2. 精密工程与工业测量国家测绘地理 信息局重点实验室, 湖北 武汉 430079
2. Key Laboratory of Precise Engineering and Industry Surveying, National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation, Wuhan 430079, China
2016年5月，千寻位置网开始向用户提供亚米级(千寻跬步-Find m)、厘米级(千寻知寸-Find cm)和毫米级(千寻见微-Find mm)3种高精度定位服务，覆盖全国大部分省市。该服务基于我国自主建设的北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)[1]，通过RTD/RTK定位原理，利用互联网提供全天候差分播发服务[2]。
高精度北斗差分数据的播发需要将数据以RTCM (radio technical commission for marine service) V3.2多电文信息(multiple signal message，MSM)格式进行编码并通过互联网进行播发[3]。在2013年11月RTCM V3.2版本发布之前，国际上并没有统一的协议规定北斗导航系统差分数据的播发格式[4]。RTCM V3.2发布之后，唐文杰[5]、伍鑫[6]等使用RTCM V3.2的差分数据格式验证了上海和珠海两个区域CORS北斗RTK定位的可行性。刘天恒[7]、陈振[8]等利用河南地区的北斗地基增强系统，分别验证了基于河南、四川两个区域北斗地区增强系统RTD定位精度达到亚米级。
作为国内第一个商用北斗地基增强系统，千寻北斗地基增强系统能够覆盖全国大部分范围，支持以RTCM V3.2标准格式播发数据。本文在研究RTCM V3.2 MSM电文格式的基础上，在武汉和重庆两地分别对千寻北斗地基增强系统所播发的虚拟参考站观测数据进行解码，并进行RTK和RTD差分解算，研究千寻北斗地基增强系统的服务性能及定位精度。
1 MSM电文内容相较于之前版本，RTCM V3.2新增了MSM格式用于支持BDS差分数据的播发[9]。MSM电文内容共分为7个电文组(MSM1~7)，每种MSM都由3部分组成：电文头、卫星数据、信号数据。电文组成及每部分内容简介如图 1所示。
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| 图 1 MSM电文组成 |
MSM1~7电文头内容是相同的[10]，其结构如图 2所示。黑色文字部分是该数据区的名称；名称下方的DFXXX为数据区(Data Filed，DF)编号；括号中为数据类型及数据长度，单位为比特(bit)，uint表示无符号整型；省略号表示该数据区电文内容与本文无关。
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| 图 2 MSM电文头结构 |
电文编号(DF002) 的长度为12 bit，决定了解码观测值所属卫星系统。目前，千寻位置网播发的RTCM3.2多电文编号为MSM4，包括1074(GPS)、1084(GLONASS)、1124(BDS)等电文。
卫星掩码(DF394) 的长度为64 bit，每一个bit对应一个卫星PRN。GPS和BDS卫星PRN和卫星掩码ID按照从小到大对应，即G01/B01对应卫星掩码中的第一个bit，G02/B02对应卫星掩码中的第二个bit，以此类推。卫星掩码中ID值默认为0，当其值被设置为1时，表明在该段电文中含有该卫星的观测值。卫星掩码值为1的ID的个数即为Nsat的值。Nsat的值决定了卫星数据块中共有多少个卫星。
信号掩码(DF495) 的长度为32 bit，每一个bit对应一种信号。信号掩码的值默认为0，当其值被设置为1时，表明在该段点文中含有该类信号的观测值。信号掩码ID值为1的总个数即为Nsig的值。
单元掩码(DF396) 大小在解码前是未知的，其大小由卫星掩码和信号掩码中的内容决定，即X=Nsat*Nsig。单元掩码相当于一个二维表格，表格的行代表卫星掩码(DF394) 中ID设置为1的卫星，表格的列代表信号掩码(DF395) 中ID设置为1的卫星，在电文中则以列优先的顺序存储。单元掩码中每个单元格默认值为0，单元掩码中某单元格值被设置为1，表示在该段电文中，含有某卫星某信号的观测值。单元掩码中值为1的个数即为Ncell的值。
1.2 卫星数据本文以千寻北斗地基增强网络播发的MSM4为例，介绍MSM电文的卫星数据及信号数据。卫星数据是指卫星掩码(DF394) 中ID被设置为1的卫星的相关信息。MSM4卫星的数据结构如图 3所示。其中，Sat1~SatN即为卫星掩码中卫星ID被设置为1的卫星按ID从小到大进行排列，其他各项所代表的含义同前。
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| 图 3 MSM4卫星数据内容 |
信号数据存储的是单元掩码中ID值被设置为1的卫星信号信息，格式如图 4所示。其中，Ncell为单元掩码中值被设置为1的个数，int表示该电文数据类型为有符号整型。
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| 图 4 MSM4信号数据内容 |
卫星数据用于恢复卫星的粗略测距，结合信号数据，就可以构建出完整的伪距、相位观测值，计算公式为
(1) 式中，c为光速，值为299 792 458 m/s[11]。
