摘 要：本文介紹了北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)湖北示范項(xiàng)目的基本情況及技術(shù)特色，對(duì)系統(tǒng)的定位精度、覆蓋范圍、穩(wěn)定性等服務(wù)能力進(jìn)行分析。得出結(jié)論表明，該系統(tǒng)能為其區(qū)域網(wǎng)范圍內(nèi)的用戶提供厘米級(jí)的實(shí)時(shí)定位服務(wù)與米級(jí)導(dǎo)航服務(wù)，在精密定位初始化時(shí)間和環(huán)境適用性等方面優(yōu)于基于單GPS的增強(qiáng)系統(tǒng)，系統(tǒng)覆蓋范圍、可用性等均滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵字：北斗；地基增強(qiáng)系統(tǒng)；精密定位；導(dǎo)航

1 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Beidou Navigation Satelite System, BDS）是中國(guó)自主研制和建立的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠?yàn)橛脩籼峁┒ㄎ弧⑹跁r(shí)與短報(bào)文通信的一體式服務(wù)。它是繼美國(guó)GPS、俄羅斯GLONASS之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，打破了美國(guó)和俄羅斯在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的壟斷地位[1]。北斗是國(guó)家重要的基礎(chǔ)設(shè)施，發(fā)展獨(dú)立自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是國(guó)家的重大國(guó)策[2]。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師孫家棟院士提出北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)是北斗工程建設(shè)的重要內(nèi)容，也是北斗信息基礎(chǔ)設(shè)施的有機(jī)組成部分。北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)北斗高精度米級(jí)差分導(dǎo)航與北斗厘米級(jí)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)精密定位提供地面基礎(chǔ)設(shè)施支持，對(duì)推動(dòng)我國(guó)北斗產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用具有重大意義。

“北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)” 是由國(guó)家統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)的以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為主，兼容其他GNSS系統(tǒng)的地基增強(qiáng)系統(tǒng)，采用的地面基準(zhǔn)站間距為50－300km，通過(guò)地面通信系統(tǒng)播發(fā)導(dǎo)航信號(hào)修正量和輔助定位信號(hào)，向用戶提供厘米級(jí)至米級(jí)精密導(dǎo)航定位和大眾終端輔助增強(qiáng)服務(wù)。衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)將通信、地理信息、對(duì)地觀測(cè)有效地結(jié)合，正逐步發(fā)展為國(guó)家的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，也是當(dāng)前最具有創(chuàng)新性和生命力的新興信息產(chǎn)業(yè)之一。

2 全國(guó)首個(gè)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

“北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)湖北示范項(xiàng)目”是國(guó)家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的一部分，也是首個(gè)建設(shè)的省級(jí)示范系統(tǒng)。2012年，在中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室等相關(guān)管理部門的支持下，項(xiàng)目由湖北省測(cè)繪局投資組織實(shí)施，湖北省氣象局、武漢大學(xué)參與合作共建，湖北省測(cè)繪工程院（湖北省導(dǎo)航與位置服務(wù)中心）承擔(dān)具體實(shí)施工作。項(xiàng)目在省內(nèi)建設(shè)30個(gè)北斗示范站，由框架網(wǎng)和區(qū)域網(wǎng)兩部分組成，參見(jiàn)圖1，為全省用戶提供導(dǎo)航與位置服務(wù)。

框架網(wǎng)均勻分布于全省，提供全省米級(jí)導(dǎo)航服務(wù)；區(qū)域網(wǎng)分布于湖北省中東部，提供區(qū)域厘米級(jí)實(shí)時(shí)定位服務(wù)。所有基準(zhǔn)站均在原有湖北省連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)（HBCORS）參考站基礎(chǔ)上升級(jí)改造，共用觀測(cè)墩和GNSS天線，加裝信號(hào)分離器和北斗接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)兩套系統(tǒng)并置運(yùn)行的模式。

圖1 北斗基準(zhǔn)站分布圖

2.2 系統(tǒng)技術(shù)特色

系統(tǒng)全部基準(zhǔn)站采用北斗三頻接收機(jī)，控制中心PowerNetwork軟件也同樣支持三種系統(tǒng)，而且北斗能夠完全獨(dú)立使用，實(shí)現(xiàn)高精度網(wǎng)絡(luò)RTK定位，其總體性能與基于GPS的CORS系統(tǒng)相當(dāng)。項(xiàng)目完全采用我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟硬件設(shè)施，建成全球首個(gè)基于北斗三頻衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的精密定位服務(wù)系統(tǒng)，基于北斗提供省級(jí)厘米級(jí)精密定位和米級(jí)導(dǎo)航定位運(yùn)行服務(wù)。

