北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)在大地測量工程中的應用

趙留峰

（沐城測繪（北京）有限公司，北京 100020）

北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)在大地測量工程中應用，不僅可以提高測繪工作效率，還能確保實際測量精度。但是受到北斗系統(tǒng)了解不足、應用要點把握不準、技術聯合運用較少等因素影響，使得實際測量工作質量無法得到切實保障。需要加強北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)研究與分析，并結合大地測量工程實際情況，嚴格遵循北斗系統(tǒng)工作原理及作業(yè)流程進行操作，使北斗系統(tǒng)測繪優(yōu)勢得到充分發(fā)揮，實際測量工作任務也能圓滿完成[1]。

1 北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的基本概述

1.1 系統(tǒng)組成

北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)是由我國自行研制開發(fā)和獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由空間部分、地面中心控制系統(tǒng)和用戶終端構成，如圖1 所示。其中，空間部分有5 顆靜止軌道衛(wèi)星、30 顆非靜止軌道衛(wèi)星；地面中心控制系統(tǒng)作為北斗系統(tǒng)的中樞，包含了多個地面站，比如主控站、監(jiān)測站等；用戶端是北斗用戶終端與GPS、伽利略等其他衛(wèi)星系統(tǒng)兼容終端組成。通過該項系統(tǒng)發(fā)揮作用，可以在全球范圍內為各類用戶提供全天候和高精度的定位、導航、授時等服務[2]。

圖1 北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)組成

1.2 工作原理

北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)工作原理與其他導航系統(tǒng)較為類似。實際作業(yè)主要采用空間距離交會算法，北斗衛(wèi)星信號接收機為主要工作設備。在將該項設備固定在特定位置以后，就可以依托衛(wèi)星接收相關信息，并在此基礎上利用計算機進行數據計算處理和數據誤差修復，確保所得數據信息擁有較好的精度。由于北斗導航接收機所接收到的衛(wèi)星定位信息是隨機的，因此要保證結果精度，就要同時有3 個及以上衛(wèi)星進行定位信息接收。同時，還可以對空間固定坐標系統(tǒng)和地固坐標系統(tǒng)進行運用，實際測繪中可以根據工程具體情況對合適的系統(tǒng)進行選擇與運用，并在基準站位置設置1臺北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)信號接收機，可以對地質進行連續(xù)觀測，針對觀測獲得的地質信息也能直接通過無線電進行儲存與傳輸[3]。

1.3 GPS 比較

北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)與GPS 系統(tǒng)進行比較，涉及內容有：①覆蓋范圍。北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)是覆蓋中國本土及周圍區(qū)域的導航系統(tǒng)，GPS 信號則是覆蓋全球的。②衛(wèi)星數量。北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)設置了2 顆地球同步衛(wèi)星，位置在地球赤道平面上，衛(wèi)星赤道角距約為60°。GPS 設置了24 顆衛(wèi)星，位置在6 個軌道平面上，軌道赤道傾角為55°，并且GPS 衛(wèi)星軌道主要為準同步軌道，繞地球一周時間為11 h 58 min。③定位原理。北斗導航定位系統(tǒng)本質上是一種主動式雙向測距的二維導航系統(tǒng)，并通過地面中心控制系統(tǒng)進行解算操作，就可以為用戶提供較為精準的三維定位數據。GPS 實質上是一種被動式偽碼單項測距三維導航系統(tǒng)，實際開展工作需要由用戶設備進行獨立解算，以獲得自己的三維定位數據。④定位精度。北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)三維定位精度約為幾十米，授時精度約為100 ns。GPS 三維定位精度由原來的16 m 提升到6 m，授時精度為20 ns[4]。⑤用戶容量。由于北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)是一種主動雙向測距詢問的應答式系統(tǒng)，并且終端用戶設備和地球同步衛(wèi)星，需要地面中心控制系統(tǒng)對信號進行詢問與接收，整個過程終端用戶設備也要向同步衛(wèi)星發(fā)射應答信號。因此北斗系統(tǒng)用戶容量就取決于用戶允許的詢問信號速率、終端用戶響應頻率等。GPS 由于是單項測距系統(tǒng)，用戶設備在接收到衛(wèi)星發(fā)出導航電文以后就可以完成測距定位，因此用戶設備容量是無限的?？傊?，在對北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)和GPS 系統(tǒng)進行對比分析以后，可以發(fā)現北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)兼具通信與定位功能，并且因為全面覆蓋了中國及周邊地區(qū)，就可以為各類用戶提供全天候的服務，整個過程也不會出現通信盲區(qū)情況。再加上北斗系統(tǒng)是我國研發(fā)設計的自主系統(tǒng)，在高強度加密設計以后也擁有較高的安全性和可靠性，關鍵部門開展工作非常適合采用北斗系統(tǒng)[5]。

