付崇偉,趙五小,邢偉

(61206部隊(duì),天津 300140)

北斗衛(wèi)星發(fā)射場系統(tǒng)GNSS控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計

付崇偉,趙五小,邢偉

(61206部隊(duì),天津 300140)

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射場系統(tǒng)GNSS控制網(wǎng)是為北斗衛(wèi)星發(fā)射提供高精度的位置基準(zhǔn)、射向基準(zhǔn)及軌道測控基準(zhǔn),本文針對發(fā)射場系統(tǒng)GNSS控制網(wǎng)建立技術(shù)特點(diǎn),以控制網(wǎng)觀測的效率性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、精度性為優(yōu)化設(shè)計指標(biāo),分別從控制基準(zhǔn)優(yōu)化選取、網(wǎng)形結(jié)構(gòu)設(shè)計以及優(yōu)化精度估算等方面對實(shí)施方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,并通過實(shí)際作業(yè)驗(yàn)證該優(yōu)化設(shè)計方法的科學(xué)性和可操作性。

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星;發(fā)射場系統(tǒng);GNSS控制網(wǎng);優(yōu)化設(shè)計

0 引 言

我國新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星陸續(xù)發(fā)射升空,標(biāo)志著建立全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的開始。衛(wèi)星發(fā)射場是發(fā)射航天器的特定場區(qū),一般有航天器與運(yùn)載器的裝配與測試廠房、推進(jìn)劑存儲與加注設(shè)備、發(fā)射塔架、通訊設(shè)備以及測控設(shè)備等,這些共同組成了航天發(fā)射場系統(tǒng)[1],發(fā)射場系統(tǒng)大地控制網(wǎng)不同于常規(guī)的大地控制網(wǎng),主要區(qū)別有三點(diǎn),第一點(diǎn)是常規(guī)大地控制網(wǎng)是建立在局部地區(qū)之上,而北斗衛(wèi)星發(fā)射場系統(tǒng)大地控制網(wǎng)是根據(jù)需要在全國范圍內(nèi)布設(shè);第二點(diǎn)是常規(guī)大地控制網(wǎng)是滿足測圖和工程建設(shè)的需要,而北斗衛(wèi)星發(fā)射場系統(tǒng)大地控制網(wǎng)則是滿足北斗衛(wèi)星發(fā)射、測控和軌道維持的需要;第三點(diǎn)是前者坐標(biāo)系一般是建立局部或地方坐標(biāo)系,而后者則要求為全球坐標(biāo)系?；谏鲜鲈?GNSS測量技術(shù)是建立北斗衛(wèi)星發(fā)射場系統(tǒng)大地控制網(wǎng)的一種比較理想的測量手段[2]。

在大范圍和復(fù)雜環(huán)境條件下,建立滿足北斗衛(wèi)星發(fā)射場系統(tǒng)特殊技術(shù)要求的GNSS控制網(wǎng),必須要投入大量的人力、物力和財力,為使GNSS控制網(wǎng)測量工作更高效、更有序,以實(shí)現(xiàn)更大效益,為此,本文在GNSS測量方法建立控制網(wǎng)基礎(chǔ)上,對發(fā)射場系統(tǒng)GNSS控制網(wǎng)的實(shí)施方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,文中從優(yōu)化設(shè)計的原則、控制基準(zhǔn)選取、網(wǎng)形布設(shè)、精度估算等方面進(jìn)行了闡述,并通過實(shí)際測量作業(yè)驗(yàn)證了該優(yōu)化設(shè)計方案的可行性。

1 控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的原則

北斗衛(wèi)星發(fā)射場系統(tǒng)GNSS控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計總的原則是:在滿足發(fā)射場系統(tǒng)精度要求和可靠性前提下,盡量減少人力、物力、時間及經(jīng)費(fèi)的消耗。評價控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)有以下幾點(diǎn)指標(biāo):

1) 效率指標(biāo):在GNSS網(wǎng)中,點(diǎn)位數(shù)、接收機(jī)數(shù)和平均設(shè)站次數(shù)確定后,完成該網(wǎng)所需的理論最少觀測時間可以確定。當(dāng)按照某具體布網(wǎng)方式和作業(yè)方式進(jìn)行測量時,完成整網(wǎng)觀測時間與理論最少觀測時間有所差異,理論最少觀測時間與設(shè)計的觀測時間的比值即為效率指標(biāo)[3]。

2) 可靠性指標(biāo):可靠性指標(biāo)是用來描述GNSS網(wǎng)抵抗粗差影響的能力[3],要求網(wǎng)中具有一定的多余觀測,如三角觀測三個角,導(dǎo)線或水準(zhǔn)觀測形成閉合環(huán),使控制網(wǎng)具有較高的自檢能力,避免粗差出現(xiàn)。

3) 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo):經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)主要由控制網(wǎng)點(diǎn)數(shù)、接收機(jī)數(shù)、觀測基線數(shù)和測區(qū)交通條件決定,觀測的基線數(shù)量是影響經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)最重要的因素。

