李　軍，王義修

(1. 陜西省第二測(cè)繪院，陜西 西安 710054； 2. 山東北斗華宸導(dǎo)航技術(shù)有限公司，山東 淄博 255300)

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北斗高精度手持機(jī)在航測(cè)外業(yè)中的應(yīng)用

李軍1，王義修2

(1. 陜西省第二測(cè)繪院，陜西 西安 710054； 2. 山東北斗華宸導(dǎo)航技術(shù)有限公司，山東 淄博 255300)

摘要：中國北斗衛(wèi)星的正式民用，使北斗多星系統(tǒng)的高精度接收機(jī)得到了快速的發(fā)展，單點(diǎn)測(cè)量的定位精度得到了一定的提高，通過在北京、新疆等地的測(cè)試，對(duì)北斗多星系統(tǒng)的高精度手持機(jī)的精度進(jìn)行了檢測(cè)，改進(jìn)了原有的航測(cè)外業(yè)作業(yè)模式，促進(jìn)了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在航測(cè)外業(yè)中的新應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)；北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；手持機(jī)； 精密單點(diǎn)定位；航測(cè)外業(yè)

國家基礎(chǔ)測(cè)繪的更新周期加快與高清衛(wèi)星影像的普遍應(yīng)用，帶動(dòng)了測(cè)繪行業(yè)的技術(shù)提升和工藝進(jìn)步。在航測(cè)外業(yè)工作的過程中，主要的工作是影像調(diào)繪和相片的控制點(diǎn)測(cè)量，傳統(tǒng)的作業(yè)模式是分組進(jìn)行各項(xiàng)工作，相片控制點(diǎn)測(cè)量采用衛(wèi)星定位接收機(jī)靜態(tài)觀測(cè)的方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率較低，新技術(shù)、新產(chǎn)品的應(yīng)用，使得工作效率得到了極大的提高。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)成功組網(wǎng)后，北斗終端接收機(jī)在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，提高了測(cè)量的精度、可靠性和穩(wěn)定性。將北斗多模高精度接收機(jī)應(yīng)用在航測(cè)外業(yè)中，結(jié)合特定的軟件，實(shí)現(xiàn)影像調(diào)繪、像片控制測(cè)量?jī)傻拦ば蛲阶鳂I(yè)，既能滿足調(diào)繪工作的無紙化、數(shù)字化，也能滿足控制點(diǎn)的精度要求，提高了工作效率。

本文通過對(duì)北斗多模高精度定位手持機(jī)的單點(diǎn)定位測(cè)試、研究，驗(yàn)證其精度及穩(wěn)定情況，并應(yīng)用在地理國情普查的項(xiàng)目中，在手持機(jī)上加載Emas調(diào)繪軟件，實(shí)現(xiàn)調(diào)繪和控制點(diǎn)測(cè)量的一機(jī)化、一體化，提高工作效率，從而加強(qiáng)對(duì)北斗高精度接收機(jī)單點(diǎn)測(cè)量應(yīng)用的研究。

一、北斗衛(wèi)星發(fā)展

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS)是我國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是繼美國全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GLONASS)之后第3個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段3部分組成，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并具短報(bào)文通信能力，已經(jīng)初步具備區(qū)域?qū)Ш健⒍ㄎ缓褪跁r(shí)能力，定位精度10m，測(cè)速精度0.2m/s，授時(shí)精度10ns。

我國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)從2000年就已經(jīng)開始，經(jīng)歷了十幾年的發(fā)展，在2012年底形成了在軌16顆衛(wèi)星，其中14顆組網(wǎng)，開始為我國及周邊地區(qū)提供區(qū)域服務(wù)，計(jì)劃在2020年建成全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(如圖1所示)。目前，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星總數(shù)增加到19顆，空間使用的星間鏈路技術(shù)，將與同年3月發(fā)射的一顆北斗衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)星間互聯(lián)互通，共同開展全球組網(wǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證工作，向2020年的全球服務(wù)又邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

圖1　BDS星組的4個(gè)軌道高度

二、測(cè)試情況背景

1. 測(cè)試背景

2013年國務(wù)院通過了決議，決定進(jìn)行國家第一次地理國情普查。地理國情主要是指地表自然和人文地理要素的空間分布、特征及其相互關(guān)系，是基本國情的重要組成部分。地理國情普查是一項(xiàng)重大的國情國力調(diào)查，是全面獲取地理國情信息的重要手段，是掌握地表自然、生態(tài)及人類活動(dòng)基本情況的基礎(chǔ)性工作。

