北斗地基增強下的天津市三維測繪基準體系檢測和評估

朱大勇，張衛(wèi)東

(1. 天津市勘察院，天津 300191； 2. 天津市國土資源測繪和房屋測量中心，天津 300051)

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北斗地基增強下的天津市三維測繪基準體系檢測和評估

朱大勇1，張衛(wèi)東2

(1. 天津市勘察院，天津 300191； 2. 天津市國土資源測繪和房屋測量中心，天津 300051)

為了提供統(tǒng)一的空間地理信息數(shù)據(jù)基準框架和滿足高精度、實時、動態(tài)需要，天津市建立了基于北斗地基增強系統(tǒng)的三維測繪基準體系。本文對該系統(tǒng)進行了功能、性能和似大地水準面精化模型正確性等方面的檢測，結(jié)果表明其各項功能指標、性能指標、精度指標均達到了設(shè)計及規(guī)范要求，滿足了建立高精度統(tǒng)一基準框架的需要，能夠?qū)崟r向用戶提供米級的導(dǎo)航服務(wù)以及提供厘米級精密定位服務(wù)。

北斗地基增強；三維測繪基準；基準框架

近年來，天津市原有測繪基準體系在城市經(jīng)濟建設(shè)、國防建設(shè)中發(fā)揮了重要作用，但隨著社會信息化發(fā)展對空間定位信息需求的提高，已難以完全滿足經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，存在許多問題和不足，主要表現(xiàn)在：原有大地控制網(wǎng)由于受施測時的技術(shù)水平和手段所限，其相對精度只有10-5，且歷經(jīng)30年，成果現(xiàn)勢性較差，難以滿足社會信息化發(fā)展和國民經(jīng)濟建設(shè)的需要；基礎(chǔ)控制成果破壞嚴重，難以滿足城市空間布局發(fā)展對測繪保障服務(wù)的需求，給經(jīng)濟發(fā)展重點區(qū)的發(fā)展和城市建設(shè)帶來不利影響；在傳統(tǒng)的測量手段基礎(chǔ)上形成的城市地理空間信息資料采集模式已難以滿足城市建設(shè)日新月異的發(fā)展需要，必須采用更先進、更快捷的空間數(shù)據(jù)采集方法來獲取基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)。自2008年7月1日，我國全面啟用2000國家大地坐標系以來，建立了天津CGCS2000測繪基準并確定了1990天津任意直角坐標系、1954北京坐標系、1980西安坐標系、CGCS2000坐標系相互之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，這是一項十分重要的任務(wù)[1]。為了提供統(tǒng)一的空間地理信息數(shù)據(jù)基準框架和滿足高精度、實時、動態(tài)需要，天津市采用先進的現(xiàn)代測繪理論和技術(shù)建立基于北斗地基增強系統(tǒng)的三維測繪基準體系[2]。為了評價該系統(tǒng)的各項功能指標、性能指標、精度指標是否達到設(shè)計及規(guī)范要求，本文對功能和性能方面進行了檢測和評估。

一、天津市北斗地基增強系統(tǒng)概況

北斗地基增強系統(tǒng)是國家統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)的，以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)為主，兼容其他GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的地基增強系統(tǒng)[3]。其地面基準站間距為30～70 km，可通過地面通信系統(tǒng)播發(fā)實時差分信息，向用戶提供米級的導(dǎo)航服務(wù)及厘米級的精密定位服務(wù)。北斗地基增強系統(tǒng)的優(yōu)勢在于其系統(tǒng)初始化時間更快，穩(wěn)定性更高，可快速實現(xiàn)高精度定位[4-5]。

天津北斗地基增強系統(tǒng)集成了傳統(tǒng)大地測量、衛(wèi)星導(dǎo)航定位、無線通信、計算機網(wǎng)絡(luò)、軟件工程等技術(shù)，建立了覆蓋整個天津的13個北斗/GPS基準站，平均間距約43 km；建立了1個數(shù)據(jù)控制中心，基于通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)基準站到控制中心數(shù)據(jù)專線傳輸；建立了一個系統(tǒng)管理平臺，管理各基準站的運行；建立基于北斗+GPS的面向用戶服務(wù)平臺，向整個天津范圍的用戶實時提供厘米定位服務(wù)及米級導(dǎo)航服務(wù)。該系統(tǒng)采用了虛擬服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫集群、“網(wǎng)絡(luò)動態(tài)引擎”等先進技術(shù)，在國內(nèi)首次采用了“動態(tài)”電離層改正模型和天寶、南方兩套系統(tǒng)同時運行的方案，提出了一套顧及參數(shù)保密的實時地方坐標、正常高播發(fā)方案，實現(xiàn)了多個關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新。