4) 精度指標(biāo):精度指標(biāo)是分析GNSS控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計質(zhì)量的主要標(biāo)準(zhǔn),也是評價優(yōu)化設(shè)計成敗的關(guān)鍵,控制網(wǎng)的精度一般用未知參數(shù)的方差或協(xié)方差來描述[4]。

2 控制網(wǎng)基準(zhǔn)的優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)GNSS網(wǎng)基線解算原理可知,基線固定點(diǎn)的誤差會對基線解算結(jié)果影響很大,在GNSS網(wǎng)約束平差時,已知基準(zhǔn)選取不當(dāng),會使整個GNSS網(wǎng)產(chǎn)生扭曲[5]。因此,必須對GNSS網(wǎng)的位置基準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,GNSS控制網(wǎng)的基準(zhǔn)優(yōu)化設(shè)計原則:網(wǎng)中有國家級或其它高等級控制GNSS點(diǎn)如國際IGS基準(zhǔn)站、國家連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站、地殼運(yùn)動觀測站,優(yōu)先采用這些點(diǎn)的坐標(biāo)值作為網(wǎng)的位置解算基準(zhǔn);網(wǎng)中無已知數(shù)據(jù),則采用網(wǎng)中長時間觀測點(diǎn)的測量成果作為網(wǎng)的位置解算基準(zhǔn)。

按照這條原則,發(fā)射場系統(tǒng)GNSS網(wǎng)根據(jù)發(fā)射點(diǎn)、技術(shù)廠房、測控設(shè)備位置分布情況,選取國際IGS基準(zhǔn)站LHAS、KUNM、WUHN、BJFS四個站作為整個網(wǎng)的位置基準(zhǔn)。網(wǎng)點(diǎn)的選埋參照《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》(GB/T 18314-2009)中要求,布設(shè)B級點(diǎn)13個組成首級控制網(wǎng),在此基礎(chǔ)上布設(shè)C級點(diǎn)11個實(shí)現(xiàn)對首級控制網(wǎng)的加密,目的是便于發(fā)射點(diǎn)和設(shè)備點(diǎn)聯(lián)測,整個網(wǎng)共設(shè)計24個點(diǎn)。具體點(diǎn)位設(shè)計分布如圖1所示。

圖1 GNSS控制網(wǎng)點(diǎn)位設(shè)計布設(shè)示意圖

3 控制網(wǎng)的網(wǎng)形優(yōu)化設(shè)計

北斗衛(wèi)星發(fā)射場系統(tǒng)GNSS控制網(wǎng)的建立是圍繞發(fā)射中心區(qū)、技術(shù)測試廠房區(qū)、發(fā)射首區(qū)、飛行測控區(qū)四個部分進(jìn)行布設(shè)控制點(diǎn),結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖2所示,而且選取國際IGS基準(zhǔn)站作為網(wǎng)的基準(zhǔn),因此,網(wǎng)形結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計原則:基于國際IGS基準(zhǔn)站同步觀測基礎(chǔ)上,各分區(qū)同步觀測,控制網(wǎng)必須是全面連續(xù)網(wǎng),邊長控制在10～30 km的范圍內(nèi),個別地區(qū)根據(jù)發(fā)射場系統(tǒng)的需要,適當(dāng)調(diào)整邊長的范圍。為了使控制網(wǎng)與全國GNSS網(wǎng)、國家常規(guī)大地控制網(wǎng)之間緊密銜接,布網(wǎng)時要充分利用場區(qū)內(nèi)已有的國家GNSS網(wǎng)點(diǎn)和一、二等天文大地控制網(wǎng)點(diǎn)[5]。同時為了建立強(qiáng)有力的圖形結(jié)構(gòu)和增加一定數(shù)量的多余基線觀測量,各分區(qū)控制網(wǎng)采用點(diǎn)邊混連式布網(wǎng)方式進(jìn)行結(jié)合[6]。

圖2 GNSS測量控制網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

4 控制網(wǎng)優(yōu)化的精度估算

GNSS網(wǎng)在網(wǎng)形確定后,根據(jù)作業(yè)接收機(jī)標(biāo)稱精度可以估算網(wǎng)中控制點(diǎn)的精度,精度估算是衡量控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的指標(biāo),GNSS網(wǎng)精度估算原則:根據(jù)計劃的觀測量,由點(diǎn)位精度與觀測值先驗(yàn)精度的函數(shù)關(guān)系,列出其誤差方程的系數(shù)矩陣A,給定各觀測值的先驗(yàn)精度后,可以得出權(quán)矩陣P,組成未知數(shù)法方程的系數(shù)陣N[3]

N=ATPA，

(1)

(2)

在點(diǎn)位精度估算時為簡化權(quán)陣計算,假定各基線邊之間隨機(jī)獨(dú)立,基線分量之間隨機(jī)獨(dú)立。

則有:

(3)

式中,MΔX,MΔY,MΔZ為基線邊各分量的先驗(yàn)中誤差。設(shè)定GNSS控制網(wǎng)基線邊的觀測中誤差為

MΔX=MΔY=MΔZ=0.005+1 ppm·D,

(4)

式中:D為基線邊長;σ0為單位權(quán)中誤差,按下式計算:

σ0=0.005+1 ppm·D,

(5)

按此原則進(jìn)行網(wǎng)中點(diǎn)位精度估算,取網(wǎng)中24點(diǎn),計劃施測26條獨(dú)立邊,按概略坐標(biāo)計算,得到單位權(quán)中誤差為0.032 m,點(diǎn)位坐標(biāo)分量最大值為0.023 m,最小值0.010 m,平均值為0.015 m.

