题，满足了实际工程需要。
关键词：北斗系统；沿海CORS；精度评估；静态检测法；动态检测法
0 引 言
北方海区北斗地基增强系统是中国沿海北斗地基增强系统的重要组成部分，服务范围覆盖环渤海及山东半岛沿海海域。系统主要包括参考站网、数据处理服务中心、用户应用系统、数据通信系统等四大部分[1]。其中，参考站网共包括26个永久基准站，点位分布如图1。在系统正式对外提供服务前，为确保能向用户提供高精度的导航定位服务，有必要对系统进行精度评估，以确认是否符合设计要求。
1 测试方法
1.1 静态检测法
静态检测法是卫星定位精度检测中最普通、最易实现的方法，广泛应用于静态定位、常规RTK、网络RTK等定位技术的精度检测中。实时测试时，将接收机架设在已知坐标的控制点上并保持静止，进行实时差分定位，并记录实时定位结果文件，然后以已知点坐标作为参考基准，定位结果与参考基准的差值进行统计分析，得到实时定位的精度指标。事后测试时，将接收机架设在已知坐标的控制点上并保持静止，连续采集2小时以上的原始观测数据，利用事后解算软件解算出定位结果文件，然后以已知点坐标作为参考基准，定位结果与参考基准的差值进行统计分析，得到事后定位的精度指标。
静态检测精度统计方法简单，且能显著反映定位精度，但对于整个动态系统来说，只进行静态检测是不能完全验证模型算法和反映定位精度的。主要原因有：（1）静态检测的方法一般是接收机用静态测量方式模拟动态测量，但由于静态观测条件一般会优于动态观测条件，因此所得的精度测试结果会较为乐观，难以真实反映实际应用中的动态定位精度。（2）静态检测需要不变的已知点或不变的基线向量基准，但在某些测量区域可能很难找到已知点或不变的基线向量基准（如水面上），在这些情况下，静态检测无法实施[2]。
1.2 动态检测法
动态检测时，使用固定基线长检测法，将同型号同批次的两台多频接收机天线固定架设在同一个运动载体上，两天线之间的距离已知，运动过程中，两台接收机进行定位解算，将解的基线长与已知基线长比较，其差值在一定程度上反映了动态定位精度[2]。
2 测试过程及结果
测试主要包括实时定位精度测试、事后精密定位精度测试和动态导航测试，其中，动态导航测试又包括车载测试和船载测试。
2.1 实时定位精度测试
考虑到系统建设的主要目的是服务沿海区域，因此，本次测试按照靠近码头、重点港口和重要航路的原则，选取了位于系统理论覆盖范围内的控制点21个（如图2和图3），其中，16个位于网内，5个位于网外。为保证测试的可信度，其中，15个为已有C级点成果，6个为BERNESE软件事后静态解算成果。
2.1.1 初始化时间和固定成功率统计
在网络RTK定位测试中，初始化时间为网络RTK定位状态中从浮点解到固定解的时间[3-6]。同时，对模糊度固定成功和不成功的时段进行统计，可以计算出每种观测模式的固定成功率和整体的固定成功率。統计结果显示，各控制点在GPS+BDS+GLONASS和单BDS定位模式下的平均初始化时间（如图2）的平均值为4秒，最大值为8秒，两种定位模式的初始化时间差别不大；每种定位模式在不同时段都能固定，固定率100%。
2.1.2 实时定位精度统计
网络RTK定位精度统计可以分为内符合精度评定和外符合精度评定两个部分。其中，内符合精度是单次观测值均方根误差，反映的是定位结果的收敛情况，即定位的稳定性；外符合精度反映的是与已知坐标的符合情况，即定位的准确性，根据不同的已知坐标，可以得到不同坐标系的外符合精度[7]。统计结果如图4所示：平面内符合精度平均值0.006m，最大值为0.009m，高程内符合精度平均值0.010m，最大值为0.022m。平面外符合精度平均值0.032m，最大值为0.049m；高程外符合精度平均值0.052m，最大值为0.084m，满足系统实时定位水平优于0.050m，垂直优于0.100m的精度要求。
2.2 事后精密定位测试
