CORS系统移动基准站的设计与实现

右手洛天 发表于 2021-11-27 16:31:31 | 打印

来源:《测绘科学》2017年7月

作者:张桦,刘文建,彭冬林,龚根生


第一作者简介:张桦,湖北巴东人,高级工程师,硕士,主要研究方向为CORS基准站系统应用和无线传感器网络等。


摘 要:针对CORS系统RTK服务盲区(RTK使用困难或无法使用)的问题,提出了在CORS系统服务盲区附近建立移动的CORS基准站。通过加密区域CORS系统的基站分布,缩短站间距,改善CORS系统网络RTK在该区域的可用性。通过设计实现的CORS移动基准站系统测试表明:在精度上,移动基准站达到与常规CORS基准站同等的效果,平面x,y≤5cm,高程H≤10cm;在可用性方面,CORS移动基准站自主供电、携带方便、组网灵活,区域网络RTK可用性明显提高。在应急测绘、救灾和临时加密CORS基准站系统等中具有借鉴和实用意义。

  

关键词:移动基准站;基站加密;可用性;快速并网;应急救灾

  

0 引言

  

CORS系统是GNSS技术、测绘地理信息技术、计算机技术、网络信息技术和高精度数据处理技术的有机结合[1-5]。CORS系统提供的全天候、实时、集约化的定位和导航服务,极大地改变了测绘外业作业模式,但是在具体应用过程中,因受到观测环境(如遮挡、干扰、多路径、电离层)[6],通信网络(包括延迟大、丢包、不稳定),卫星状况(PDOP值大、公共卫星数少)、服务软件的改正模型[7-8](站间距、地形差异)等因素影响,使得CORS系统存在RTK服务盲区(长时间不能获得固定解)[9]。目前,提高CORS可用性的研究重心,主要集中在加密地面基站、改进CORS系统软件算法、升级硬件设备等方面,周期长、耗资大,在应急测绘、救灾或现有基础薄弱的地区,难以在短期内见到明显改善。

  

本文提出设计一种基于CORS系统的移动基准站系统解决方案,通过快速架设临时基准站,加密服务盲区内CORS系统的站点分布,以提升CORS系统在该区域内的可用性,形成对现有CORS系统的补充与完善;同时提升应急测绘技术和装备水平,是现代测绘基准工程对区域突发事件应急技术的有效支撑[10]

  

1 加密原理

  

1.1 移动基准站定义

移动基准站是对CORS基准站系统的一个临时性补充,它相比CORS系统基准站具有可移动性、携带方便、部署简单、方便野外应用、支持多种网络通信模式、多种数据接入模式和多种模式的供电能力等,与CORS基准站系统并网后能够提供跟CORS基准站同等精度成果的GNSS基准站。

  

1.2 加密原理

当前CORS系统中网络RTK服务所用的技术最广泛、最具代表性的为虚拟参考站(virtual reference station,)VRS[11-13]。VRS技术是综合利用地面布设的多个参考站观测信息,通过建立精确的误差模型来修正距离相关误差,在用户站附近产生一个实际上并不存在的虚拟参考站。VRS与用户站的间距通常在10m以内[11],用户站只要能够获取生成VRS的观测值或RTCM 差分改正数,在VRS和用户站间通过差分解算,最终确定出用户站所在的精确位置。

  

文献[11]指出,VRS建模关键在于参考站间整周模糊度的快速确定、双差大气传播延迟估计和差分改正数的生成。参考站间整周模糊度的快速确定,只要各CORS基站坐标精确已知便可完全固定下来,当整周模糊度固定后,电离层和对流层的延迟的固定解公式可以表示为式(1)。

  

μ与站间距离有关,距离较短时,这3项可以忽略不计,但在中长距离动态定位中,这3项误差占据了主导地位,使得定位精度迅速下降[11]。如果这3项误差可以消除或减弱,精度仍然可以达到厘米级。

  

