大范圍礦區(qū)場景下的BDS精密單點定位研究進展

大范圍礦區(qū)場景下的BDS精密單點定位研究進展高井祥

(1.中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，江蘇徐州221116；2.中國礦業(yè)大學江蘇省資源環(huán)境信息工程重點實驗室，江蘇徐州221116)

0引言

礦區(qū)場景下的煤礦建設、開采和形變監(jiān)測離不開GNSS技術的支持。早期的GNSS用戶主要依靠標準單點定位(StandardPointPositioning，SPP)和相位差分定位技術來獲取定位結(jié)果。SPP僅由單臺接收機就能獲取用戶的位置信息，但定位精度只能達到m級，是低精度用戶(如航海)的主要定位手段。差分定位是通過觀測量差分的方式來大幅消除相關的定位誤差項，以此來獲得精確的量測信息，由于其高精度和高可靠性，是目前應用最為廣泛的GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))定位技術[1]。但是差分定位技術也存在一定的技術局限性，如必須聯(lián)系國家高等級的基準信息；在高精度實現(xiàn)和時效性上存在應用瓶頸。煤炭安全生產(chǎn)是產(chǎn)煤企業(yè)的工作重點，需要GNSS提供高精度、高可靠的位置信息服務以供生產(chǎn)與指揮決策之便。煤炭開采會導致礦區(qū)地表發(fā)生沉陷變形，對礦產(chǎn)區(qū)域人民的生產(chǎn)生活帶來巨大的影響。針對小范圍礦區(qū)，可以在礦區(qū)之外地質(zhì)構(gòu)造堅固的地區(qū)架設GNSS基站，通過差分定位技術手段獲取高精度相對位置信息服務于礦區(qū)形變監(jiān)測與生產(chǎn)工作；但在大范圍礦區(qū)，難以在近區(qū)域建立穩(wěn)定的基準站，且長基線將大大降低差分定位的精度，難以滿足安全生產(chǎn)的基本要求。精密單點定位(PPP，PrecisePointPositioning)技術首次由Zumberge提出[2]，它是通過外部高精度的產(chǎn)品或模型對相應誤差項進行改正，獲取地球參考框架下的高精度的位置坐標。PPP無需GNSS基站，操作簡單，可實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的高精度定位，因此面向大范圍礦區(qū)開展精密單點定位模型的研究工作具有重要意義，可以在無基站情況下滿足大范圍礦區(qū)定位需求。中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeidouNavigationSatelliteSystem，BDS)發(fā)展至今，相關技術手段發(fā)展日漸成熟，已于2022年7月完成了全球組網(wǎng)工作。利用中國自主建設的BDS在大范圍礦區(qū)場景下實現(xiàn)精密單點定位應用研究，有利于提升礦區(qū)的生產(chǎn)效率，在提升北斗系統(tǒng)技術水平的過程中維護國家安全與核心利益。

