全国首个北斗地基增强系统性能研究

摘  要：本文介绍了北斗地基增强系统湖北示范项目的基本情况及技术特色，对系统的定位精度、覆盖范围、稳定性等服务能力进行分析。得出结论表明，该系统能为其区域网范围内的用户提供厘米级的实时定位服务与米级导航服务，在精密定位初始化时间和环境适用性等方面优于基于单GPS的增强系统，系统覆盖范围、可用性等均满足设计要求。

关键字：北斗；地基增强系统；精密定位；导航

1 引言

      北斗卫星导航系统（Beidou Navigation Satelite System, BDS）是中国自主研制和建立的卫星导航系统，能够为用户提供定位、授时与短报文通信的一体式服务。它是继美国GPS、俄罗斯GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统，打破了美国和俄罗斯在卫星导航领域的垄断地位[1]。北斗是国家重要的基础设施，发展独立自主的卫星导航系统是国家的重大国策[2]。

         北斗卫星导航系统总设计师孙家栋院士提出北斗地基增强系统是北斗工程建设的重要内容，也是北斗信息基础设施的有机组成部分。北斗地基增强系统为实现北斗高精度米级差分导航与北斗厘米级实时动态精密定位提供地面基础设施支持，对推动我国北斗产业化应用具有重大意义。

“北斗地基增强系统” 是由国家统一规划建设的以北斗卫星导航系统为主，兼容其他GNSS系统的地基增强系统，采用的地面基准站间距为50－300km，通过地面通信系统播发导航信号修正量和辅助定位信号，向用户提供厘米级至米级精密导航定位和大众终端辅助增强服务。卫星导航技术将通信、地理信息、对地观测有效地结合，正逐步发展为国家的战略性产业，也是当前最具有创新性和生命力的新兴信息产业之一。

2 全国首个北斗地基增强系统介绍

2.1 系统简介

“北斗地基增强系统湖北示范项目”是国家北斗地基增强系统的一部分，也是首个建设的省级示范系统。2012年，在中国卫星导航系统管理办公室等相关管理部门的支持下，项目由湖北省测绘局投资组织实施，湖北省气象局、武汉大学参与合作共建，湖北省测绘工程院（湖北省导航与位置服务中心）承担具体实施工作。项目在省内建设30个北斗示范站，由框架网和区域网两部分组成，参见图1，为全省用户提供导航与位置服务。

框架网均匀分布于全省，提供全省米级导航服务；区域网分布于湖北省中东部，提供区域厘米级实时定位服务。所有基准站均在原有湖北省连续运行卫星定位服务系统（HBCORS）参考站基础上升级改造，共用观测墩和GNSS天线，加装信号分离器和北斗接收机，实现两套系统并置运行的模式。

图1 北斗基准站分布图

2.2 系统技术特色

系统全部基准站采用北斗三频接收机，控制中心PowerNetwork软件也同样支持三种系统，而且北斗能够完全独立使用，实现高精度网络RTK定位，其总体性能与基于GPS的CORS系统相当。项目完全采用我国自主知识产权的软硬件设施，建成全球首个基于北斗三频卫星导航信号的精密定位服务系统，基于北斗提供省级厘米级精密定位和米级导航定位运行服务。

3 系统性能分析

北斗地基增强系统湖北省示范项目投入使用应满足三点要求：一是定位精度达到设计指标；二是覆盖范围内均可提供服务；三是系统稳定可靠。这直接决定系统的应用程度及服务领域。

3.1 实时定位精度分析

         系统建成后开展了大量的功能和性能测试。在均匀分布的34个GPS B、C级点上进行精度测试，利用南方测绘S82-C（司南芯片）和中海达V30（和芯星通芯片）北斗RTK终端，分别采用“GPS双频+北斗三频”、“GPS双频+北斗双频”、“北斗三频”、“北斗双频”、“GPS双频”共5种模式测试，统计其固定率、收敛时间及定位精度，测试结果参见表1；在全省开展导航测试，采用东方联星车载终端LX260（北斗单频），统计其定位精度，测试结果参见表2。

测试成果表明：

1）北斗地基增强系统湖北示范项目，采用北斗三频实时精密定位技术，定位精度达到平面2cm、高程5cm，满足高精度定位用户需求；采用北斗单频差分导航技术，实时定位精度达到1.4m（95%），满足精密导航用户需求。

2）我国自主研制和生产的北斗基准站、流动站定位导航接收机，以及精密定位服务数据处理系统，能够满足我国北斗地基增强系统和精密定位导航应用的需求。

3）利用北斗的三频率特点，北斗地基增强系统在精密定位初始化时间和环境适用范围等方面，明显优于基于其它双频卫星导航增强系统。

表1 北斗网络RTK测试结果统计

表2 车载导航测试结果

3.2 覆盖范围分析

         区域网覆盖范围是系统重要的技术指标之一，系统应能够在区域网构成的图形周边30km内提供符合精度要求的实时定位结果。

实时定位精度测试中，将45个测试点中距离基准站的外围点连接，构成封闭多边形，测定外围点距离基准站图形的距离，即可得到实时定位覆盖范围的大小。依此处理后得到的分析参见图2，达到了设计要求覆盖到基准站周边30km的指标要求。

图2 实时定位测试范围分析

3.3 稳定性分析

系统稳定性指标通过实测得到，在某点位上连续进行RTK定位，分析其数据得到有效历元数占理论历元数之比，测试于2013年2月3日进行，观测点选择一个未知点，采用RTCM差分格式，测试数据处理后的结果汇总参见表3。

表3 时间可用性分析结果

从统计数据可以看出，测试时间内有效历元率达到96.52%，且测试结果的内符合精度满足平面<3cm、高程<5cm的设计要求，因此认为该系统满足实时定位用户的稳定性需求。

3.4 总结

经测试，采用北斗三频实时精密定位技术，其定位精度平面和高程分别达到2cm和5cm；采用北斗单品差分导航技术，实时定位精度达到1.5m，分别满足精密定位用户和导航用户需求。该系统在精密定位初始化时间和环境适用性等方面优于基于单GPS的增强系统，系统覆盖范围、可用性等均满足设计要求。各项指标达到或优于国际当前GPS地基增强系统的水平。
 

4 结论与展望

       北斗地基增强系统湖北示范项目采用和开发了具有完全自主知识产权的软硬件产品，建立了国内首个北斗精密定位服务系统，为湖北省北斗应用推广与产业化提供了基础平台，为北斗地基增强系统的快速建设推广提供了有效可行的模式和标准，实现了北斗地基增强系统建设和高精度应用工程示范的预期目标。

北斗导航系统是世界上首个集定位、授时和短报文通信为一体的卫星导航系统，已在多个领域得到成功应用。但是，北斗卫星导航产业的发展还须面临激烈的国际竞争，单纯的卫星导航市场空间已经十分有限，必须加强北斗与其它运控系统的集成应用，同时加快推进北斗卫星导航系统应用，争取在国际卫星导航系统领域获得更多的市场份额[5]。

[参考文献]

[1] 黄艳玉，张杏谷.“北斗”卫星导航系统的研究[J].船舶通信导航论文集，2009

[2] 杨元喜.北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J].测绘学报，2010，39（1）：1-6

[3] 孙家栋.北斗卫星导航系统发展之路[J].卫星应用，2010，4

[4] 杨建忠.中海达向北斗地基增强系统验收专家展示北斗产品[J].中国水利，2013，4

[5] 杨元喜.中国卫星导航应用产业发展思考.卫星与网络[J]，2011，2

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