周玉坤 段志剛 石光益 侯智軍 金 野

（91053 部隊，北京 100070）

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）是我國自主研發(fā)、獨立運行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，目前已全球組網(wǎng)成功，為測繪領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)實時精準(zhǔn)定位提供了有效保障[1-2]。國內(nèi)外許多專家學(xué)者曾對北斗和GPS 組合單點定位作了分析和實驗，但研究成果均是在衛(wèi)星分布較好、沒有信號干擾的情況下加以研究[3-6]，在特殊區(qū)域、有干擾源的環(huán)境中對多模衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)精度評定與研究較少。此外，區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化是當(dāng)前研究的熱點，李建成等[7]比較分析了動力水準(zhǔn)法、靜力水準(zhǔn)法以及常規(guī)大地測量法3 種方法的優(yōu)缺點，章傳銀等[8]就EGM2008 模型在中國大陸適用性進(jìn)行了實驗，為我國建立區(qū)域似大地水準(zhǔn)面提供了依據(jù)。隨著當(dāng)前多模衛(wèi)星導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)的出現(xiàn)，對在特殊環(huán)境下的區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化研究不多?；诖?，本文結(jié)合某區(qū)域測繪工程案例，在測區(qū)常有干擾源等客觀因素帶來的有效外業(yè)測量時間短的環(huán)境下，對多模GNSS 在特殊環(huán)境下快速測繪應(yīng)用進(jìn)行分析研究，提高了工效、節(jié)省了測量外業(yè)直接成本，對同類工程具有一定的參考價值。

1 多模GNSS 快速靜態(tài)測量

1.1 多?？焖凫o態(tài)測量的原理與特點

隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System,GNSS）的飛速發(fā)展，已形成全球定位系統(tǒng)（GPS、GLONASS、Galileo、BDS）四系統(tǒng)并存的局面，將會提供多個無線電頻率的信號[9]，采用多模GNSS 可顯著改善觀測幾何結(jié)構(gòu)，有利于改善定位精度，同時為快速靜態(tài)測量提供了精度基礎(chǔ)。常規(guī)快速靜態(tài)測量作業(yè)方法（1+1 模式）為：在測區(qū)中部區(qū)域選擇一個基準(zhǔn)站，架設(shè)一臺GNSS 接收機連續(xù)跟蹤可見衛(wèi)星，為了確保相鄰單元之間流動站的重合點數(shù)及可靠性，另一臺接收機依次到各控制點流動設(shè)站進(jìn)行往返觀測[10]，即：順時針依次觀測K1、K2······Kn，再逆時針依次觀測Kn、Kn-1······K1，每點觀測10 min 以上，精準(zhǔn)對中點位、量取儀器高，利用南方測繪GNSS 數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行平差解算。

1.2 工程案例與實驗分析

實驗采用的儀器為國產(chǎn)南方測繪儀器公司生產(chǎn)的測量型GNSS 接收機銀河6，接收星座為三星系統(tǒng)：GPS（L1/L2）、GLONASS（R1/R2）、BDS（B1/B2）。為了驗證多模GNSS 快速靜態(tài)測量的精度和工效，在區(qū)域內(nèi)以經(jīng)典GNSS 靜態(tài)測量、多模GNSS 快速靜態(tài)測量、GNSS-RTK 控制點測量三種方式對同名點位進(jìn)行測量驗證[11]，觀測過程中嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行架設(shè)儀器、量取天線高并記錄衛(wèi)星分布狀況，盡量減少多路徑誤差?；诖?，以測區(qū)內(nèi)同時期建立的E 級GNSS 靜態(tài)控制網(wǎng)解算的各控制點坐標(biāo)為參考真值，E 級GNSS 靜態(tài)控制網(wǎng)如圖1，包含圖2、圖3點位基線。

圖1 E 級GNSS 靜態(tài)控制網(wǎng)

驗證方式一：采用多模GNSS 快速靜態(tài)長基線模式，在SZ05 控制點架設(shè)基準(zhǔn)站，另一臺移動站分別按SZ04、SZ06、SZ09（已知點）、SZ11、SZ07（已知點）順序進(jìn)行快速往返觀測，網(wǎng)圖見圖2，基線長度均值11.5 km。

圖2 多模GNSS 快速靜態(tài)長基線網(wǎng)

驗證方式二：采用多模GNSS 快速靜態(tài)短基線模式，在SZ03（已知點）控制點架設(shè)基準(zhǔn)站，另一臺移動站分別按K008（已知點）、K009、K010、K011 順序進(jìn)行快速往返觀測，網(wǎng)圖見圖3，基線長度均值0.36 km。

圖3 多模GNSS 快速靜態(tài)短基線網(wǎng)

