深圳市北斗CORS系统的设计与应用_邱蕾.pdf

2023 年 2 月第 1 期城市勘测Urban Geotechnical Investigation SurveyingFeb2023No1引文格式:邱蕾，杨志敏 深圳市北斗 COS 系统的设计与应用 J 城市勘测，2023(1):8386文章编号:16728262(2023)018304中图分类号:P228文献标识码:A深圳市北斗 COS 系统的设计与应用邱蕾1*，杨志敏2*收稿日期:20220410作者简介:邱蕾(1981)，女，博士，正高职高级工程师，研究方向为城市测量和 GIS 数据管理工作。Email:3966076 qqcom(1.深圳市规划和自然资源调查测绘中心，广东 深圳518000;2.武汉市测绘研究院，湖北 武汉430022)摘要:针对 COS 系统建设中选址、通信等问题，本文以深圳市北斗 COS 为例，根据深圳地质情况进行选址建站，通过构造网络、设计系统等方法建立基于北斗卫星的深圳市北斗 COS 系统，利用野外实测方法对北斗 COS 系统进行实时定位精度、内符合精度、可用性及数据有效性测试，结果表明深圳市北斗 COS 系统不但在平面上可提供 5 cm级位置服务，而且在高程上提供 10 cm的位置服务，系统的数据有效率超过 95%，可为深圳市经济发展建设提供稳定的测绘基准。关键词:COS;网络构造;实时定位精度;数据流1引言随着北斗 3 号卫星组网成功，充分利用基准站网和移动通信网等基础设施优势，通过北斗地基增强服务系统将大幅度提高北斗终端的定位精度、灵敏度和定位速度等，增强北斗卫星导航系统的位置服务能力和服务范围，可解决国家在高精度定位领域的应用需求1，2。COS 由卫星参考系统，地面控制中心，通信网络系统及用户系统等组成3，通过连续运行的固定参考站采集数据，解算后向用户发布改正数据，提供高精度的导航定位服务4。乔钰分析了北斗 COS 网建设原则、关键点以及维护关键点，对后续 COS 站建立具有参考价值5。COS 系统应用广泛，尚洪俊6 以蓟县矿山为例，通过对 GNSS 数据分析验证了 COS系统运行的可靠性，可满足矿山测量的要求。李治将COS 系统应用临近海域范围内高程测量，可满足四等水准应用需求7。周晓卫8 等通过建立 COS 系统，指定虚拟参考站进行数据解算，有效减弱了已知点粗差对精度的影响。国内广东、江苏、河南、山西、湖北、湖南、江西等省已经建立省级 COS 系统，龚甫浪9 以南雄市区域 COS 系统为例，从时间和空间可用性、TK 定位精度等方面论证了 COS 系统可提供厘米级 TK 定位服务。卢立10 以宜昌 COS 为例，论述了建站、并网、新增参考站的流程，为其他 COS 系统提供了参考。本文以北斗卫星导航系统为主，兼容 GPS、GLO-NASS 等导航系统，系统采用 GPS 等技术播发 TCMSC104V2X/3X、CM 等格式的差分修正信息设计深圳市北斗 COS 系统网络架构，建立基准站并对系统精度性能进行测试，数据有效率超过 95%，可提供厘米级位置服务，达到了深圳市 COS 的设计要求。2基于北斗导航定位应用的系统设计21北斗 COS 系统设计原则为保证基准站接收机可顺利接收北斗导航系统卫星信号，深圳市北斗 COS 系统采用基于北斗导航系统的改正信号的发播应用的网络 TK 技术，基准站到控制中心采用点到点的 SDH、控制中心到用户之间采用移动 APN 的固定 IP 的方式利用专用网络进行通信，将通信带宽设置为 2 M，延迟小于 250 ms，以35 km的网平均边长组成基准站网络。2.2工程实现流程深圳北斗 COS 工程设计的具体内容包括:基准站结构、控制中心结构、通信网络结构、软件部署、安全性设计等内容，具体设计流程如图 1 所示。图 1COS 工程设计流程示意图城市勘测2023 年 2 月在工程设计完成后，需要按照系统设计需求逐一检查，若不符合要求则需要上溯到网络设计阶段，修改原总体设计，直到最后满足设计要求。