2 北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)在大地測量工程中的應用

2.1 地籍測量

地籍測量是一種政府行為，實際作業(yè)需要利用現代測繪技術，對土地界限、土地面積和土地所有權進行確定，針對土地利用類型、分布情況和質量水平也能通過測繪有效反映出來。在進行地籍測繪時，對北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)進行應用，就可以以此為基礎對地籍測控網絡進行有效建立。執(zhí)行時要注意嚴格遵照《城鎮(zhèn)地籍測繪程序》相關要求，將地籍測繪使用的網絡分成一二級邊角網、一二級導線網等，通過將其運用到不同規(guī)模的監(jiān)測地區(qū)，促進地籍測繪工作順利高效地完成。具體內容包括：①地籍控制測繪。在采用北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)對地籍測繪進行控制時，若為常規(guī)三角測繪就不需要采用近似等邊三角測繪，只要保證準確度與分級控制精度相互匹配，控制點的選擇也極大滿足實際選點要求，就可以有效控制相鄰點的誤差低于5 cm，使地籍控制測繪網絡精度完全達到地籍測繪規(guī)范要求。②土地利用監(jiān)測。在對土地利用進行動態(tài)監(jiān)測時，通常會采用簡單補測法進行現場監(jiān)測，不過這種方法只適合運用到變化范圍較小和變化特征明顯的目標點情況，若出現變化范圍大、目標物體較小的情況，就會出現監(jiān)測效率低下的問題。這時候對北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)進行應用，就可以充分利用系統(tǒng)單向傳輸時間為100 ns，雙向傳輸時間為20 ns，平面位置精度和高程控制精度為100 m、10 m 的功能特點，極大滿足土地利用條件調查和動態(tài)監(jiān)測準確度較高的要求，土地使用調查情況及時性和數值監(jiān)測準確性也能得到有力保障[6]。

2.2 工程測量

工程測量在各種項目中扮演著十分重要的角色，并且該項工作開展好壞也會直接影響到工程項目后續(xù)安全順利地實施。在開展工程項目施工作業(yè)之前，應該對施工地址進行全面細致地調查，并根據獲得的地貌、水文等信息，為工程設計提供精準可靠的尺度圖與地形數據。同時，在工程施工和運營階段，也要對工程測量工作引起關注，特別是在定位建筑物、測繪周圍環(huán)境、測繪運行情況等方面，可以及時發(fā)現工程項目存在的異常情況，并結合實際采用有效措施進行預防控制，避免安全、質量等事故問題發(fā)生。執(zhí)行時對北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)進行應用，就要對起始參考點進行科學設置，針對起始點的準確性也要加強檢查，確保其與觀測點之間具有較好的位置分布。在利用北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)進行動態(tài)觀測時，要根據工程測繪相關測繪精度與誤差要求，設置3～5 個高位控制點，針對基站的坐標也要確保所有方位角一致與準確。作業(yè)時可以采取靜態(tài)相對定位測繪，并將時間、衛(wèi)星仰角和采樣間隔參數分別設置為45 min、15°和10 s，在完成接收天線設置工作以后就可以開始觀測，并通過基線解決方案和網絡調整兩個階段，實現對網絡獲得觀測數據信息的有效處理。整個過程要注意對系統(tǒng)控制點的三維坐標質量進行檢查，必要情況下還可以開展現場重新測試工作，以通過網絡調整獲得更為精準的三維坐標，為工程項目實施提供科學依據。

3 實際案例分析

3.1 工程概況

某煤礦項目位于黑龍江省密山市太平鄉(xiāng)境內，勘察面積為93.23 km2，勘察深度為1 200 m。由于堪察區(qū)地形地貌主要以低山-丘陵為主，北部又靠近盆地的基底，總體構造為不對稱的復向斜構造。因此經過綜合考慮分析以后決定采用北斗衛(wèi)星導航定位實時動態(tài)測量系統(tǒng)進行測量作業(yè)，以通過對堪察區(qū)進行連續(xù)性觀測，有效解算出三維坐標信息及其精度信息，在確保測量成果精度和穩(wěn)定性中，促進工程項目安全順利地進行[7]。