驗證方式三：采用GNSS-RTK 控制點測量模式，在測區(qū)中部架設(shè)基準(zhǔn)站，利用控制測區(qū)的SZ07、SZ09 控制點進(jìn)行兩點校正并在SZ08 點檢核滿足精度后，啟用四參數(shù)。分別對長、短基線控制點進(jìn)行觀測，求得驗證控制點坐標(biāo)。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時充分顧及到多模數(shù)據(jù)的質(zhì)量和組合關(guān)系，考慮到特殊環(huán)境下只有BDS 系統(tǒng)時的定位精度情況，組合方式及點位ΔX、ΔY較差見表1，其中ΔD為多、單模所在基線解算后的基線邊長與靜態(tài)測量的基線邊長較差。從表1中可以看出，對于長基線采用多模快速靜態(tài)模式時，同經(jīng)典靜態(tài)測量同名點位ΔX、ΔY較差絕對值控制在17 mm，單?？焖凫o態(tài)較差控制在25 mm，多模RTK 較差控制在20 mm，單模RTK 較差控制在30 mm。短基線較差相比之下約為對應(yīng)長基線的一半。基于此，在不利的條件下，特別是測量區(qū)域分散，各區(qū)域之間相距10～20 km，要統(tǒng)一各區(qū)域坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)測，使用GNSS-RTK又無法得到固定解的情況下（一般有效區(qū)域半徑為10 km），可以采用多模GNSS（1+1）模式進(jìn)行快速靜態(tài)測量，相比傳統(tǒng)靜態(tài)模式控制測量，可以提高工效，一般靜態(tài)模式所需設(shè)備要大于3 臺，E 級網(wǎng)靜態(tài)觀測同步時間要40 min 以上，而快速靜態(tài)僅需要2 臺，且觀測時間較短。從較差來看，對于應(yīng)急特殊環(huán)境，在BDS 單系統(tǒng)的情況下，解算精度可以滿足1∶1000比例尺地形圖測繪的圖根控制點測量要求，有利于快速獲取所需工程環(huán)境的地理信息數(shù)據(jù)，可極大提高效率[12]。

表1 多、單模快速靜態(tài)及RTK 不同星系組合時的點位較差mm

2 多模GNSS-RTK+水準(zhǔn)面精化的道面角點測量

項目中需要對已有區(qū)域水泥道面分倉角點進(jìn)行測繪，高程精度要求達(dá)到四等，目的是獲取改造道面接邊處的坡度及關(guān)鍵點高程，為初步設(shè)計提供依據(jù)。傳統(tǒng)方法是采用幾何水準(zhǔn)的方法，在區(qū)域內(nèi)每100 m左右布設(shè)水準(zhǔn)轉(zhuǎn)點，分區(qū)逐一進(jìn)行角點高程測繪，加入角點位置信息后成圖，該方法工效較低、人員投入大、且面對區(qū)域內(nèi)特殊的外業(yè)作業(yè)環(huán)境，工作出現(xiàn)不連續(xù)，重復(fù)檢核量大，在觀測中易帶入粗差[13]?；诖?，對擬測量道面區(qū)域采用似大地水準(zhǔn)面精化技術(shù)展開快速測量[14]。

2.1 區(qū)域似大地水準(zhǔn)面模型的建立

首先，利用徠卡NA2 光學(xué)水準(zhǔn)儀以三等水準(zhǔn)測量精度，聯(lián)測道面區(qū)域四周及中部均勻分布的10 個角點高程，快速靜態(tài)獲取10 個點的GNSS 高程。結(jié)合EGM2008 模型，通過移去-恢復(fù)技術(shù)得到分辨率高、相對精度高、絕對精度低的重力似大地水準(zhǔn)面；然后利用絕對精度高、分辨率低且分布均勻的10 個GNSS 水準(zhǔn)點完成對重力似大地水準(zhǔn)面糾正，采用有效的擬合模型逼近差值曲面，將其與重力似大地水準(zhǔn)面疊加，最終得到該區(qū)域似大地水準(zhǔn)面模型[15]。

2.2 快速道面角點測量

利用多模GNSS-RTK 技術(shù)，嚴(yán)格進(jìn)行多點擬合校正，并顧及道面區(qū)域似大地水準(zhǔn)面模型對角點高程進(jìn)行后處理改正。外業(yè)采集中，為了便于操作并減少對中誤差，采用簡易對中支架，剔除對中桿底部磨損高度，精準(zhǔn)量取儀器高并固定桿高進(jìn)行道面分倉角點測量，按行列+屬性進(jìn)行角點編碼，方便后續(xù)內(nèi)業(yè)成圖編輯，此次共測量角點高程10563 點，隨后利用徠卡NA2 光學(xué)水準(zhǔn)儀以四等水準(zhǔn)測量精度均勻抽檢、聯(lián)測1109 個角點高程，以實測值為真值，同采用多模GNSS-RTK+水準(zhǔn)面精化方法獲取的同名點進(jìn)行高程比較，互差絕對值統(tǒng)計見表2。

表2 高程互差絕對值統(tǒng)計表mm

樣本中誤差約為10 mm，整個區(qū)域角點高程準(zhǔn)確表達(dá)了道面坡度及接邊處信息，滿足初步設(shè)計用圖深度需要。經(jīng)過測算，采用該方法，在特殊的外業(yè)環(huán)境、應(yīng)急用圖情況下，可以提高成圖效率3 倍，隨著多模GNSS 技術(shù)+似大地水準(zhǔn)面精化分辨率的提高，實時獲取高精度的空間位置信息將更加方便。

