戴超

（開灤錢家營礦業(yè)分公司，河北 唐山 063301）

1 概 況

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（Bei Dou Navigation Satellite System，簡稱BDS）是繼美國GPS、歐盟GLONASS 之后全球第三大較完善的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，由中國自主研發(fā)、制造、建設(shè)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。該系統(tǒng)于2020 年正式向全球提供導(dǎo)航定位服務(wù)，其獨(dú)特的傾斜地球同步軌道衛(wèi)星設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了中國區(qū)域的衛(wèi)星信號(hào)，理論上不存在中國版圖內(nèi)的信號(hào)盲區(qū)，即使在山林、建（構(gòu)）筑物等信號(hào)遮擋地區(qū)也可接收到穩(wěn)定的衛(wèi)星信號(hào)。

單基站連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)（Continuous Operational Reference System，簡稱CORS）有低成本、方便升級(jí)、精度高、可連續(xù)運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外中小城市和廠礦企業(yè)，來滿足局部的實(shí)時(shí)定位服務(wù)需求。

開灤錢家營礦區(qū)CORS 系統(tǒng)為單基準(zhǔn)站CORS系統(tǒng)，升級(jí)兼容北斗導(dǎo)航系統(tǒng)后，采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)（Real-time kinematic，簡稱RTK），可在基準(zhǔn)站半徑50 km 范圍內(nèi)快速獲取厘米級(jí)定位服務(wù)。傳統(tǒng)的RTK 測(cè)量中，只能接收GPS、GLONASS 兩種導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，且GPS 在我國中、低緯度山林、建（構(gòu)）筑物等信號(hào)遮擋地區(qū)，因鎖定衛(wèi)星數(shù)少RTK 測(cè)量很難得到固定解。兼容北斗導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）的CORS 系統(tǒng)進(jìn)行RTK 測(cè)量時(shí)，可以接收GPS、GLONASS、BDS 三種導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，在小范圍信號(hào)遮擋情況下也能得到固定解；同時(shí)，使RTK 測(cè)量精度、測(cè)量效率越來越高，一定程度上減弱了RTK 測(cè)量隨移動(dòng)站到基準(zhǔn)站距離的增加而出現(xiàn)的誤差。

本文意在介紹開灤錢家營礦區(qū)北斗CORS 系統(tǒng)及測(cè)試該系統(tǒng)的RTK 測(cè)量在礦山測(cè)量中的定位效果及定位精度。

2 開灤錢家營礦區(qū)CORS 系統(tǒng)介紹

開灤錢家營礦區(qū)CORS 系統(tǒng)于2012 年建設(shè)并投入使用，由GPS 基準(zhǔn)站、衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)、用戶管理系統(tǒng)5 部分組成。

隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的建立、運(yùn)行，衛(wèi)星定位技術(shù)獲得了極大的發(fā)展。為更好地滿足礦區(qū)生產(chǎn)建設(shè)、地形圖更新、地表損害監(jiān)測(cè)、勘查設(shè)計(jì)及應(yīng)急搶險(xiǎn)等方面的應(yīng)用，開灤錢家營礦于2020 年對(duì)CORS 基站進(jìn)行升級(jí)改造，升級(jí)后兼容北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，采用SOUTH Net S8+接收機(jī)（參數(shù)見表1），S8+機(jī)型兼容我國北斗、美國GPS 和GLONASS 系統(tǒng)，相比原來的雙星系統(tǒng)，可以更高精度的服務(wù)于礦區(qū)日常測(cè)量的工作。

升級(jí)后的CORS 系統(tǒng)采取南方測(cè)繪高精度網(wǎng)絡(luò)差分實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位NRS 技術(shù)方案，該技術(shù)方案原始觀測(cè)數(shù)據(jù)來自開灤集團(tuán)和錢家營礦區(qū)的2 個(gè)CORS 基站，通過交換機(jī)、無線路由器、工控機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，使其可以實(shí)時(shí)與參考站、接收機(jī)間傳輸控制、數(shù)據(jù)信息；應(yīng)用系統(tǒng)是以位置服務(wù)為基礎(chǔ)，由支持協(xié)議的設(shè)備提供實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)；NRS 的核心組成是數(shù)據(jù)處理中心，通過CORS 基站采集的原始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)解算模糊度和估計(jì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)來建立空間相關(guān)誤差區(qū)域模型。

3 CORS 系統(tǒng)基準(zhǔn)

開灤錢家營礦區(qū)CORS 系統(tǒng)采用獨(dú)立地方坐標(biāo)系統(tǒng)，高斯-克呂格正形投影，中央子午線為E118°30′，平面坐標(biāo)以北京54 坐標(biāo)系為基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換而來，高程系統(tǒng)采用1985 國家高程基準(zhǔn)。

平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用布爾莎七參數(shù)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換流程：WG-84 空間直角坐標(biāo)(X，Y，Z)—布爾莎七參數(shù)模型—空間直角坐標(biāo)(X，Y，Z)—大地坐標(biāo)(B，L)—平面坐標(biāo)(x，y)。

在高程系統(tǒng)方面，錢家營單基站CORS 系統(tǒng)通過三維約束已知控制點(diǎn)，采用一次多項(xiàng)式擬合法求得未知點(diǎn)高程數(shù)據(jù)。

根據(jù)測(cè)繪工程行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《全球定位系統(tǒng)城市測(cè)量技術(shù)規(guī)程》，錢家營礦區(qū)附近分布國家Ⅱ控制點(diǎn)7 個(gè)，如圖1 所示，可建立D 級(jí)GPS 控制網(wǎng)，D 級(jí)GPS 控制網(wǎng)需滿足表2 規(guī)定。