地理國情普查需要對(duì)影像進(jìn)行野外調(diào)繪，同時(shí)對(duì)于西北地區(qū)，如新疆、青海、西藏等條件惡劣的地區(qū)，普查單位又有1∶10 000、1∶50 000地形圖像控點(diǎn)測(cè)量的需求。如何在這種條件和需求下，實(shí)現(xiàn)一種設(shè)備既輕便又快速地解決影像調(diào)繪和像控點(diǎn)測(cè)量的問題，減少作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，縮短工期，成為普查單位需要解決的重要技術(shù)難題。在此情況下，調(diào)繪圖紙的電子化和手持機(jī)單點(diǎn)定位的高精度成為了解決問題的關(guān)鍵。

在新疆、青海等惡劣條件地區(qū)進(jìn)行全覆蓋的相片調(diào)繪和像控點(diǎn)測(cè)量，普查單位采用了北斗高精度多模手持衛(wèi)星接收機(jī)，它是智能平臺(tái)，可搭載調(diào)繪專用軟件，調(diào)用電子影像圖進(jìn)行電子化標(biāo)繪，測(cè)量高精度的點(diǎn)位坐標(biāo)，避免了攜帶大量的紙質(zhì)圖紙，以及大重量的靜態(tài)測(cè)量設(shè)備，操作簡(jiǎn)單，測(cè)量速度快。因此，在新疆、青海等偏遠(yuǎn)地區(qū)，在無CORS站提供差分?jǐn)?shù)據(jù)和不采用靜態(tài)觀測(cè)的情況下，手持機(jī)的單點(diǎn)定位精度能否滿足1∶10 000、1∶50 000地形圖的要求，對(duì)項(xiàng)目的成功開展起著關(guān)鍵的作用。

2. 傳統(tǒng)靜態(tài)測(cè)量與單點(diǎn)測(cè)量的對(duì)比

(1) 靜態(tài)測(cè)量

常規(guī)衛(wèi)星定位測(cè)量有以下幾種方式：?jiǎn)吸c(diǎn)定位、偽距差分定位、載波相位定位，精度分別為5～10m、0.05～0.5m、2～5mm。單點(diǎn)定位是利用單臺(tái)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量；偽距差分定位則需要接收差分信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，一般是采用單臺(tái)設(shè)備借助CORS站或單基站進(jìn)行；載波相位定位是靜態(tài)后處理測(cè)量，一般需要多臺(tái)設(shè)備同時(shí)觀測(cè)。從使用的便捷性上來說單點(diǎn)定位要比靜態(tài)測(cè)量便捷方便得多。

靜態(tài)測(cè)量要用多臺(tái)衛(wèi)星定位接收機(jī)組網(wǎng)，在不同的測(cè)站上進(jìn)行同步觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間由40min到十幾小時(shí)不等。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，將接收機(jī)天線的位置作為一個(gè)不隨時(shí)間改變的常量，通過接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)的變化來求得待定點(diǎn)的坐標(biāo)。需要3組或更多的人員，在不同測(cè)站同步觀測(cè)。將測(cè)量的已知點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理解算得出測(cè)量結(jié)果。靜態(tài)測(cè)量雖然精度高，但速度慢、效率低，需要的人員和設(shè)備相對(duì)數(shù)量多，數(shù)據(jù)解算復(fù)雜。

(2) 單點(diǎn)測(cè)量

高精度單點(diǎn)測(cè)量是由單臺(tái)設(shè)備直接接收衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行定位的。在北斗衛(wèi)星系統(tǒng)開始服務(wù)后，GPS、BDS、GLONASS多衛(wèi)星系統(tǒng)聯(lián)合解算，使單點(diǎn)定位的精度得到了大幅度的提高，從而使單點(diǎn)定位精度達(dá)到1∶50 000地形圖的外業(yè)采集控制點(diǎn)精度變?yōu)榭赡?。在多星組合定位后，參與解算的衛(wèi)星顆數(shù)經(jīng)常是20顆以上。加強(qiáng)了星座組網(wǎng)的幾何結(jié)構(gòu)(GDOP)，而且滿足截止高度角(elevationmaskangle)的要求觀測(cè)值機(jī)率增大。