3 多模車載GNSS-RTK 快速地形測量

本次外業(yè)工作中，外業(yè)測量施工窗口短，時間緊、難度大，需要高效精準(zhǔn)獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。特別是在特殊的環(huán)境下，快速獲取所需工程環(huán)境中的精準(zhǔn)地形信息，快速搶建破損的構(gòu)筑物等重要設(shè)施尤為重要。采用改裝的車載GNSS-RTK 技術(shù)可以在特殊環(huán)境下實施測量外業(yè)點的采集，安全且有防護(hù)功能。一是可以對構(gòu)筑物的絕對三維坐標(biāo)、尺寸實現(xiàn)實時測繪并傳輸給決策機構(gòu)；二是可以利用BDS 實現(xiàn)特殊環(huán)境下的信息采集與傳輸，提高外業(yè)測繪的效率。

3.1 車載GNSS-RTK 組裝與關(guān)鍵質(zhì)量控制點

在測區(qū)內(nèi)制高點架設(shè)基準(zhǔn)站，啟用四參數(shù)模型，在已知點嚴(yán)格校正儀器后進(jìn)行移動站安裝，本次測量載體為勇士車，特殊條件下可根據(jù)需要加裝防護(hù)及姿態(tài)調(diào)整裝置，將移動站固定在測量車后面，盡量垂直于地面，并使移動站主機超過車頂約30 cm，減少多路徑效應(yīng)對移動站的影響（見圖4）。

圖4 改裝移動測量車

隨后，在測量手簿中啟用自動測量模式，按15 m距離等距自動采集點位，關(guān)鍵質(zhì)量控制點為：（1）精準(zhǔn)量取天線相位中心與選定參考基點（本次測量選定為車尾部車寬中點處）的位置偏差ΔX、ΔY，根據(jù)需要可用于后續(xù)采集特征地物點的位置糾正；（2）精準(zhǔn)量取天線高，從三個方向上量取相位中心到測量地形點的垂直距離，取平均值，精確到厘米（見圖5），此次實測均值天線高為2.23 m，需要注意的是在測量土面區(qū)時要進(jìn)行天線高改正，減去測量車車轍潛入土中深度，本次測量土面區(qū)時改正數(shù)為-5 cm；（3）在測量時車速控制在20 km/h 左右勻速行駛，確保移動站不失鎖，在固定解條件下采集數(shù)據(jù)，時刻觀察移動站天線垂直度，若有變化及時修正；（4）在進(jìn)行自動測量時遇到特殊地形要在手簿中及時標(biāo)注，在測量點編碼中準(zhǔn)確錄入地形地物變化信息，便于內(nèi)業(yè)成圖。車載等距自動測量成圖點位均勻，連接便攜筆記本電腦可實時內(nèi)業(yè)成圖，效率高。測量點位圖如圖6所示。

圖5 設(shè)置自動測量參數(shù)

圖6 等距離測量點位圖

3.2 車載GNSS-RTK 精度、工效評定

為了檢核車載GNSS-RTK 的點位精度，均勻抽取區(qū)域硬化道面和土面區(qū)兩個區(qū)域同名點各10 個，利用人工GNSS-RTK 方式進(jìn)行放樣、采集、比對較差結(jié)果見表3。

表3 不同區(qū)域檢核點位ΔX、ΔY、ΔZ 較差mm

從中分析看出，兩種區(qū)域平面ΔX、ΔY較差絕對值控制在35 mm，高程ΔZ較差分別控制在30 mm、50 mm，滿足1∶1000 比例尺地形圖地形點點位精度要求。分析較差原因，對于土面區(qū)粗差主要來源于測量車的微小顛簸，導(dǎo)致在ΔZ較大，因此，控制測量車車速，在地形變化區(qū)域減速慢行并實時進(jìn)行天線高改正，可以有效提高點位精度。此外，對于開闊平坦地物少的區(qū)域，車載GNSS-RTK 地形點測量效率高，按8 h/天計算，一臺移動測量車可以測量1∶1000 比例尺地形圖2km2，工效是人工外業(yè)采點的6 倍，極大地提高了測量效率。

4 結(jié)論

針對當(dāng)前多模GNSS 系統(tǒng)的特點，結(jié)合常用國產(chǎn)GNSS 設(shè)備銀河6 在實際工程中應(yīng)用和實驗數(shù)據(jù)，得出在特殊環(huán)境下利用我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)BDS（1+1）快速靜態(tài)測量可以進(jìn)行長距離圖根控制點坐標(biāo)聯(lián)測，提高了分散區(qū)域圖根平面控制測量的效率，在應(yīng)急道面方格網(wǎng)角點測量中利用區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化技術(shù)提高了精度和效率。此外，采用改裝的移動測量車進(jìn)行地形點采集，提出了關(guān)鍵質(zhì)量控制點，極大提高了平坦區(qū)域的外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率，為類似的工程測量提供了快速測繪的解決方案。