星站差分定位在區(qū)域重力調(diào)查中的應(yīng)用探究

摘 要：在我國西部沙漠和高山地區(qū)開展區(qū)域重力調(diào)查工作時，由于國家控制點較為稀缺，甚至一些地方缺乏控制點。在這個復(fù)雜環(huán)境下，傳統(tǒng)的測量技術(shù)往往難以解決重力點定位的問題。而引入星站差分定位這一新技術(shù)可成功地克服這一困境。通過詳細(xì)介紹星站差分定位的基本原理，并結(jié)合野外項目實例對比試驗數(shù)據(jù)的精度，該文展示該技術(shù)可在平面和高程方向上的測量精度，分別為±0.504 m和±0.156 m。這些結(jié)果不僅滿足1∶250 000區(qū)域重力調(diào)查規(guī)范的精度要求，還驗證星站差分定位在精度和定位準(zhǔn)確性方面的卓越性，以及提高野外工作效率的顯著優(yōu)勢。綜合分析近年來的野外實測數(shù)據(jù)，該研究總結(jié)星站差分定位在區(qū)域重力調(diào)查中的優(yōu)點和缺點，并為今后在該領(lǐng)域采用星站差分定位提供有益的參考，有望在未來的區(qū)域地質(zhì)研究中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

關(guān)鍵詞：星站差分；重力點定位；對比分析；測量精度；野外項目實例

中圖分類號：P228 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）24-0006-04

Abstract： When the regional gravity survey is carried out in the desert and alpine areas of western China， due to the scarcity of national control points， some areas even lack control points. In this complex environment， the traditional measurement technology is often difficult to solve the problem of gravity point location. The introduction of the new technology of satellite-based differential positioning has successfully overcome this dilemma. By introducing the basic principle of satellite station differential positioning in detail， and comparing the accuracy of test data with field projects， this paper shows the measurement accuracy of this technique in plane and elevation direction， which is ±0.504 meters and ±0.156 meters respectively. These results not only meet the accuracy requirements of the 1∶250 000 regional gravity survey specification， but also verify the excellence of satellite station differential positioning in accuracy and positioning accuracy， as well as the significant advantages of improving field work efficiency. Based on the comprehensive analysis of the field measured data in recent years， this study summarizes the advantages and disadvantages of satellite station differential positioning in regional gravity survey， and provides a useful reference for the application of satellite station differential positioning in this field in the future. It is expected to play a key role in regional geological research in the future.

Keywords： satellite-based differential positioning; gravity point location; comparative analysis; measurement accuracy; field project example

在區(qū)域重力調(diào)查中，調(diào)查工作通常在幾千甚至上萬平方千米的工作區(qū)域開展，隨著重力調(diào)查精度的不斷提升，對重力測點的定位精度要求也日益提高。在重力勘探中，采用網(wǎng)絡(luò)實時動態(tài)測量定位技術(shù)（CORS）服務(wù)是一種常見的方法，該服務(wù)覆蓋CORS服務(wù)范圍內(nèi)的區(qū)域，相較于傳統(tǒng)全球定位系統(tǒng)（GPS）作業(yè)，具有范圍廣、精度高、野外單機(jī)作業(yè)的優(yōu)勢[1]。然而，在無CORS服務(wù)的區(qū)域內(nèi)通常用快速靜態(tài)測量，這種方法需要在野外架設(shè)基站且需要數(shù)分鐘至幾十分鐘的定位觀測，由于它不能夠?qū)?shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行實時監(jiān)控，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的時候軟件參數(shù)的設(shè)置和基線質(zhì)量的評定又和處理人員的工作經(jīng)驗有關(guān)，因此快速靜態(tài)的測量結(jié)果往往都帶有或大或小的定位誤差[2]。而在西北沙漠、高山地區(qū)開展區(qū)域重力調(diào)查工作，工作區(qū)域范圍大且無CORS定位服務(wù)的環(huán)境下無法采用以上方法。因此引用衛(wèi)星實時差分的高精度定位方法（以下統(tǒng)稱為星站差分）來完成區(qū)域重力調(diào)查的定位工作，目前該方法已獨立成為一種新的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）定位方法，無須自己設(shè)置地面參考站也能實行單機(jī)作業(yè)，定位不受距離的限制，施工靈活，能夠?qū)崟r監(jiān)控測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量[3]，因此，星站差分方法能夠提供非常精確和可靠的測量結(jié)果，為區(qū)域重力調(diào)查的定位工作提供了一種高效的解決方案。

1 儀器原理及試驗數(shù)據(jù)