由此可见,CORS系统基站站间距对VRS技术建模过程中的双差大气传播延迟估计和差分改正数的生成有着直接的影响。CORS系统基站站间距小、基站密度大,可以消除或减弱差大气传播延迟估计误差和快速生成差分改正数,提高CORS系统网络RTK 收敛速度,提升其可用性。加密CORS系统区域的CORS基站密度是改善CORSRTK 精度,提高CORS系统可用性的有效途径之一。

  

综上所述,移动基准站加密CORS基站系统的原理是建立在CORS基准站基础之上,只是改良了CORS基准站固定不变,投资、建设周期长,不具灵活移动的弊端,充分吸收和借用了CORS基准站系统的算法、模型和原理。

  

2 移动基准站设计

  

2.1 方案设计

移动基准站设计为集成设备装箱而成,是整个工作的主体。其封装了移动基准站主要设备(包含移动基准站GNSS接收机,移动基准站GNSS天线、电台、网络通信及供电电池),便于携带。移动基准站整体工作示意图如图1所示。

图1 移动基准站工作示意图

  

在加密CORS基站系统、应急测绘或救灾中,移动基准站的工作方案为:①在加密CORS基站、应急测绘或救灾点,选择周边较为空旷的平地,打开移动基准站设备箱,部署移动基准站;②调试并确定移动基准站部署点的无线通信网络,使之与CORS网络RTK服务系统的网络进行网络通信与数据流通信;③在移动基准站进行观测,并快速获取移动基准站部署点点位的精确坐标;④在CORS网络RTK服务软件中加入该部署点的移动基准站,进行网解并发播服务;⑤在加密CORS基站、应急测绘或救灾服务区,RTK 流动站通过CORS发播的应急服务接口,进行应急测绘。

  

2.2 关键技术

2.2.1 自适应低功耗自主供电

完成移动基准站的野外应用必须设计低功耗、低成本的GNSS电路。当前GNSS基准站接收机电路的主要电路结构有:① 低噪声放大器(low noise amplifier,LNA)与混频器层叠复用的低噪声混频器(low noise mixer,LNM)结构;②自身产生本振信号的自起振混频器(self oscillating mixer,SOM)结构;③结合LNA,Mixer,压控振荡器(VCO)功能于一身的LMV(LNA-Mixer-VCO)系列结构等[14]。文献[14]中指出其提出的一种新型正交LMV电路,在满足GNSS接收机性能的指标的前提下,能大大降低电路功耗。移动CORS基准站设备在野外的长期连续运行中,受周围环境(太阳直射、高温等)的影响,实际功耗有所偏差,在充分考虑野外恶劣环境的前提下,本设计基于文献[14]中的新型正交LMV电路和野外无市电供应保障的前提下,提出自适应低功耗供电方案。在移动CORS基准站GNSS接收机设备内置电池,电源接口默认为直流供电,同时设计交流转直流稳压设备,当设备接入市电时,自适应交流供电模式,通过交流转直流的稳压设备转换成直流输出给设备主机供电并蓄电。整体电路设计如图2所示。

图2 移动基准站GNSS设备整体电路设计图

  

考虑到多星系统和多种网络通信模式的支持及GNSS天线接口的供电等各模块功耗,经测定移动CORS基准站GNSS接收机额定电压值12V,4W≤功率≤5W,内置10000mAh的企业级电池,可供该接收机连续运行24h,满足野外临时加密CORS基准站系统的需求。

  

2.2.2 快速并网

移动基准站加密区域CORS 系统,其周围CORS基准站系统坐标是精确已知,而移动基准站的坐标也是CORS系统同等精度的精确坐标。由1.2节中的模糊度确定原理,结合双频载波相位双差,快速准确确定加密区域CORS系统参考站间双差整周模糊度。同时,区域加密后的CORS系统站间距进一步缩小,双差综合误差μ随着站间距的缩小而迅速收敛,达到快速完成区域CORS系统的并网解算。通过优化算法,改进系统软件,移动CORS基站快速并入现有省市级CORS网络实现局部加密,整个过程在20m以内。

  

