离岸北斗卫星连续运行跟踪系统建设与精度测试

北斗卫星导航系统（BDS）作为中国自行研制的全球卫星定位与通信系统（GNSS ），是继美国的全球定位系统（GPS ）和俄罗斯的“格洛纳斯”全球卫星导航系统（GLONASS ）之后第三个成熟的卫星导航系统。

2012年12月27日起，北斗系统在继续保留北斗卫星导航试验系统有源定位、双向授时和短报文通信服务基础上，向亚太地区正式提供连续无源定位导航、授时等服务。

2012年11月，国际海事组织（IMO ）在伦敦举办的第91届海上安全技术委员会会议上，《关于北斗应用于国际海事领域的论题》的提案顺利通过，标志着北斗卫星正式被国际海事组织所认可，将在海事领域得到更广泛的应用。

在各个领域和亚太地区各个国家得到日益广泛的应用。

随着国家增大对沿海经济的开发力度，沿海水域特别是长江口水域水上工程施工日益增多，用户对长江口水上作业定位的精度要求不断提高，需求日趋强烈。

但是，目前无论是基于GPS还是北斗，都还没有专门服务于我国沿海离岸水域范围内的高精度地基增强网络系统，用户终端只能达到米级的定位精度结果，无法满足水上交通和水上施工对于定位精度的要求。

因此，开展基于北斗系统的高精度定位应用研究，在船舶精密导航、海洋测绘、水上工程施工、水工建筑物变形监测、海洋气象服务等方面都有着广泛的应用前景。

基于GPS的地基增强系统（包括：差分GPS系统（DGPS ）和连续运行参考站系统（CORS ）等），已经在华东地区得到广泛的应用，参考此技术模式，选择北斗离岸增强系统使用虚拟基站组网是一个相对成熟的技术，成功概率大。

一、虚拟站网的技术优势和特点目前具有用户实时动态定位功能的地面定位增强系统有几种技术实现方式，而近90%采用虚拟参考站离岸北斗卫星连续运行跟踪系统建设与精度测试he construction and accuracy test of the offshore Beidou satellite continuousoperation track systemDI Wei (DNSA of MOT, Shanghai 201208, China)狄 伟（东海航海保障中心，上海 201208）DOI:10.16831/ki.issn1673-2278.2019.03.021（VRS）模式。

离岸北斗连续运行参考站网平台的数据处理也采用VRS方法完成流动站用户的高精度实时定位；采用这种方法的CORS系统用户容量取决于网络的带宽和主控站的计算能力。

（一）特点系统工作时，数据中心实时接收各基准站观测数据，并解算出基准站间的整周模糊度和与测站相关的（或与空间相关的）误差改正数。

流动站用户需要定位时需向数据中心发送概略坐标，数据中心一旦接收到流动站用户的概略坐标，利用基准站的精确坐标和实时观测数据对概略坐标处进行误差建模，虚拟出该处的误差改正数，并按RTCM格式发播给流动站。

流动站相当于和一个离自己不远，但实际上并不存在的参考站进行高精度相对定位，避免了基准站和流动站的距离过长导致RTK性能下降的现象。

采用VRS方法的主要技术特点是：1. 流动站一般以NEMA格式向数据处理中心传递概略坐标，数据处理中心需向流动站传递生成的虚拟参考站误差值，这要求数据处理中心和流动站都具备双向通信功能；2. 大部分计算由数据处理中心完成，流动站只承担少部分计算；3. 流动站仅要求一般的支持RTCM的常规RTK接收机，不需要另外的软硬件支持，提高了兼容性。

4. 与常规RTK相比，流动站需要向数据处理中心传输概略坐标，即虚拟参考站的坐标。

（二）优势1. 定位均衡CORS系统能提供网络RTK测量精度，其采用多个参考站联合解算的数学模型，测量精度和可靠性高于单参考站RTK测量精度，且有效服务范围更大。

因此，与单参考站RTK测量相比，CORS系统提供测量精度在整个系统网内是均匀分布的。

2. 自动化和智能化CORS系统的特征就是在系统服务体系下能够把工作人员从某些工作中解脱出来，实现工作的自动化。

例如，与专业控制系统连接，能够实现智能化、自动化作业；实现了自动记录功能、差分解算功能和坐标转换功能等。

3. 网络化随着GPS/北斗差分解算技术的发展，并与网络通信技术相结合，GPS/北斗参考站之间实现了互联和统一控制，CORS系统开始由早期的单参考站工作模式逐渐演变为多参考站网络化的工作模式。

在单参考站工作模式下，各个参考站独立发送差分信息，互相不关联。

而多参考站网络化的CORS系统中，单个参考站作为网络的节点，通过网络链路实现GPS/北斗数据的传输、处理和存储，全部GPS/北斗参考站通过系统的数据中心形成一个高度网络化群体。

4. 快速定位CORS系统在其服务范围内可以实时地获取高精度的三维坐标成果，能够实现GPS快速定位测量。

5. 高可靠性CORS系统内包含有多个参考站，即使其组网内的一个或少数几个参考站出现问题不能正常工作时，也可以由剩下的可正常工作的参考站进行解算，不影响用户正常使用，极大地提高了系统的可靠性。

此外，网络RTK流动站采用固定的通信数据链（GPRS/CDMA），减少了无线电噪声干扰，实现了数据链路可靠性。

二、关键技术与系统实现（一）项目关键技术与创新点1. 基于AIS网络的北斗精密定位服务系统是国内首个建设的专门服务于近海用户的高精度北斗网络RTK系统基于北斗卫星的离岸海洋北斗卫星定位地面连续运行跟踪系统，采用虚拟参考战模式，可以用厘米级精度在海上控制区域提供定位服务，区别于基于GPS或在陆地上建设的CORS系统。