在多星組合測(cè)試中，記錄的HDOP與VDOP的比值大多數(shù)都在1∶(1.2 ～1.3)，超過1∶1.5較少，說明北斗衛(wèi)星提高了大地高的精度。究其原因是在空間后方交會(huì)解算中有了4個(gè)軌道高度(如圖1所示)。GPS軌道為20 200km，BDS(GEO)軌道為36 000km，BDS(IGSO)軌道為36 000km，BDS(MEO)軌道為21 540km。對(duì)大地高H的解算，類似攝影測(cè)量用多個(gè)平高點(diǎn)來提高交會(huì)的高程精度，以基高比控制保證高程精度道理一樣。VDOP值決定高程精度，衛(wèi)星的分布(GDOP)情況不好，導(dǎo)致交會(huì)角度過大、過小都影響VDOP值變化。

髙精度單點(diǎn)測(cè)量操作簡(jiǎn)單，單人單機(jī)即可操作，實(shí)時(shí)定位解算結(jié)果速度快、效率高、成本低。

在西北地區(qū)，普查單位對(duì)1∶50 000地形圖的外業(yè)控制點(diǎn)采集方案主要是靜態(tài)方式和單點(diǎn)定位方式，比對(duì)情況見表1。

表1　野外測(cè)量方式的內(nèi)容比對(duì)

通過表1方案的比對(duì)可發(fā)現(xiàn)，若精度能達(dá)到1∶50 000地形圖像控點(diǎn)精度的要求，則從各方面來看單點(diǎn)定位測(cè)量都將是最優(yōu)的方案。

三、測(cè)試方案

1. 方案1

在中國多個(gè)地區(qū)對(duì)北斗高精度多模手持衛(wèi)星接收機(jī)的單點(diǎn)定位精度進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試的精度以國家基礎(chǔ)測(cè)繪的1∶50 000地形圖限差規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)，要求見表2。

2. 方案2

測(cè)試設(shè)備選用GPS/北斗雙系統(tǒng)單頻的北斗華宸CC20高精度手持機(jī)，測(cè)量點(diǎn)位的操作步驟如下：

1) 手持機(jī)設(shè)備安放在特別制作的托盤上，然后放置于三腳式對(duì)中桿上，測(cè)試中對(duì)中桿應(yīng)整平。裝置如圖2所示。

表2　1∶50 000地形圖規(guī)范　m

圖2　雙星系統(tǒng)髙精度單點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)

2) 開啟手持機(jī)測(cè)量軟件CompRTK，使手持機(jī)保持收星狀態(tài)穩(wěn)定2min后，待觀測(cè)值的PDOP值小于2，HDOP、VDOP、HRMS、VRMS等估算精度保持在最小的狀態(tài)時(shí)，使用單點(diǎn)連續(xù)測(cè)量功能進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)入自動(dòng)觀測(cè)階段，每秒采集一個(gè)點(diǎn)，測(cè)量時(shí)間為5min。測(cè)量過程中人要盡量遠(yuǎn)離儀器架，對(duì)中桿高度調(diào)節(jié)到1.2m以上，減少對(duì)測(cè)量的干擾。

3) 對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，剔除與中值偏差較大的數(shù)據(jù)，然后取平均值，得到最終的點(diǎn)位坐標(biāo)。

四、測(cè)試結(jié)果

在北京、西安、新疆、哈爾濱等地進(jìn)行了單點(diǎn)的測(cè)試，在已知點(diǎn)上進(jìn)行測(cè)量，然后將測(cè)量結(jié)果整理后與已知坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比， 現(xiàn)將部分地區(qū)測(cè)試的情況及

結(jié)果匯總?cè)缦隆?/p>

1. 北京測(cè)試情況

對(duì)北京某個(gè)測(cè)試場(chǎng)樓頂?shù)囊阎c(diǎn)進(jìn)行了點(diǎn)位測(cè)試。測(cè)試點(diǎn)在6層樓的樓頂，周圍無遮擋，對(duì)空條件好，測(cè)試時(shí)間在上午。將測(cè)量的結(jié)果規(guī)算到CGCS2000坐標(biāo)系下與已知坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果見表3。