1BDS精密單點定位

BDS是我國著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需求，自主建設、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航與授時(PNT)服務的國家重要時空基礎設施[3-4]。我國BDS起步較晚，目前國內(nèi)外關于GNSSPPP的研究相對比較深入，主要呈現(xiàn)出如下幾個趨勢：①PPP技術在靜態(tài)條件下能夠提供cm級甚至mm級的定位服務，在動態(tài)條件下能夠提供dm級甚至cm級的定位服務；②PPP整周模糊度技術的改正大幅度提高了定位的精度和可靠性，但是相關產(chǎn)品還處于實驗階段；③多系統(tǒng)GNSSPPP能夠有效提高定位收斂速度，在困難條件下對精度的提高也起到了很大的作用；④事后PPP處理已經(jīng)不能滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枨?，實時PPP技術研究已經(jīng)廣泛開展。發(fā)展至今，BDSPPP得益于BDS的獨特結(jié)構(gòu)和性能，涵蓋以下幾方面的研究內(nèi)容。目前，BDS系統(tǒng)共有8顆地球同步軌道衛(wèi)星(GeostationaryEarthOrbit，GEO)、10顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星(InclinedGeosynchronousOrbit，IGSO)和27顆中軌道地球衛(wèi)星(MediumEarthOrbit，MEO)，其中北斗三號系統(tǒng)(BDS-3)星座包括24顆MEO衛(wèi)星、3顆IGSO衛(wèi)星和3顆GEO衛(wèi)星。不同類型的導航衛(wèi)星能夠增加BDS的全球覆蓋能力，特別是在一些復雜遮蔽區(qū)，但不同類型的衛(wèi)星具有不同的軌道穩(wěn)定性，為定位帶來了新的挑戰(zhàn)。有研究表明北斗二代系統(tǒng)(BDS-2)GEO衛(wèi)星軌道精度約為0.5～1m，IGSO/MEO衛(wèi)星約為10～30cm[5]；而BDS-3軌道精度約為35cm[6]。光壓模型構(gòu)建是限制BDS衛(wèi)星軌道的主要因素。Ge等人采用ECOM(EmpiricalCODEOrbitModel)9參數(shù)光壓模型對BDS衛(wèi)星精密定軌，實驗結(jié)果表明GEO衛(wèi)星軌道三維精度比IGSO衛(wèi)星低，分別為3m和20cm[7]。除此之外，BDS精密鐘差產(chǎn)品精度是制約BDSPPP應用的另一關鍵因素。由于BDS-3配備了更加穩(wěn)定的星載原子鐘，新衛(wèi)星鐘以及與舊衛(wèi)星鐘的聯(lián)合處理還有待進一步研究。趙齊樂等人采用非差模型實時估計了BDS衛(wèi)星鐘差，精度可達0.15ns[8]。Wang等人對德國地學研究中心BDSMEO衛(wèi)星精密鐘差進行擬合，擬合精度為0.1ns；另外采用頻譜分析法對BDS-2和BDS-3衛(wèi)星鐘差進行周期性分析，實驗發(fā)現(xiàn)BDS-3穩(wěn)定性達10-15量級，遠高于BDS-2衛(wèi)星鐘[9]。在同一系統(tǒng)中，不同類型衛(wèi)星鐘精度也不一樣。Ouyang等人分析了BDS-2衛(wèi)星的實時鐘差精度，其中GEO衛(wèi)星鐘差精度最低，IGSO和MEO衛(wèi)星鐘差精度相當[10]。

2大范圍礦區(qū)場景下精密定位

基于BDSPPP的研究綜述，在大范圍礦區(qū)場景下，基于實時產(chǎn)品精化的非差非組合研究深受研究人員的青睞。針對BDS不同類別衛(wèi)星的性能差異以及為了降低冗余觀測，可以建立基于加權(quán)位置精度因子(PDOP)的非同類衛(wèi)星優(yōu)選模型。為了兼顧衛(wèi)星結(jié)構(gòu)和衛(wèi)星軌道精度，Liu等人構(gòu)建相應的數(shù)理模型，通過衛(wèi)星類型與定軌精度雙加權(quán)的PDOP進行數(shù)據(jù)冗余度的動態(tài)評價，進而實現(xiàn)BDS衛(wèi)星的優(yōu)選，確保在不損失定位精度的前提下提高非差非組合計算效率，形成健康的觀測數(shù)據(jù)空間分布狀態(tài)[11]。針對GEO衛(wèi)星定軌的不穩(wěn)定性，精化光壓模型。筆者基于太陽光照和地球反照射對系統(tǒng)偏差進行深層次的分離，分離出偶然誤差與系統(tǒng)誤差，構(gòu)建光壓模型誤差的時間序列，基于這種誤差時間序列，提出一種GEO衛(wèi)星的光壓誤差補償算法，應用ALLAN理論對誤差時間序列進行分析，在此基礎上引入深入學習方法對GEO衛(wèi)星光壓誤差時間序列經(jīng)驗模型進行學習，提取衛(wèi)星星體表面光學系數(shù)。為了實現(xiàn)礦區(qū)的實時監(jiān)測和緊急調(diào)度問題，筆者提出一種新的BDS衛(wèi)星鐘差實時處理算法，該算法首先將所有歷元數(shù)據(jù)歸化到同一歷元時刻，采用基于殘差的均方根濾波建立衛(wèi)星鐘差實時解算和實時預報的雙線性模型。針對BDS衛(wèi)星鐘差的不穩(wěn)定，Hu等人探索了BDS衛(wèi)星鐘長期和短期變化的規(guī)律，建立了面向BDS的實時鐘差預報模型[12]。除了數(shù)據(jù)預處理和衛(wèi)星軌道與鐘差解算，電離層產(chǎn)品是制約PPP精度和效率提升的又一大因素。在大范圍礦區(qū)的應用中，有研究人員提出基于長距離RTK網(wǎng)絡多測站聯(lián)合提取衛(wèi)星的初始相位偏差和電離層延遲信息，利用電離層三維層析技術建立精確的區(qū)域電離層模型。在上述研究基礎之上，將實時衛(wèi)星軌道、鐘差以及電離層參數(shù)信息發(fā)播給礦區(qū)用戶，建立實時BDS非差非組合定位與導航模型和系統(tǒng)，為礦區(qū)安全生產(chǎn)服務。