1.1 星站差分原理

本項目重力測點的定位工作使用的測量儀器為廣州中海達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司旗下的海星達(dá)iRTK5X型GNSS接收機(jī)星站差分模式，星站差分是一種采用衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送差分改正數(shù)據(jù)，從而達(dá)到實時高精度差分定位的方法[4]，星站差分定位是在無控制點地區(qū)滿足測量定位精度的主要方法。星站差分定位技術(shù)的基本原理是差分定位，星站差分系統(tǒng)由參考站、數(shù)據(jù)中心、地球同步衛(wèi)星和用戶構(gòu)成。參考站將跟蹤的衛(wèi)星信號發(fā)送至數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心利用這些數(shù)據(jù)生成差分?jǐn)?shù)據(jù)，并將差分?jǐn)?shù)據(jù)通過衛(wèi)星或者其他數(shù)據(jù)播發(fā)鏈路發(fā)送至用戶，用戶利用差分?jǐn)?shù)據(jù)改善定位精度[5]。這種新的作業(yè)方式，不需要在測量過程中架設(shè)基準(zhǔn)站，同時通過采用衛(wèi)星通信技術(shù)擺脫了對網(wǎng)絡(luò)和電臺通信的依賴，使用范圍更為廣泛且操作更為便捷[4]，能很好地滿足區(qū)域地球物理調(diào)查重力點定位的要求，提高工作效率。

1.2 試驗數(shù)據(jù)

研究測區(qū)位于河西走廊地帶的祁連山以北、內(nèi)蒙古吉蘭泰—巴丹吉林一線以南地區(qū)，該區(qū)域地貌劃分涵蓋了酒泉盆地、民樂盆地、武威盆地、潮水盆地、雅布賴盆地和巴彥浩特等主要盆地。測區(qū)環(huán)境多數(shù)為沙漠、戈壁及高山區(qū)，地勢陡峭，該區(qū)域?qū)儆谵r(nóng)牧業(yè)交錯區(qū)，擁有豐富的能源和礦產(chǎn)資源。為查明該區(qū)的重力場基本特征與變化規(guī)律，構(gòu)建三維地球物理屬性結(jié)構(gòu)模型與盆地構(gòu)造格架，為深化重要斷裂空間展布、盆地結(jié)構(gòu)、區(qū)域盆山耦合關(guān)系、盆地演化及其對成藏成礦等基礎(chǔ)地質(zhì)問題認(rèn)識提供重要基礎(chǔ)信息和科學(xué)依據(jù)，在該區(qū)開展1∶250 000區(qū)域重力調(diào)查工作。

為全面驗證中海達(dá)iRTK5X型GNSS接收機(jī)星站差分模式在重力測量中的定位精度是否符合規(guī)范要求，在項目實施前采取了一系列嚴(yán)格的驗證步驟。首先，前往國家認(rèn)可的檢測中心進(jìn)行儀器檢測，并取得有效的檢測證書。隨后，對儀器進(jìn)行試驗精度的對比分析。

本文通過2020—2022三年的試驗數(shù)據(jù)對比分析中海達(dá)iRTK5X型GNSS接收機(jī)星站差分定位測量的精度。3年試驗數(shù)據(jù)對比見表1。試驗方法是將設(shè)備在國家大地控制測量點已知點上進(jìn)行測量，這些控制測量點具有較好的測量試驗對比條件，其坐標(biāo)系被設(shè)置為CGCS2000，然后將測得的數(shù)據(jù)與已知控制點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，計算縱向直角坐標(biāo)N、橫向直角坐標(biāo)E及測點大地高H的差值，并繪制出差值圖如圖1所示，圖1中展示了測量結(jié)果的變化趨勢。這一驗證過程旨在確保儀器在實際應(yīng)用中的定位精度滿足規(guī)范要求。

經(jīng)過3年的試驗數(shù)據(jù)對比，測量結(jié)果的N、E、H值最大值見表2，測量結(jié)果與國家大地控制測量點已知點N、E、H值差值均小于0.2 m。根據(jù)《項目施工方案》DZ/T 0082—2021《區(qū)域重力調(diào)查規(guī)范》、DZ/T 0153—2014《物化探工程測量規(guī)范》和GB/T 18314—2009《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》中的精度要求，中海達(dá)iRTK5X型GNSS接收機(jī)星站差分模式的定位精度均滿足本次1∶250 000區(qū)域重力調(diào)查精度要求定位工作。

2 應(yīng)用分析討論

為了完成本項目3年的1∶250 000區(qū)域重力調(diào)查工作的重力測點的定位工作，采用的測量儀器為中海達(dá)iRTK5X型GNSS接收機(jī)星站差分模式，和重力測量工作同步進(jìn)行。為了確保獲得高質(zhì)量的重力測點平面坐標(biāo)和高程測量數(shù)據(jù)，在進(jìn)行重力測量前，進(jìn)行了對比試驗以確保RTK儀器測量工作達(dá)到規(guī)范精度要求。星站差分模式在衛(wèi)星鎖定以后，對每個測點進(jìn)行平滑采集，取得由10個讀數(shù)平均的固定解。采集坐標(biāo)要素包括經(jīng)度、緯度、橫向直角坐標(biāo)E、縱向直角坐標(biāo)N及測點大地高H。由于2000重力觀測系統(tǒng)采用的是水準(zhǔn)高，因此采集后的大地高H要通過CQG2000轉(zhuǎn)換為水準(zhǔn)高。