表3　北京測(cè)試情況

以上測(cè)量結(jié)果是經(jīng)緯度坐標(biāo)，與已知點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)規(guī)劃后形成最終的差值。從表3可以看出，在對(duì)空條件好、無遮擋的情況下，單點(diǎn)定位的精度可以完全滿足1∶50 000地形圖的平面控制精度要求。

2. 新疆測(cè)試情況

在新疆的某作業(yè)區(qū)對(duì)4個(gè)國家等級(jí)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，坐標(biāo)系是1980西安坐標(biāo)系，對(duì)4個(gè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果與已知結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。其中ΔS=(ΔX2+ΔY2)1/2，高程精度按mH=[ΔHΔH]1/2/n計(jì)算，結(jié)果見表4—表7。

表4　m

從表4—表7可以看出,前3個(gè)表中測(cè)量環(huán)境較好，數(shù)據(jù)結(jié)果都能夠滿足1∶50 000地形圖的平面控制精度要求，最后一個(gè)表格中測(cè)量環(huán)境周圍有樹木遮擋，測(cè)量環(huán)境較差，測(cè)量結(jié)果未達(dá)到精度要求。

綜合以上兩地的測(cè)試情況，在對(duì)空條件好、無遮擋的情況下，單點(diǎn)定位的精度可以完全滿足1∶50 000地形圖的平面控制精度要求。

表5　m

表6　m

表7　m

五、結(jié)論

自從2012年12月27日國家正式公布北斗衛(wèi)星導(dǎo)航電文后，國內(nèi)導(dǎo)航產(chǎn)品公司相繼推出以北斗輔助GPS的多模高精度手持機(jī)，將單點(diǎn)定位精度由原來的5～10m提升到了1m左右，滿足了用戶在特定條件下的使用需求，尤其是在西北偏遠(yuǎn)地區(qū)的航測(cè)外業(yè)中發(fā)揮了較大的作用，通過在各地的測(cè)試過程和數(shù)據(jù)，可以得出一些精度上的結(jié)果：

1) 單頻GPS+BDS效果良好。北斗的16顆衛(wèi)星在中國及周邊地區(qū)上空，帶來的QLSS(準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng))效應(yīng)也是提高觀測(cè)精度的因素。

2) 單頻GPS+BDS+SABS精度不均等。連接日本的MSAS的 129、137衛(wèi)星提供的廣域差分?jǐn)?shù)據(jù)，在東南沿海地區(qū)，定位精度在0.2～1m之間，但SABS在我國的中西部地區(qū)使用，精度在2～5m之間，拉低了在該地區(qū)的GPS+BDS的組合精度。

3) 單頻GPS+GLONASS的精度在我國為西北高，東南低。與GPS+BDS相比，GPS+GLONASS衛(wèi)星星座在高緯度地區(qū)可見性較好。因此，在我國西部、北部測(cè)量精度較好。

4) 單頻GPS+BDS+GLONASS精度穩(wěn)定性好，加入GLONASS系統(tǒng)后，三星系統(tǒng)收星數(shù)可達(dá)30余顆。目前測(cè)試來看，相比GPS+BDS精度不會(huì)有更高提升，但會(huì)提高精度的穩(wěn)定性。

5) 雙頻多系統(tǒng)衛(wèi)星組合單點(diǎn)平面精度相比單頻多系統(tǒng)衛(wèi)星組合單點(diǎn)精度有一定的提高，最高可提高0.2m左右，其他性能指標(biāo)基本相似。

通過這次測(cè)試驗(yàn)證，使用單頻GPS+BDS的雙星系統(tǒng)高精度手持機(jī)，在對(duì)空條件好的情況下，平面測(cè)量精度能夠滿足航測(cè)外業(yè)1∶50 000地形圖的精度要求，將大大提高外業(yè)測(cè)量效率。

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Application of Hand-held High Precision Beidou Satellite Navigation System intheAerialFieldSurvey

LI Jun，WANG Yixiu

收稿日期：2016-03-09

作者簡(jiǎn)介：李軍(1965—)，男，工程師，主要從事攝影測(cè)量外業(yè)及相關(guān)管理方面的工作。E-mail：624780384@qq.com

中圖分類號(hào)：P228

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)06-0069-04

引文格式： 李軍，王義修. 北斗高精度手持機(jī)在航測(cè)外業(yè)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(6)：69-72.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0192.