5 控制網(wǎng)的測量實(shí)施

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計原則,GNSS網(wǎng)作業(yè)投入8臺GNSS雙頻接收機(jī),均采用扼徑圈天線,作業(yè)中分成2個組?？刂凭W(wǎng)中B級點(diǎn)位,在IGS基準(zhǔn)站同步觀測基礎(chǔ)上,同一區(qū)域?qū)崟r同步觀測,每點(diǎn)觀測不少于3個時段,每時段長度為23 h[7-8]。某觀測時段內(nèi),若有效觀測數(shù)據(jù)量少于20 h或有效時段數(shù)據(jù)的采用率低于80%時,均加測1個時段。C級點(diǎn)位在B級點(diǎn)控制下進(jìn)行觀測,每點(diǎn)觀測時段數(shù)不少于3個,每時段長度≥4 h[7-8]。

控制網(wǎng)B級點(diǎn)測量數(shù)據(jù)處理以高精度IGS精密星歷的高精度坐標(biāo)作為起算值,使用Gamit軟件進(jìn)行基線解算,采用與Gamit配套的Globk軟件解算出各點(diǎn)對應(yīng)于觀測歷元的高精度坐標(biāo)和多時段觀測數(shù)據(jù)的整體平差,數(shù)據(jù)處理適當(dāng)約束極移、UT1參數(shù),衛(wèi)星軌道約束5 cm.并將計算結(jié)果歸算到2000中國大地坐標(biāo)系,歷元為2000.0. C級點(diǎn)數(shù)據(jù)處理使用Pinnacle軟件,分區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,選擇鄰近的同步觀測的B級點(diǎn)作控制。

北斗衛(wèi)星發(fā)射場系統(tǒng)GNSS控制網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)處理采用整體聯(lián)合平差,各分量平均中誤差mX為0.005 m,mY為0.011 m,mZ為0.009 m,坐標(biāo)各分量結(jié)果精度統(tǒng)計如表1所示。

表1 空間直角坐標(biāo)分量中誤差統(tǒng)計

6 結(jié)束語

本文提出了使用效率指標(biāo)、可靠性指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和精度指標(biāo)作為評價優(yōu)化設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),在文中通過對GNSS控制網(wǎng)精度估算和作業(yè)測量數(shù)據(jù)的比較,可發(fā)現(xiàn)兩者一致性較好,驗(yàn)證了優(yōu)化精度指標(biāo)的科學(xué)性。在控制網(wǎng)基準(zhǔn)優(yōu)化設(shè)計中,基于IGS基準(zhǔn)站同步觀測模式,實(shí)現(xiàn)了作業(yè)中集團(tuán)同步作業(yè)模式為單個小組觀測,觀測時間不受約束,不受儀器數(shù)量限制,任何時間觀測都可以組成結(jié)構(gòu)良好的同步環(huán),而且在測區(qū)內(nèi)不需要選擇控制點(diǎn)進(jìn)行觀測[9],節(jié)省人力、物力,驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計的效率指標(biāo)、可靠性指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的可操作性。另外經(jīng)過了北斗導(dǎo)航衛(wèi)星歷次發(fā)射和地面站測控設(shè)備的實(shí)踐檢驗(yàn),證明北斗衛(wèi)星發(fā)射場系統(tǒng)GNSS控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計方案方法先進(jìn)、數(shù)學(xué)模型正確、質(zhì)量可靠。

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Design and Precision Analysis of the GNSS Control Network of the BeiDou Satellite Launch Site

FU Chongwei,ZHAO Wuxiao,XING Wei

(Troops61206,Tianjin300140,China)

GNSS control network of the launch site of BeiDou navigation satellites is used to provide high precision position reference, high direction reference and high orbit control reference, and is the key to ensure the satellite launch vehicle successfully launched and precisely orbited. design of the measurement and control network should be scientific and precise, and take outside practice feasibility. This article discussed on technical design and measurements implement of GNSS control network, estimated the GNSS accuracy of control network by measurement working, and verified the technology design’s feasibility of Beidou satellite launch site GNSS control network.

BeiDou navigation satellite; launch site; GNSS control network; technical design

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.03.013

2016-10-27

P228.4

A

1008-9268(2017)03-0066-04

付崇偉 (1977-),男,工程師,主要從事大地測量數(shù)據(jù)采集與分析處理工作。

趙五小 (1976-),男,工程師,主要從事大地測量數(shù)據(jù)采集與分析處理工作。

邢偉 (1980-),男,工程師,主要從事測繪測量數(shù)據(jù)管理工作。

聯(lián)系人: 付崇偉E-mail: 345841036@qq.com