3礦區(qū)精密定位趨勢

在碳中和的愿景之下，我國作為排放量全球最大的發(fā)展中國家，承諾在2030年前達到排放峰值，并在2060年前實現(xiàn)碳中和[13]。作為為礦區(qū)生產(chǎn)保駕護航的精密定位技術也應為早日實現(xiàn)這一愿景提供技術支持。為了應對我國碳中和的莊嚴承諾，智慧礦山應運而生，它指的是在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能等新興技術的助力下，實現(xiàn)煤炭開采、巷道掘進及形變監(jiān)測等礦區(qū)主要工作高效智能的運行。站在測繪工程專業(yè)的角度，測量工作為礦區(qū)生產(chǎn)開展提供主要的時間、位置基準，礦區(qū)的測繪工作也向著數(shù)字化、智能化、和自動化趨勢發(fā)展。綜上所述，精密定位在數(shù)據(jù)預處理、軌道鐘差以及電離層等方面的研究相對比較深入。在智慧礦山建設領域，精密定位正在朝著向多源融合、多技術交叉的方向發(fā)展。針對煤礦區(qū)域定位過程中環(huán)境復雜、GNSS受遮擋干擾嚴重以及場景切換頻繁的難題，基于煤礦區(qū)多源觀測信息，眾多學者研究了多源觀測信息融合的高精度定位理論與方法。李增科博士提出多源傳感器增強GNSS定位技術可實現(xiàn)復雜建筑區(qū)域的cm級定位以及井下區(qū)域m級定位，顯著拓寬了高精度定位的覆蓋范圍，實現(xiàn)了煤礦全區(qū)域無縫定位[14]。中國礦業(yè)大學研制的井下定位系統(tǒng)可進行實時高精度行人復雜活動識別，有效識別13種復雜活動，識別準確率達到99.5%以上，融合捷聯(lián)解算和航位推算信息的自適應濾波算法，各項定位誤差優(yōu)于0.5m。為了解決組合導航對信號的依賴性性強、在動態(tài)場景下定位收斂性與可靠性效果不好的缺點，圍繞精密單點定位和慣性測量組合導航成為研究熱點。基于慣性測量誤差頻譜特性，Li等人提出了基于Vondrak濾波的自對準算法，將Vondrak濾波和遺傳算法結(jié)合，實現(xiàn)高頻噪聲的自動消除，提高對準精度[15]。此外，Li等人利用里程計和UWB多源傳感器對精密單點定位和慣性測量組合導航進行了增強，有效解決了半遮蔽、遮蔽區(qū)域衛(wèi)星信息不足導致的解算精度降低的問題[16]。在山西地區(qū)，基于BDSPNT服務及其獨有的短報文功能，輔以遙感和地理信息系統(tǒng)，眾多煤礦企業(yè)研發(fā)了一個集數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、分析及報警功能一體的礦山生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)[17]。該系統(tǒng)具有管理礦區(qū)建構(gòu)筑物地理信息，監(jiān)測工作區(qū)形變，定位進行人員、車輛活動，模擬礦區(qū)實際環(huán)境，指揮調(diào)度礦井生產(chǎn)等功能。智能化系統(tǒng)使得智慧礦山信息資源整合和數(shù)據(jù)分析處理工作更加高效與科學，使礦山開采更數(shù)字化、智能化與環(huán)?；?，為礦區(qū)及社會可持續(xù)發(fā)展注入新的動力，助推我國早日實現(xiàn)碳中和愿景。

4結(jié)語

BDS作為四大全球定位系統(tǒng)之一，起步較晚，因此無論是從宏觀角度還是從微觀角度，研究BDSPPP在大范圍礦區(qū)場景下的應用都具有非比尋常的意義。PPP自1997年被提出以來，相關研究層出不窮。數(shù)據(jù)預處理、衛(wèi)星軌道鐘差解算、模糊度固定、大氣模型約束等研究熱點構(gòu)成了PPP的整套理論方法。本文從這幾個研究點出發(fā)，系統(tǒng)全面地闡述了BDSPPP的研究