由于研究區(qū)域大多分布在西部沙漠和高山地區(qū)，而測點坐標(biāo)定位觀測時間由觀測點的環(huán)境決定，對于干擾小、衛(wèi)星信號強(qiáng)的區(qū)域觀測時間甚至能縮短至1～3 min以內(nèi)；對于山谷地理環(huán)境條件下，干擾大、衛(wèi)星信號弱的區(qū)域，觀測時間可能延長至10 min以上。為了保證重力測點的測地工作的數(shù)據(jù)質(zhì)量，采取了按3%～5%的比例進(jìn)行質(zhì)量檢查，測點質(zhì)量檢查和重力觀測質(zhì)量檢查同步進(jìn)行，采用“一同三不同”檢查方式，對比經(jīng)度、緯度、橫向直角坐標(biāo)E、縱向直角坐標(biāo)N及測點大地高H。先計算單個質(zhì)檢點的橫向直角坐標(biāo)E、縱向直角坐標(biāo)N、測點大地高H與測量點的差值，而后計算所有質(zhì)檢數(shù)據(jù)的平面和高程的均方誤差。在研究區(qū)域的3年調(diào)查中，共完成了7 947個GNSS測點的調(diào)查，其中質(zhì)檢測點為305個，質(zhì)檢率達(dá)到3.84%。所有質(zhì)檢點的數(shù)據(jù)均合格，最終測點的平面位置均方誤差為±0.504 m，高程均方誤差為±0.156 m，完全滿足設(shè)計和規(guī)范的要求。

2.1 星站差分的優(yōu)點

該方法的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是無須控制點可直接測量，不受區(qū)域和距離限制，覆蓋范圍廣；二是無須架設(shè)基站采用全球統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)，一人一機(jī)就可以開始作業(yè)，操作更為簡便高效；三是抗干擾能力較強(qiáng)，不受常規(guī)差分信號頻段干擾，精度相較于傳統(tǒng)方式更高，提高了測量的可靠性；四是單機(jī)定位精度可達(dá)到厘米級，高精度定位應(yīng)用于沙漠、戈壁、高山等區(qū)域解決了該區(qū)域定位難的問題，為高精度定位應(yīng)用提供了可行性。

2.2 星站差分的缺點

該方法在實際應(yīng)用中也面臨一些限制：一是受衛(wèi)星狀況限制，在測量過程中可能會出現(xiàn)衛(wèi)星失鎖情況，需要等待幾分鐘重新獲得衛(wèi)星；二是遇到山谷地形條件要獲得厘米級精度的固定解，需要相對較長的等待時間，通常在10～30 min之間；三是初始化時間較長，在中午電離層干擾大的時段，很難獲得固定解定位；四是一些新的星站差分服務(wù)商的介入可能會導(dǎo)致差分賬號較之前有所上漲[6]。

3 結(jié)論

本文通過介紹了星站差分定位的基本原理、測量工作方法及精度評價方法，綜合分析試驗數(shù)據(jù)精度與野外項目實例應(yīng)用，得出結(jié)論如下：

1）通過3年的儀器試驗數(shù)據(jù)對比分析得出，測量結(jié)果的N、E、H值與國家大地控制測量點已知點N、E、H值差值均小于0.2 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于設(shè)計和規(guī)范要求。

2）為了提高區(qū)域重力調(diào)查定位工作的效率及精度要求，研究區(qū)按照規(guī)范要求設(shè)計平面均方誤差為±1.0 m，高程均方誤差為±0.6 m。統(tǒng)計分析了3年的實測數(shù)據(jù)與質(zhì)量檢查數(shù)據(jù)，最終測點平面位置均方誤差為±0.504 m，高程均方誤差為±0.156 m，遠(yuǎn)超過設(shè)計精度要求，充分證實了星站差分定位模式精度滿足區(qū)域重力調(diào)查測量定位的精度要求。

3）星站差分定位模式不需要自己架設(shè)基站，不受區(qū)域和距離的限制，覆蓋范圍廣，精度可以達(dá)到厘米級，抗干擾能力較強(qiáng)，一人一機(jī)就可以獨立完成定位測量工作。

4）測點坐標(biāo)定位觀測時間由觀測點的地理環(huán)境條件決定，測點為沙漠、戈壁空曠的地理環(huán)境條件下衛(wèi)星信號強(qiáng)、干擾小，達(dá)到固定解觀測時間一般縮短至1～3 min以內(nèi)；測點為山谷地理環(huán)境條件衛(wèi)星信號弱、干擾大，達(dá)到固定解觀測時間可能延長至10 min以上。

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