3.2 測量過程

基于北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)開展工程項目測繪工作，具體過程包括：①測量點位選擇。在對測量點位進行選擇時，需要對勘察區(qū)域實際情況進行了解，并根據測量工作開展實質要求，盡可能地選擇地勢較為平坦、交通便捷順暢和數據容易貯存的地方，對測量點位進行科學設置。針對不同點位之間也要對距離進行有效控制，并通過保證點位之間有較好的通視性，為后續(xù)測量工作的高效開展奠定良好的基礎。實踐中，可以在地勢平坦和操作方便的區(qū)域設置測量點位，并使點位附近高度角在15°以上，周圍也不存在其他障礙物，防止測量獲得數據不夠真實準確情況發(fā)生。在完成點位設置以后，就可以按照相關工作規(guī)定對標志樁進行設定，整個過程也要做好記錄工作，避免對后續(xù)測量工作產生不利的影響。②北斗衛(wèi)星布網。在完成測量點位選擇與布置工作以后，就可以開展北斗衛(wèi)星布網工作。執(zhí)行時要根據該項目勘察目標及網形規(guī)劃，對相應圖形進行科學準確計算，并從增強成果合理性角度入手，對測量誤差進行有效控制，甚至還可以將附和線路設置出來，以在完成組網工作以后根據星歷預報制定科學測量計劃[8]。③開展觀測工作。在開展監(jiān)測測量工作時，要根據相關規(guī)定選擇出3 個點位，并在此基礎上設置3 臺接收機，觀測衛(wèi)星高度角為15°，采樣間隔為10 s，整個觀測時間為45 min。同時，在運用靜態(tài)相對定位技術進行觀測作業(yè)時，除了要對天線高度進行有效測試，還要嚴格按照接收端提示輸入相關數據，以完成對各項監(jiān)測信息的自動化記錄、保管與分析。④數據處理分析。在完成勘察區(qū)域測量工作以后，也要對接收端獲得的監(jiān)測數據信息進行整體分析，由于該項工作主要分基線解算和網平差2 個環(huán)節(jié)進行，因此操作時就可以借助隨機軟件進行作業(yè)，并根據所得結果進行異步環(huán)和同步環(huán)審查，使之能夠滿足相關標準要求，如圖2 所示。⑤作業(yè)精度統(tǒng)計。在整個測量工作中，主要采用了3 種方法進行精度檢測。第一種是在已知點架設移動站，并在采集數據信息過程中，對得出坐標與正確值進行比較，總共檢測了3 個點，見表1。第二種是分不同時段對特征點進行重復測量，在比較差值中完成精度檢測工作，這類點總共有10 個，見表2。第三種是使用全站儀對相鄰兩地形點的高差和距離進行檢測，這類點有15 個。最終檢測作業(yè)平面精度、高程精度分別為0.006 m 和0.011 m，均達到工程精度要求[9]。

表1 移動站監(jiān)測所得坐標與正確值比較

表2 選取25 min 時間段特征點高程坐標測量結果

圖2 高精度北斗基線解算軟件處理結果

3.3 應用體會

對本次應用北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)開展工程測量工作，發(fā)現實踐應用具有以下優(yōu)勢：①工作效率較高。以往開展工程測量工作，對傳統(tǒng)技術方法進行運用，需要投入較多的人力物力財力，將北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)融入其中，就可以節(jié)省更多測繪時間。該工程項目測量工作開展總共花費了120 min，并且除去前期準備工作和后續(xù)分析處理消耗時間，實際測量時間控制在45 min 左右，再根據接收站接收到的數據信息運用計算機及相關軟件進行分析處理，使得整體測量工作用時比較短。②測量精度保證。北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)實質上是一種新的技術，將之運用到各種復雜工程測量中，可以獲得較為準確的測量結果，并為工程有效實施提供較為準確的數據支持，所得結果也可以達到毫米和亞毫米的精確度，可以極大滿足精確測量實質要求[10]。③較傳統(tǒng)技術優(yōu)勢突出。特別是在與GPS 技術相比較，北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)已基本實現亞太地區(qū)全面覆蓋，可以為工程測量提供高效的通信服務，并且北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)所采用的是三頻定位技術，相較于GPS 二頻定位精度可以達到2 cm。另外，在偏遠地區(qū)進行工程測量工作，容易出現信號較弱的情況，對北斗系統(tǒng)進行運用，就可以充分發(fā)揮其覆蓋范圍廣和定位精度較高的優(yōu)勢，切實滿足不同地區(qū)工程測量工作實質需要。

4 結束語

本文是對北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)在大地測量工程中的應用進行分析。隨著現代科學技術不斷發(fā)展，我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)在各領域中也得到十分廣泛的應用，并為新時期開展大地工程測量工作提供有力技術方法支持。實踐中，要充分發(fā)揮出北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的工作效率高、定位精度保證等優(yōu)勢，就要在開展工程測量工作之前，對北斗系統(tǒng)組成及工作原理進行細致分析與牢固把握，然后根據地籍測量、工程測量等實際情況及工作要求，深化落實好測量點位選擇布置、構建北斗監(jiān)測網絡、組織開展觀測活動、加強數據處理分析和重視結果精度檢查等工作，以確保測量結果真實準確，并為后續(xù)土地開發(fā)利用和工程建設施工提供有力信息參考。