3北斗 COS 网络构造研究3.1北斗 COS 系统网络通信结构深圳市北斗 COS 集成了基于光纤的 SDH 城域网络，1 000 M内部局域网、Internet 等网络，其拓扑结构是以控制中心为中央节点的星形网络，网络通信协议统一采用 TCP/IP，服务器操作系统采用 MicrosoftWindows 2008 Server 2，系统组成简图如图 2 所示。3.2数据流设计深圳市北斗 COS 数据流分为内部和外部数据流两类，内部数据流是指不对外公开的系统内部交换数据，外部数据流是系统与用户间进行交换的数据。两类数据通过各子系统进行处理变换，系统中各类数据图 2深圳市北斗 COS 通信网络结构示意图的流动和控制全部自动完成，无须人员干预，当数据流发生阻塞时，系统尝试失败后会提示报警，以使操作员排除故障，恢复运行，如图 3 所示。图 3深圳市北斗 COS 数据流程3.3COS 控制中心在控制中心网络中，存在有以下数据流:实时数据:方向为 SGNSSNetwork服务器的磁盘阵列。缺断数据:此数据流对应于基准站设计中的缺断数据流，是由于通信链路中断后产生的，其方向为:总控制台S磁盘阵列总控台磁盘阵列加入。控制数据:发自系统控制中心的控制命令，可分为人工控制和自动控制两类，具体描述为，人工控制:操作者键盘总控制台S;报警控制:SGNSSNetwork屏幕。发播数据:正常工作条件下，系统控制中心的输出数据流。GNSSNetworkUAS。以上的数据流不一定同时发生，系统流程会自动进行，无须人工干预。系统控制中心网络数据流如图4 所示。图 4深圳市北斗 COS 控制中心数据流示意图4系统性能测试深圳北斗 COS 通过实时定位精度测试、内符合精度分析、可用性测试等验证系统的各项技术指标是否满足实际使用需求。实验选取 2020 年 9 月 21 日至10 月 16 日深圳市地区 13 个可以同时接收 BDS、GPS、48第 1 期邱蕾，杨志敏.深圳市北斗 COS 系统的设计与应用GALILEO、GLONASS 数据的基准站，站点分布如图 5所示。图 5SZBDCOS 站分布4.1实时定位精度分析采用野外实测方法进行深圳市北斗 COS 实时定位精度检验，每个点使用 3 台仪器进行测量，每台仪器每种模式 3 次初始的测量，共获得 149 组不同初始化的网络 TK 测量，每次初始化连续 30 个每秒一次的连续地形模式测量，实时定位精度情况如表 1 所示。由表 1 所示，实时定位精度在平面上优于 10 cm，在 99%的情况下优于 5 cm，满足 COS 系统设计要求。高程精度在 95%的情况下可达到厘米级，但在似大地水准面精化的基准上可达到厘米级精度，满足一般工程项目的应用需求。表 1定位精度的整体统计情况STDevxSTDevySTDevS 平面STDevh 高程最大值/m0069006600950209最小值/m0002000300030004平均值/m0015001300210042总组数4060010m4458%5172%2167%1232%001m002m2882%2882%3103%1773%002m003m1601%1404%2512%1281%003m004m739%345%1379%1305%004m005m271%148%739%1453%005m006m025%025%049%714%006007m025%025%000%567%007008m000%000%025%369%008009m000%000%000%369%009010m000%000%025%345%010m000%000%000%591%4.2内符合精度分析内符合精度可反应同一点定位结果的离散情况，深圳市北斗 COS 实时定位的内符合精度可由 TK连续地形模式下的内符合精度统计分析得到，单独在外业观测时在龙岗和宝安附近进行了内符合精度的测试，使用攀达仪器第 17 号仪器接入的源 GB，即使用GPS 