2 厘米、亚米级北斗差分定位性能分析利用千寻北斗地基增强网络，本文在武汉、重庆两地分别进行厘米级RTK、亚米级RTD定位性能分析，流程如图 5所示。首先，架设流动站进行连续观测，获取流动站近似坐标；其次，流动站将近似坐标发送给千寻网络；然后，服务器根据流动站发送的近似坐标，生成虚拟参考站观测数据[12]，并发送至流动站；最后，流动站接收虚拟参考站观测数据并进行解码，联合流动站观测值，进行差分解算[13]。
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| 图 5 利用千寻网络进行差分定位示意图 |
本文在武汉大学测绘学院楼顶架设流动站，观测时间为2016年8月18日5:45-6:32(UTC)，使用静态模拟动态方式进行试验。流动站观测环境如图 6(a)所示，从图中可以看出，流动站天线静止架设在强制对中桩上，观测环境较为开阔，使用的接收机是司南K505 BDS、GPS双星五频观测板卡，高度截止角为15°，采样率为1 s。将该区域近似坐标发送到千寻网络，获取虚拟参考站观测值，并按上一节原理进行解码。
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| 图 6 ${paragraph.title} |
图 6(b)为观测时间段内流动站BDS可见卫星数和PDOP (position dilution of precision)值。从图中可以看出，在观测时间段内，卫星数维持在9颗以上，说明观测环境很开阔。PDOP值从另一方面反映了观测环境，当卫星几何结构变差时，PDOP值变大。05:44-06:02时间段内，卫星数没有发生变化，但PDOP值减小，是卫星几何结构变好所致[14]。
基于千寻北斗地基增强网络的厘米级RTK、亚米级RTD定位结果误差序列如图 7所示，本文以静态基线解算的结果为参考值。由于虚拟参考站数据是通过“编码-传输-解码”到达流动站[15]，会造成一定数据的缺失，导致流动站有一部分历元无法进行差分解算，本次试验的数据缺失率(即：没有虚拟参考站数据的历元/总历元数)为0.9%。
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| 图 7 武汉地区差分定位误差序列 |
流动站和虚拟参考站之间的距离约为5.2 km，RTK模糊度验证的Ratio值为2。从图 7可以看出，BDS RTK在N、E方向误差主要集中在5 cm以内，U方向误差主要集中在0~-15 cm；BDS RTD在N、E方向误差主要集中在±1 m以内，U方向误差在±2 m以内。
为了验证千寻RTK厘米级和RTD亚米级的定位精度，本文在图 7的基础上进一步统计定位精度。表 1列出了武汉地区BDS RTK定位模糊度固定情况及BDS RTK、RTD定位结果。其中，模糊度固定率是指Ratio值大于2的历元(固定历元)数占总历元数的比例，即
| 观测地区 | 卫星系统 | 总历元数 | 固定率/(%) | RTK定位精度 | RTD定位精度 | |||||||||||||
| Mean/cm | STD/cm | Mean/cm | STD/cm | |||||||||||||||
| N | E | U | N | E | U | N | E | U | N | E | U | |||||||
| 武汉 | BDS | 2681 | 97.3 | -0.6 | -0.2 | -6.7 | 0.8 | 0.7 | 4.3 | -25.8 | 2.0 | -10.0 | 22.4 | 18.3 | 78.3 | |||
| GPS | 2681 | 93.0 | -0.4 | -1.0 | -6.1 | 1.1 | 0.6 | 2.5 | -12.8 | -6.4 | -33.2 | 27.0 | 26.6 | 91.8 | ||||
| 重庆 | BDS | 1576 | 98.6 | 6.2 | -0.9 | -4.2 | 0.9 | 0.4 | 0.9 | -35.3 | -10.4 | 22.9 | 18.6 | 13.5 | 38.4 | |||
| GPS | 1576 | 93.3 | 0.9 | 0.1 | 0.7 | 1.3 | 0.6 | 2.2 | 23.1 | -25.9 | 16.3 | 39.3 | 27.9 | 95.7 | ||||
(2) 从表 1可以看出，BDS固定率为97.3%，其RTK在N、E、U方向平均值分别为-0.6、-0.2、-6.7 cm，标准差分别为0.8、0.7、4.3 cm，满足厘米及定位精度；RTD在N、E、U方向平均值分别为-25.8、2.0、-10.0 cm，标准差分别为22.4、18.3、78.3 cm，满足亚米级定位精度。为便于比较，表 1也列出了相应的GPS结果。可以看出，GPS定位精度和BDS定位精度相当，从另一方面验证了基于千寻北斗地基增强系统的定位性能及可用性。
为了进一步验证千寻北斗地基增强系统的定位性能，本文于2016年8月25日01:49-02:15(UTC)在重庆地区进行相似试验，最终结果见表 1。从表中可以看出，在重庆地区其定位精度依然满足RTK厘米级和RTD亚米级，验证了千寻北斗地基增强系统的定位性能。
3 结论本文首先介绍了RTCM V3.2中MSM4电文的结构，然后介绍了千寻北斗地基增强网络的工作原理及所提供的服务类型。在此基础上，编写了解码程序并在武汉和重庆两地进行了差分定位试验，定位结果满足RTK厘米级和RTD亚米级精度。该结果一方面表明RTCM V3.2解码程序的正确性；另一方面表明，千寻北斗地基增强系统所提供的定位服务能够达到实时厘米级RTK、亚米级RTD。
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