二、系統(tǒng)功能檢測

系統(tǒng)功能檢測主要包括參考站、控制中心的連續(xù)自動運行能力、自動數(shù)據(jù)服務(wù)能力、通信網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)兼容性、定位服務(wù)的時效性檢測，檢測統(tǒng)計結(jié)果見表1，可以看出該系統(tǒng)的功能均已達到設(shè)計指標。

表1　系統(tǒng)基本功能檢測統(tǒng)計表

三、系統(tǒng)性能檢測

系統(tǒng)性能檢測包括：系統(tǒng)初始化時間檢測、靜態(tài)定位精度和RTK動態(tài)定位精度檢測等。

1. 系統(tǒng)初始化時間檢測

定位服務(wù)的時效性檢測在全市均勻分布的27個點上完成，分別進行GPS、BDS、GPS+BDS信號組合測試。每個點上進行5次初始化測量，每次測量均先斷開接收機重新連接，記錄初始化時間，其中，初始化時間為記錄接收到差分信號從浮動解到固定解的時間。在27個測試點上，利用南方系統(tǒng)GPS平均初始化時間為7.1 s；BDS平均初始化時間為5.5 s；GPS+BDS組合平均初始化時間為4.7 s。GPS+BDS組合初始化時間優(yōu)于GPS和BDS單系統(tǒng)初始化時間，提高了測量用戶的外業(yè)作業(yè)效率。天寶系統(tǒng)與南方系統(tǒng)單GPS的平均初始化時間基本一致，初始化時間對RTK用戶來說初始化速度較快，能夠滿足應(yīng)用需求。如圖1所示。

圖1　南方系統(tǒng)不同信號組合平均初始化時間對比

2. 靜態(tài)定位精度檢測

靜態(tài)定位精度檢測在全市域分布的24個C級點參考站上進行。采用GAMIT軟件分別對GPS、BDS、GPS+BDS組合進行基線解算，以該結(jié)果作為基準。將數(shù)據(jù)分為1、2、4、8、12、24 h等多個時段，不同時段采用天寶公司的靜態(tài)后處理軟件TBC進行數(shù)據(jù)處理，解算結(jié)果與基準進行比較。將基線長度按照<30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～100、>100 km共8個不同長度區(qū)間進行統(tǒng)計分析，如圖2所示。通過統(tǒng)計結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著基線增加基線解算誤差越來越大，隨著解算時間的增加解算精度越來越高。從組合角度看，單GPS解算結(jié)果優(yōu)于單BDS的解算結(jié)果，GPS+BDS組合靜態(tài)解算較單GPS在大于2 h時提高不明顯。在1 h數(shù)據(jù)解算中，GPS+BDS組合明顯優(yōu)于單GPS和單BDS的解算結(jié)果。

選取兩個參考站KC03和KC10作為控制點進行平差，將平差后的點位結(jié)果與已知點進行比較。結(jié)果表明，在解算超過4 h后平面精度已維持在1 cm以下，超過12 h后平面精度可達5 mm。高程方向隨著解算時長的增加高程精度不斷提高，7 d解算達到了1 cm的解算精度。從不同系統(tǒng)來看，單BDS解算精度最差，GPS+BDS組合解算精度較單GPS沒有顯著提高。

圖2　不同信號組合靜態(tài)基線長度精度對比

3. RTK動態(tài)定位精度檢測

圖3給出了南方系統(tǒng)不同信號組合平均內(nèi)符合精度的比較。由圖3可知，GPS+BDS組合較GPS、BDS提高了RTK測量精度，BDS定位結(jié)果在高程方向稍差。整體而言，GPS、BDS、GPS+BDS組合RTK檢測結(jié)果均滿足RTK測量規(guī)范及設(shè)計要求。

圖3　南方系統(tǒng)不同信號組合平均內(nèi)符合精度比較

通過比較RTK測量結(jié)果與22個已知點的坐標差異，對RTK測量進行精度外符合精度統(tǒng)計，即每個點位的外符合中誤差為該點上每秒記錄的坐標位置與已知位置的較差。南方系統(tǒng)的平均中誤差x方向為0.010m，y方向為0.009m，H方向為0.023m；天寶系統(tǒng)的平均中誤差x方向為0.008m，y方向為0.007m，H方向為0.023m。從外符合精度統(tǒng)計對比結(jié)果可見，南方系統(tǒng)和天寶系統(tǒng)均滿足RTK測量規(guī)范及設(shè)計要求，天寶系統(tǒng)在N、E方向上測量精度略優(yōu)于南方系統(tǒng)。