和北斗一起定位模式，两次测试的结果如下(表 2中*为点位的真值坐标):表 2宝安站和龙岗站楼顶测试固定位置的内符合精度CGCS2000 平面坐标 Lo=114(中央子午线)点号宝安站楼顶固定位置(仪器:Panda#17)天线高度/m0097接入点PGB所有平均得到的测试点测量成果/m测试点测量标准差/cm035025072点号龙岗站楼顶固定位置(仪器:Panda#17)天线高度/m0097接入点PGB所有平均得到的测试点测量成果/m测试点测量标准差/cm047039075图 6SZBDCOS 实时定位内符合精度分布图由图 6 可知，深圳市北斗 COS 实时定位采用连续地 形 模 式 时 内 符 合 精 度 平 均 可 以 达 到 平 面0005 m，高程 0010 m。4.3系统动态范围及可用性测试使用攀达时空的 GIS 采集器(接外接天线于车外)，测试市区范围内的可以固定的情况，采样率为1 s，车辆速度为 40 km/h60 km/h，其分布的情况如图 7 所示。58城市勘测2023 年 2 月图 7系统动态范围测试利用网线直接连 Trimble Net9 得到系统服务器播发的改正信号，作为流动站进行网络 TK 时间可用性的测试。记录到近 7 个小时的长时间观测，分析该数据，得到的可用性超过 99.9%;另外通过对测试阶段的系统时间可用性测试数据分析也可得出:在真实环境并忽略卫星信号受遮挡的前提下，采用 TCM 差分模式，当以内符合精度的 2 倍为限差时，数据有效率可以达到 95.05%。5结语深圳市北斗 COS 的网络集成了基于光纤的 SDH城域网络、1 000 M内部局域网及互联网，在满足安全传输的条件下为用户提供高质量数据链接服务。通过野外实测方法检测深圳市北斗 COS 系统性能，在平面方向上可为用户提供厘米级位置服务，但高程方向精度在5%的情况下难以达到厘米级，需结合似大地水准面精化成果提升定位精度。深圳市北斗 COS 在硬件与软件上均达到设计要求，为深圳市城市数字化，建立“数字城市”“智慧城市”打下了基础，对后续区域COS 系统建立具有一定的参考价值。参考文献 1杨元喜，李金龙，王爱兵等 北斗区域卫星导航系统基本导航定位性能初步评估 J 中国科学:地球科学，2014，44(1):7281 1高星伟，过静珺，程鹏飞等 基于时空系统统一的北斗与GPS 融合定位J 测绘学报，2012，41(5):743748+755 3汪伟，史廷玉，张志全 COS 系统的应用发展及展望 J 城市勘测，2010(3):4547+55 4陈俊勇，党亚民 全球导航卫星系统的进展及建设 COS的思考 J 地理空间信息，2009，7(3):14 5乔钰 北斗 COS 网建设原则与关键点 J 电子技术与软件工程，2019(24):1617 6尚洪俊 COS 系统的构建及其在矿山测量中的应用 D 北京:中国地质大学(北京)，2014 7李治 基于珠海北斗 COS 系统的高程测量研究与应用 J 城市勘测，2020(3):8387 8周晓卫，胡明，匡志威等 COS 系统虚拟观测应用J 城市勘测，2018(4):8183 9龚甫浪 南雄市北斗 COS 系统的建立及精度分析 J 北京测绘，2020，34(7):9981001 10 卢立 宜昌 COS 并网建设及应用 J 地理空间信息，2017，15(7):4244 11 邱蕾，杨志敏 基于北斗地基增强系统的在线坐标转换 J 城市勘测，2020(1):120122Design and Application of Shenzhen Beidou COS SystemQIU Lei1，YANG Zhimin2(1.Planning and Natural esources Investigating Surveying and Mapping Center of Shenzhen Municipality，Shenzhen518000，China;2.Wuhan Geomati