3 系統(tǒng)性能分析

北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)湖北省示范項(xiàng)目投入使用應(yīng)滿足三點(diǎn)要求：一是定位精度達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)；二是覆蓋范圍內(nèi)均可提供服務(wù)；三是系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。這直接決定系統(tǒng)的應(yīng)用程度及服務(wù)領(lǐng)域。

3.1 實(shí)時(shí)定位精度分析

系統(tǒng)建成后開展了大量的功能和性能測(cè)試。在均勻分布的34個(gè)GPS B、C級(jí)點(diǎn)上進(jìn)行精度測(cè)試，利用南方測(cè)繪S82-C（司南芯片）和中海達(dá)V30（和芯星通芯片）北斗RTK終端，分別采用“GPS雙頻+北斗三頻”、“GPS雙頻+北斗雙頻”、“北斗三頻”、“北斗雙頻”、“GPS雙頻”共5種模式測(cè)試，統(tǒng)計(jì)其固定率、收斂時(shí)間及定位精度，測(cè)試結(jié)果參見(jiàn)表1；在全省開展導(dǎo)航測(cè)試，采用東方聯(lián)星車載終端LX260（北斗單頻），統(tǒng)計(jì)其定位精度，測(cè)試結(jié)果參見(jiàn)表2。

測(cè)試成果表明：

1）北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)湖北示范項(xiàng)目，采用北斗三頻實(shí)時(shí)精密定位技術(shù)，定位精度達(dá)到平面2cm、高程5cm，滿足高精度定位用戶需求；采用北斗單頻差分導(dǎo)航技術(shù)，實(shí)時(shí)定位精度達(dá)到1.4m（95%），滿足精密導(dǎo)航用戶需求。

2）我國(guó)自主研制和生產(chǎn)的北斗基準(zhǔn)站、流動(dòng)站定位導(dǎo)航接收機(jī)，以及精密定位服務(wù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，能夠滿足我國(guó)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)和精密定位導(dǎo)航應(yīng)用的需求。

3）利用北斗的三頻率特點(diǎn)，北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)在精密定位初始化時(shí)間和環(huán)境適用范圍等方面，明顯優(yōu)于基于其它雙頻衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)。

表1 北斗網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

定位模式	模糊度固定成功率	初始化時(shí)間（秒）	內(nèi)符合精度/m（平均）		外符合精度/m（平均）
			平面	高程	平面	高程
GPS雙頻+北斗三頻	100%	5.76	0.004	0.018	0.010	0.036
GPS雙頻+北斗雙頻	80%	27.46	0.003	0.015	0.011	0.042
北斗三頻	83%	16.40	0.007	0.020	0.013	0.052
北斗雙頻	40%	50.78	0.003	0.015	0.014	0.045
GPS雙頻	44%	40.28	0.006	0.021	0.012	0.048

表2 車載導(dǎo)航測(cè)試結(jié)果

模式		北斗單頻
觀測(cè)點(diǎn)數(shù)		1344
一倍中誤差		0.67
95%觀測(cè)誤差		1.4
區(qū)間		個(gè)數(shù)	百分比
誤 差 分 布	<1	970	72.17%
	1~2	309	22.99%
	>2	65	4.84%
總數(shù)		1344	100%

3.2 覆蓋范圍分析

區(qū)域網(wǎng)覆蓋范圍是系統(tǒng)重要的技術(shù)指標(biāo)之一，系統(tǒng)應(yīng)能夠在區(qū)域網(wǎng)構(gòu)成的圖形周邊30km內(nèi)提供符合精度要求的實(shí)時(shí)定位結(jié)果。

實(shí)時(shí)定位精度測(cè)試中，將45個(gè)測(cè)試點(diǎn)中距離基準(zhǔn)站的外圍點(diǎn)連接，構(gòu)成封閉多邊形，測(cè)定外圍點(diǎn)距離基準(zhǔn)站圖形的距離，即可得到實(shí)時(shí)定位覆蓋范圍的大小。依此處理后得到的分析參見(jiàn)圖2，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求覆蓋到基準(zhǔn)站周邊30km的指標(biāo)要求。