四、似大地水準面精化正確性檢測

采用與似大地水準面精化模型觀測時間相同的18個檢驗點進行似大地水準面精化正確性檢驗。檢核點均為同期埋設(shè)的檢核點。檢驗的統(tǒng)計結(jié)果見表2。

似大地水準面精化采用18個GNSS/水準檢核點進行驗證，統(tǒng)計中誤差為0.7cm，滿足似大地水準面精化技術(shù)設(shè)計要求。

五、結(jié)束語

本文對天津市基于北斗地基增強的三維測繪基準體系進行了功能、性能和似大地水準面精化模型正確性等方面的檢測。結(jié)果表明，該系統(tǒng)在參考站、控制中心的連續(xù)自動運行能力、自動數(shù)據(jù)服務(wù)能力、通信網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)兼容性、定位服務(wù)的時效性檢測等功能方面已達到設(shè)計指標；靜態(tài)定位精度可以達到平面5mm、高程10mm，滿足靜態(tài)定位相關(guān)規(guī)范及設(shè)計要求；RTK動態(tài)定位中南方系統(tǒng)平面精度為1.3cm，高程精度為2.3cm，天寶系統(tǒng)平面精度為1.1cm，高程精度為2.3cm，GPS+BDS組合較單GPS、單BDS的RTK精度有所提高，滿足RTK測量規(guī)范和設(shè)計要求；似大地水準面精化的統(tǒng)計中誤差為0.7cm，滿足似大地水準面精化技術(shù)設(shè)計要求。

表2　似大地水準面精化檢驗精度統(tǒng)計表　m

[1]林曉靜, 張小紅, 郭斐. TRF2005 與 CGCS2000 坐標轉(zhuǎn)換方法與精度分析[J]. 大地測量與地球動力學(xué), 2010,30(2):117-119.

[2]馬華山, 黃勇. 天津市地理空間基準框架體系建設(shè)中的數(shù)據(jù)處理[J]. 城市勘測, 2007 (3): 9-12.

[3]陳伏州. 關(guān)于我國北斗地基增強系統(tǒng)發(fā)展的思考[J]. 數(shù)字通信世界, 2013 (8): 24-27.

[4]明朝輝, 韓松臣, 何運成, 等. 基于 COMPASS-G2 的地基增強系統(tǒng)構(gòu)建與測評[J]. 桂林理工大學(xué)學(xué)報, 2011,31(4):610-614.

[5]楊勝萬, 孫濤, 嚴海菊. 江蘇北斗地基增強示范網(wǎng)定位精度分析[C]∥GPS、大地專業(yè)委員會學(xué)術(shù)年會交流論文.南京：[s.n.]，2014.

[6]徐楨, 劉強. 衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域增強系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展[C]∥第三屆中國智能交通年會論文集.南京：東南大學(xué)出版社，2007.

[7]王雷, 倪少杰, 王飛雪. 地基增強系統(tǒng)發(fā)展及應(yīng)用[J]. 全球定位系統(tǒng), 2014, 39(4): 26-30.

[8]徐地保, 宋玉兵, 王勇, 等. 江蘇北斗地基增強系統(tǒng)示范工程建設(shè)[C]∥2014 年 GPS、大地專業(yè)委員會學(xué)術(shù)年會交流論文.南京：[s.n.]，2014.

[9]李斌. 地基增強系統(tǒng)差分處理方法的研究[J]. 導(dǎo)航, 2008, 44(3): 9-13.

[10]孔祥元. 大地測量學(xué)基礎(chǔ)[M].武漢: 武漢大學(xué)出版社,2010

[11]李征,黃勁松. GPS測量與數(shù)據(jù)處理[M]. 武漢: 武漢大學(xué)出版社,2005.

Evaluation of Tianjin 3D Reference Surveying System Based on Tianjin BeiDou Foundation Enhancement System

ZHU Dayong，ZHANG Weidong

朱大勇，張衛(wèi)東.北斗地基增強下的天津市三維測繪基準體系檢測和評估[J].測繪通報，2016(10)：61-64.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0330.

2015-12-28；

2016-05-19

朱大勇(1979—)，男，高級工程師，主要從事工程測量方面的工作。E-mail：fengyuanyuan1983@163.com

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0494-0911(2016)10-0061-04