圖1 控制點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of control points

表2 D 級(jí)GPS 控制網(wǎng)的精度要求Table 2 Accuracy requirements of D-level GPS control network

錢家營礦區(qū)D 級(jí)GPS 控制網(wǎng)包括9 個(gè)GPS點(diǎn)，其中7 個(gè)已知點(diǎn)，2 個(gè)未知點(diǎn)，此次采用邊連式，構(gòu)成84 個(gè)最小同步環(huán)和36 條獨(dú)立基線，以確保控制網(wǎng)的幾何強(qiáng)度，提高控制網(wǎng)的可靠性。外業(yè)觀測(cè)使用9 臺(tái)SOUTH S86-T 型GPS 接收機(jī)，在8個(gè)GPS 點(diǎn)上同步進(jìn)行靜態(tài)觀測(cè)，有效觀測(cè)衛(wèi)星顆數(shù)達(dá)到9 顆以上，觀測(cè)時(shí)段達(dá)200 min 以上，確保有效的觀測(cè)時(shí)間。外業(yè)采集靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)后，在WGS-84 坐標(biāo)系下對(duì)GPS 靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自由網(wǎng)平差和三維約束平差，最終求得錢家營礦區(qū)WGS-84 坐標(biāo)成果。

4 單基站RTK 測(cè)量性能檢驗(yàn)

采用SOUTH 銀河6 GNSS 接收機(jī)（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位精度±8 mm+1 mm/km×d），分別對(duì)BDS 和GPS 信號(hào)的固定解數(shù)、PDOP 值、點(diǎn)位觀測(cè)平面誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，測(cè)試衛(wèi)星定位效果，并對(duì)衛(wèi)星定位精度采用靜態(tài)已知點(diǎn)檢測(cè)法檢驗(yàn)。

4.1 定位效果測(cè)試

首先選擇90°、180°、270°信號(hào)遮擋的3個(gè)墻角點(diǎn)作為待測(cè)點(diǎn)，編號(hào)A、B、C，如圖2 所示。在相同時(shí)段，分別接收BDS、GPS 信號(hào)進(jìn)行RTK 測(cè)量，采樣間隔為15 s，實(shí)時(shí)精度要求Hrms＜0.015 m，Vrms＜0.020 m。

從數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計(jì)表3 中得出結(jié)論，相同信號(hào)遮擋點(diǎn)，在RTK 只接收BDS 信號(hào)時(shí)，固定解個(gè)數(shù)更多，尤其在C 點(diǎn)上，接收GPS 信號(hào)已經(jīng)無法鎖定，而接收BDS 信號(hào)依然可以得到240 個(gè)固定解；接收BDS 信號(hào)固定解的PDOP 值均小于接收GPS 信號(hào)對(duì)應(yīng)的PDOP 值，同樣在C 點(diǎn)上，當(dāng)接收GPS信號(hào)無法采集數(shù)據(jù)時(shí)，接收BDS 信號(hào)固定解的PDOP 值仍控制在3 左右；接收BDS 信號(hào)得到的固定解中，在相同信號(hào)遮擋點(diǎn)下的點(diǎn)位中誤差小于接收GPS 信號(hào)的點(diǎn)位中誤差。

表3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Data statistics table

4.2 定位精度檢驗(yàn)

靜態(tài)檢測(cè)方法是CORS 系統(tǒng)定位精度檢測(cè)中最常用的方法。本文在CORS 基站所覆蓋區(qū)域內(nèi)選擇已知控制點(diǎn)作為檢測(cè)點(diǎn)，將接收機(jī)安置在檢測(cè)點(diǎn)上，分別接收GPS 和BDS+GPS 信號(hào)進(jìn)行RTK 數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集間隔5 s，再統(tǒng)計(jì)采集結(jié)果，計(jì)算得到外符合精度來檢驗(yàn)測(cè)量精確度，見表4。

表4 外符合精度統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistical table of external coincidence accuracy

外符合精度（式1）是把已知控制點(diǎn)坐標(biāo)及高程（X、Y、H）作為真值，計(jì)算觀測(cè)值與真值的偏差程度，即精確度，反映了RTK 測(cè)量成果的實(shí)際可信度。

式中：σ 為觀測(cè)點(diǎn)的外符合精度；θ 為觀測(cè)值與真值之間的差值；N 為每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)測(cè)量值的個(gè)數(shù)。

由表4 數(shù)據(jù)得出結(jié)論。

（1）在50 km 的范圍內(nèi)，外符合精度與基站距離正相關(guān)，可得出RTK 定位精度隨距離增加衰減，且滿足RTK 精度指標(biāo)，見表5。

表5 RTK 精度指標(biāo)Table 5 Precision index of RTK

（2）BDS+GPS 模式下，水平方向外符合精度小于2 cm，垂直方向精度小于3 cm；GPS 模式下，水平方向外符合精度小于2 cm，垂直方向精度小于4 cm，可知兼容BDS 的RTK 測(cè)量精度更高，衛(wèi)星信號(hào)更穩(wěn)定。

5 結(jié)語

通過對(duì)錢家營礦區(qū)CORS 系統(tǒng)RTK 測(cè)量性能檢驗(yàn)，BDS+GPS 的RTK 測(cè)量精度優(yōu)于GPS 的測(cè)量精度，且在衛(wèi)星信號(hào)受到遮擋時(shí)，兼容BDS 的RTK 測(cè)量固定解率更高、平面誤差更小。通過以上方案，說明錢家營礦區(qū)CORS-RTK 衛(wèi)星定位效果較好，可為礦區(qū)工程測(cè)量提供厘米級(jí)定位精度的測(cè)量數(shù)據(jù)。