2.2.3 统一基准

通过区域CORS系统网络RTK成果获取移动CORS基准站的初始坐标,提供与现有CORS 系统一致的基准,流动端无需考虑坐标系统、高程基准等的差异,也无须进行事后的转换处理,可直接利用实时定位结果完成测绘工作。本文统一基准是基于加密的CORS系统区域内的基准统一,不是CORS系统之间的基准统一问题[15]

  

3 移动基准站软硬件系统测试

  

移动CORS基准站系统的实现,主要从功能性、可用性及网络RTK成果精度方面进行测试来确定。本文以GDCORS系统为例,测试范围选定在广东省肇庆地区,测试主要范围由肇庆站(ZQGT)、广宁站(GDGN)、德庆站(GDDQ)组成的区域网,点位分布如图3所示。Z004、Z005为GDCORS系统流动站测试不能获得RTK 固定解的点位,Z003为GDCORS系统流动站测试较难(有的时段能固定、有的时段不能固定)获得RTK 固定解的点位,Z001、Z002 为GDCORS系统流动站测试能良好获得RTK固定解的点位。

  

图3 移动基准站测试点位分布图

  图3中3个CORS基站的站间图上距离分布如表1所示。

表1 CORS基站的站间距情况

  

3.1 移动基准站功能性测试

移动基准站功能性测试系移动基准站相对CORS系统基准站的可替代性测试。从图3中不难发,在禄步镇附近架设移动基准站进行测试较为理想。即在图3中的B001位置架设移动基准站设备,加密该区域CORS基站系统,连续观测24h,记录系统测试过程中的设备运行情况、供电情况、网络通信情况、GDCORS控制中心的网解情况等,测试移动基准站方案的工程实践。

  

快速并网:经测试发现,选定移动基准站架设点位后,以两名工作人员为例。架设移动基准站、部署设备、开机运行、接入GDCORS系统并并网,只需要10 min。在并网解算阶段,大约20min内能提供良好的RTK服务。

  

续电能力:在实际测试中移动基准站接收机自带电池能连续工作20h以上,基本符合设计需求,并支持外接企业级UPS铅酸蓄电池直接供电,自主适应电流设计,满足移动基准站研究设计初衷。

  

网络通信:移动基准站至GDCORS控制中心无线通信网络由改进的自带电池且支持4G网络的无线路由模块完成。测试区域内B001处电信、联通和移动3大运营商4G卡网络测试的统计结果见表2。

表2 该区域移动基准站网络测试统计分析情况

  

根据CORS系统网络通信的要求,该区域联通和电信满足要求,移动不能满足要求;在后续的整个测试中采用联通4G 卡进行移动基准站与GDCORS控制中心的通信。

  

网络RTK定位精度对比测试:移动CORS基准站应用GDCORS系统肇庆站(ZQGT)精确坐标并切换原ZQGT的GNSS设备,进行移动CORS基准站跟GDCORS基准站的网络RTK 定位精度比较。以广东肇庆区域及周边的GDCORS基准站组成区域CORS系统,在图3中,ZQGT基准站架设移动基准站设备(表3用情形2表示)测试流动站网络RTK,然后再恢复原ZQGT 基准站设备(表3用情形1表示)测试网络RTK,并对二者进行对比,结果见表3。

表3 两种情形在测试点位各方向的情况统计

  

从表3不难发现,移动CORS基站与CORS常规基站在流动站RTK的测试效果一致:平面x,y 方向≤5cm,高程H 方向≤10cm,表明移动CORS基站能提供同CORS常规基站同等精度的网络RTK成果。

  

综上所述,通过对比移动基准站设备的快速并网能力、供电能力、网络通信能力和定位精度等性能发现,移动CORS基准站设备设计满足CORS基准站的设备要求,可进行区域CORS系统的加密。

  

3.2 加密CORS区域RTK可用性及精度测试结果

在广东肇庆区域5个测量点位上(见图3),每个点采取2个观测模式(原GDCORS系统模式设定为1,加移动基准站的模式设定为2),每个点位每种模式观测3个时段,对其网络RTK 初始化时间、初始化固定成功率、定位精度等进行统计分析。