2. 集成我国沿海的AIS通信链路和公网通信链路，有效地解决了偏远海岛建设参考站所面临的通信难题。

利用已经建成的AIS数据链路传递各海岛基站数据，供控制中心计算或发布，实现了离岸水域运用虚拟参考站定位技术，与其他CORS系统基于电信网络传递基站数据形成了区别。

北斗卫星网络RTK系统具有定位精度高、全网络范围内精度分布均匀的优点，建设北斗卫星网络RTK系统的一个必要条件就是各个参考站和数据中心需要有通信链41中国海事路连接，海岛上建设参考战普遍不具有公网通信链路的资源，这是海上网络RTK系统建设所面临的一大难题。

3. 利用网络范围内的高等级GNSS控制点成果和水准高程成果，建立了局部似大地水准面模型。

为了给用户直接提供国家统一的水准高程数据，项目采集了网络周边高等级的GNSS控制点，根据控制点的水准成果和GNSS成果，建立了覆盖整个北斗CORS网络的局部海区似大地水准面模型，使用该模型可以将北斗卫星导航系统提供的大地高成果改化为国家水准高程成果。

使得用户在获取平面定位数据的同时，也能够同步获取水准高程数据。

（二）系统实现建立参考站子系统，根据国家北斗地基增强系统对参考站的布局规划要求，沿海区域建立永久性北斗参考站；建立1个海区数据处理服务中心，海区建立系统管理和数据库平台，管理各参考站的运行，并实现数据入库和分流，对系统进行实时状态监测；建立数据通信子系统，基于海事局内网实现北斗参考站到海区数据处理服务中心的实时数据传输，采用GPRS/CDMA/3G形式的无线虚拟专用拨号网实现用户与海区数据处理服务中心的通信；系统实现数据处理服务和海上用户间的实时通讯服务，提高应急响应速度，减少事故损失等；建立基于北斗的网络RTK、DGNSS、PPP-RTK服务平台，利用GPRS、CDMA、GSM等2G或3G移动通信方式，向地区用户提供实时厘米级、分米级和米级导航定位服务。

1. 参考站技术体系参考站系统如图1。

图1 参考站系统2. 数据通讯系统数据通讯或交互如图2。

图2 数据通讯或交互示意图3. 数据处理中心架构数据处理中心架构如图3。

图3 数据处理中心架构图4. 数据处理软件的主要功能模块软件功能如图4。

图4 软件功能如图三、布网图与规划北斗CORS网络已经建设了两期：长江口水域4个站的试验网络和杭州湾舟山水域的10个站，如图5：42图5 已建成的离岸北斗CORS站网四、精度测试（一）精度指标按照长江口及杭州湾北斗CORS系统的建设方案，其技术精度指标主要包括以下几项：动态参考基准的地心坐标精度，实时定位精度，导航精度等。

具体见表1：表1 系统精度指标要求（设计指标）（二）测试技术方案为测试所建设的离岸北斗精密定位服务系统的各项技术指标是否满足设计要求，评估该系统的RTK差分信号覆盖范围、定位精度以及系统的稳定性、连续性和兼容性等性能指标，开展了内容全面的测试工作。

1. 在CORS系统的信号覆盖范围内的已知点上进行定点测试，通过测定定位精度和固定模糊度的初始化时间，分析其精密定位的性能；2. 测试车载和船载接收机在运动过程中接收CORS 系统的差分（GPS+北斗+GLONASS）信号进行RTK定位得到固定解的陆上和海上的路径范围，分析CORS系统进行GPS+北斗+GLONASS差分定位性能等；掌握重要港口和重点水道RTK定位范围的覆盖情况及服务性能；3. 通过长时间（8小时）信号的测试，分析CORS系统的连续可用服务性能。

通过定点、车载、船载和长时间连续测试结果，对长江口及杭州湾北斗CORS系统进行整体综合评估，推动北斗CORS系统沿海差分定位的应用。

（三）定点测试定点测试共计测试了18个控制点，其中江苏省境内测试了5个点、上海市境内测试了9个点、浙江省境内测试了4个点。

这些测试点均在长江口及杭州湾北斗CORS系统的理论覆盖范围内，其分布如图6，比较合理。

图6 精度测试点分布为了确保测试结果的合理可信，定点RTK测试以长江口及杭州湾北斗CORS系统覆盖区域内18个国家或海事系统C，D级精度的控制点为参考基准。

根据北斗与GPS+北斗+GLONASS两种模式的RTK定位结果与其均值的差值进行内符合精度统计，定位结果与参考基准的差值进行外符合精度统计。

内、外符合精度评定的限差为水平<5cm，高程<10cm。

1. RTK测量的内符合精度计算每一测点所有RTK测量值的平均值，求得每一测量值与该平均值之差，统计所有差值的分布情况，并43中国海事对差值在不同区间的概率进行统计，并利用式（1）分别计算系统B、L、H方向的内符合精度：（1）其中：n为测量值总数，即剔除粗差观测值后全部RTK实时动态测量值总数；△X 为测点RTK测量值与平均值在X方向的差值；M x 为系统X 方向的内符合精度，反映系统RTK定位的稳定性。

2. RTK测量的外符合精度将RTK测量值与已知坐标值进行比较，求得各测点的外符合性分布情况，最后再根据式（2）计算CORS系统在x、y、H方向的外符合精度：（2）其中： 为测试点RTK测量值与已知坐标值之差；N 为测试点数；为系统外符合精度，反映CORS系统定位的准确性。

3. 定点测试系统定位精度分析根据北斗CORS系统的RTK差分定位测试结果，进行系统连续可用性以及初始化时间等结果的统计分析。