在系统覆盖范围内选取6个控制网内点和2个网外控制点进行事后精密定位测试。精度结果如图3所示，平面精度平均值为0.014m，最大值0.016m，高程精度平均值为0.026m，最大值0.030m，满足系统事后精密定位平面优于0.02m，高程优于0.04m的精度要求。
2.3 动态导航测试
2.3.1 车载测试
本次RTK车载测试路线分布在系统覆盖范围内，且网内、网外均有覆盖。车载动态多频导航的解状态分布及精度统计结果如图5所示。其中，固定解占89%，内符合三维精度优于0.036m，外符合三维精度优于0.040m；浮点解占6%，内符合三维精度优于0.734m，外符合三维精度优于0.840m；固定解和浮点解合计占95%，根据外符合精度与各解状态占比可以得出，车载动态多频导航三维精度优于0.087m，满足系统多频导航水平优于0.3m，垂直优于0.5m的精度要求。
2.3.2 船载测试
鉴于陆地动态环境和海上动态环境在运动速度、通讯和卫星信号、多路径效应等方面都存在一定的差异，因此，船载测试是检验系统海上应用效果必不可少的一个环节。按照兼顾网内网外、覆盖重点港口和航路的原则，船载测试分为山东半岛南部沿海区域和辽东半岛及渤海北部沿海区域两个测区。其中，第二测区由于要避开禁航区和近海养殖区，导致测试路线距离海岸线过远，无法获得电信、联通、移动等公网信号，因此采用在测试过程中先采集原始数据、事后再利用周边基准站数据对该路线进行RTK解算的方法来获得解。船载动态多频导航的解状态分布及精度统计结果如图6所示。其中，固定解占42%，内符合三维精度优于0.037m，外符合三维精度优于0.040m；浮点解占2%，内符合三维精度优于0.405m，外符合三维精度优于0.416m。在两台多频接收机均达到固定解时，能满足系统多频导航水平优于0.3m，垂直优于0.5m的精度要求。
3 结束语
测试结果表明，北方海区北斗地基增强系统的实时定位精度为平面0.032m，高程0.052m，满足系统实时定位水平优于0.050m，垂直优于0.100m的精度要求；事后精密定位精度为平面0.014m，高程0.026m，满足系统事后精密定位平面优于0.02m，高程优于0.04m的精度要求；陆上车载动态多频导航三维精度优于0.087m，满足系统多频导航水平优于0.3m，垂直优于0.5m的精度要求；在两台多频接收机均达到固定解时，船载动态多频导航三维精度优于0.040m，能满足系统多频导航水平优于0.3m，垂直优于0.5m的精度要求。
受时间和测试条件的限制（如部分海域无通信信号覆盖，海中无精确测试点等），本次测试尚有一些可改进之处，需待今后进一步完善，如进一步丰富和完善测试点和测试路线的数量和布局等，完成基准站高等级水准联测后开展测试点85高程精度评估，进一步丰富测试时段的选择等。
参考文献
[1] 邬凌智，黄永军，吕瑛炯.沿海BDS CORS基准站选址关键技术研究探讨[J].导航定位学报，2017，5（1）：70-74.
[2] 唐卫明，楼益栋，刘晖，等.GPS连续运行参考站系统定位精度检测方法研究[J].通信学报，2006，27（8）：73-77，81.
[3] 安艳辉，史照良.全球卫星导航定位系统连续运行参考站网的技术探讨——以JSCORS徐州试点工程为例[J].现代测绘，2006，29（6）：3-6.
[4] 周万东，汪旸，杨铜梅，等.黄山市GNSS连续运行参考站网系统性能测试与分析[J].测绘与空间地理信息，2011，34（3）：116-118.
[5] 王卫华，安艳辉，薛铮，方卫达.有关连续运行参考站系统测试的研究[A].2007年全国测绘科技信息交流会及信息网成立30周年庆典论文集[C]，2007：140-142.
[6]卢辉.CORS系统的构建研究及其在江苏油田管线探测中的应用[D].西安：西安科技大学，2009.
[7] 吴迪军，熊伟，何婵军.港珠澳大桥GNSS连续运行参考站系统精度测试[J].导航定位学报，2013，1（2）：77-80.