  

3.2.1 固定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定位状态中从开始接入到CORS系统获得固定解的时间。在下面的统计中,不同模式分开进行平均计算,反映了该种模式下,该区域的初始化性能。同时对固定成功和不成功的点数进行统计,分别计算出该地区、每种观测模式的固定成功率。

  

对该区域的测试数据进行统计分析,得到固定时段数和平均初始化时间(见表4)。

表4 两种模式在测试点位的RTK固定解情况统计

  

从表4中可以看出,移动基准站加密该区域后,CORS系统在该区域具有明显的改善,固定率大为提高,可用性明显增强,平均固定时间也大为缩短,明显提高了流动站网络RTK 的用户体验。

  

3.2.2 网络RTK定位精度统计

网络RTK定位精度统计采用模式1和模式2同时观测同一个点,比较二者在平面x,y 和高程H 方向上的较差,可以反映出定位结果的真实情况。

  

在图3中的B001点位处架设移动基准站设备,对该区域进行加密,将B001的GDCORS系统网络RTK 在该点位的RTK 坐标成果,设置为移动基准站B001的站点坐标并接入CORS系统,进行精度测试且归为模式2,模式1是常规CORS基站系统,模式0是该点静态观测数据后处理的精确坐标。下面给出两种模式跟事后的精确坐标在Z001~Z0055个点位上的统计结果,表5中比较列“0-1”表示的是模式0 和模式1 的较差,其他类似。

  

从表5 可以看出,Z004 和Z005 在现GDCORS模式(表5中模式1)下并未获得RTK成果,分析其原因:① 该区域站间距比较大,平均站间距达75km,测试点Z004和Z005到任意CORS参考站距离超过35km;②测试点Z004和Z005的环境选在山坳中,周围树木众多,多路径效应影响相

表5 两种模式的网络RTK定位精度较差

  

比偏大;加之广东地区常年电离层活跃等因素综合,致使GDCORS系统在该区域存在服务盲区。在Z004 和Z005 附近(图3 中B001)架设移动CORS基站后,该区域由1个Delaunay三角网变成3个Delaunay三角网,加密了该区域CORS基站网,缩短了站间距,根据1.2节中的原理,该区域可用性应有所提高。测试的结果(表4和表5)表明,在架设移动CORS站后,Z004和Z005获得了网络RTK 成果,区域可用性提高,跟预计相符。同时从表5中的精度对比可以发现,同一个点的模式1成果和模式2成果跟该点的精确坐标(模式0)较差:平面和高程均在厘米级;模式1和模式2在x、y 和H 方向上的较差也在厘米级,基本满足CORS RTK标称精度平面x,y≤5cm,高程H≤10cm。即在常规CORS系统使用困难或无法使用的区域附近架设CORS系统RTK精度的移动基准站进行区域加密,网络RTK 流动站精度跟常规CORS基站系统精度相当,快捷方便,满足设计要求,可应用到区域临时加密或应急救灾。

  

4 结束语

  

在选定测试区域内,架设移动基准站后,该区域的网络RTK可用性大为提高(所选测试区域测试结果可用性为100%;不同的区域,测试点位的可用性可能会有所下降,但大为提高的趋势不会变);对比分析GDCORS RTK精度的移动基准站坐标的精度影响情况发现:基于RTK精度级别坐标成果的移动基准站与基于精确坐标的常规GDCORS基站并入GDCORS系统时,对相同测试的区域点位测试精度相当,测试结果较差满足CORS RTK标称精度:平面x,y≤5cm,高程H≤10cm,可满足厘米级测绘工程及相关应急应用需求。通过移动基准站加密CORS基站系统来提高CORS系统局部区域的可用性具有坚实的理论基础、构思新颖,部署方便快捷,具有一定的野外作业工程意义,不仅是测绘应急救灾的好帮手,还具有广泛的应用前景。

  

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