圖2 實(shí)時(shí)定位測(cè)試范圍分析

3.3 穩(wěn)定性分析

系統(tǒng)穩(wěn)定性指標(biāo)通過(guò)實(shí)測(cè)得到，在某點(diǎn)位上連續(xù)進(jìn)行RTK定位，分析其數(shù)據(jù)得到有效歷元數(shù)占理論歷元數(shù)之比，測(cè)試于2013年2月3日進(jìn)行，觀測(cè)點(diǎn)選擇一個(gè)未知點(diǎn)，采用RTCM差分格式，測(cè)試數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果匯總參見(jiàn)表3。

表3 時(shí)間可用性分析結(jié)果

模式	北斗三頻RTK定位
開始時(shí)間	2013-2-3 09:30:12
結(jié)束時(shí)間	2013-2-4 09:35:26
理論歷元數(shù)	87314
觀測(cè)值總數(shù)	84276		96.52%
內(nèi)符合精度統(tǒng)計(jì)
	平面		高程
內(nèi)符合精度（m）	0.0185		0.0325
最大偏差（m）	0.0344		0.0750
最小偏差（m）	0.0001		0.0001
按照設(shè)計(jì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)
超限觀測(cè)值個(gè)數(shù)	2840	3.37%	3304	3.92%
有效歷元百分比	96.63%		96.08%

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，測(cè)試時(shí)間內(nèi)有效歷元率達(dá)到96.52%，且測(cè)試結(jié)果的內(nèi)符合精度滿足平面<3cm、高程<5cm的設(shè)計(jì)要求，因此認(rèn)為該系統(tǒng)滿足實(shí)時(shí)定位用戶的穩(wěn)定性需求。

3.4 總結(jié)

經(jīng)測(cè)試，采用北斗三頻實(shí)時(shí)精密定位技術(shù)，其定位精度平面和高程分別達(dá)到2cm和5cm；采用北斗單品差分導(dǎo)航技術(shù)，實(shí)時(shí)定位精度達(dá)到1.5m，分別滿足精密定位用戶和導(dǎo)航用戶需求。該系統(tǒng)在精密定位初始化時(shí)間和環(huán)境適用性等方面優(yōu)于基于單GPS的增強(qiáng)系統(tǒng)，系統(tǒng)覆蓋范圍、可用性等均滿足設(shè)計(jì)要求。各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于國(guó)際當(dāng)前GPS地基增強(qiáng)系統(tǒng)的水平。

4 結(jié)論與展望

北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)湖北示范項(xiàng)目采用和開發(fā)了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟硬件產(chǎn)品，建立了國(guó)內(nèi)首個(gè)北斗精密定位服務(wù)系統(tǒng)，為湖北省北斗應(yīng)用推廣與產(chǎn)業(yè)化提供了基礎(chǔ)平臺(tái)，為北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的快速建設(shè)推廣提供了有效可行的模式和標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)和高精度應(yīng)用工程示范的預(yù)期目標(biāo)。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是世界上首個(gè)集定位、授時(shí)和短報(bào)文通信為一體的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，已在多個(gè)領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。但是，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還須面臨激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，單純的衛(wèi)星導(dǎo)航市場(chǎng)空間已經(jīng)十分有限，必須加強(qiáng)北斗與其它運(yùn)控系統(tǒng)的集成應(yīng)用，同時(shí)加快推進(jìn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用，爭(zhēng)取在國(guó)際衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)領(lǐng)域獲得更多的市場(chǎng)份額[5]。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] 楊元喜.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的進(jìn)展、貢獻(xiàn)與挑戰(zhàn)[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2010，39（1）：1-6

[3] 孫家棟.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展之路[J].衛(wèi)星應(yīng)用，2010，4

[4] 楊建忠.中海達(dá)向北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)驗(yàn)收專家展示北斗產(chǎn)品[J].中國(guó)水利，2013，4

[5] 楊元喜.中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展思考.衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)[J]，2011，2

作者簡(jiǎn)介：李劍，高級(jí)工程師，湖北省導(dǎo)航與位置服務(wù)中心控制中心主任，負(fù)責(zé)湖北省連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)和湖北省北斗精密定位服務(wù)系統(tǒng)（北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)湖北示范項(xiàng)目）的建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)工作和應(yīng)用推廣工作。

電話：027-86647793