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(qiáng)下的天津市三維測繪基準(zhǔn)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(zhǔn)框架和滿足高精度、實(shí)時、動態(tài)需要，天津市建立了基于北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的三維測繪基準(zhǔn)體系。本文對該系統(tǒng)進(jìn)行了功能、性能和似大地水準(zhǔn)面精化模型正確性等方面的檢測，結(jié)果表明其各項(xiàng)功能指標(biāo)、性能指標(biāo)、精度指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計及規(guī)范要求，滿足了建立高精度統(tǒng)一基準(zhǔn)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(qiáng)；三維測繪基準(zhǔn)；基準(zhǔn)框架

近年來，天津市原有測繪基準(zhǔn)體系在城市經(jīng)濟(jì)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(jì)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(jì)建設(shè)的需要；基礎(chǔ)控制成果破壞嚴(yán)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(jì)發(fā)展重點(diǎn)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(jìn)、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(biāo)系以來，建立了天津CGCS2000測繪基準(zhǔn)并確定了1990天津任意直角坐標(biāo)系、1954北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系、CGCS2000坐標(biāo)系相互之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，這是一項(xiàng)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(zhǔn)框架和滿足高精度、實(shí)時、動態(tài)需要，天津市采用先進(jìn)的現(xiàn)代測繪理論和技術(shù)建立基于北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的三維測繪基準(zhǔn)體系[2]。為了評價該系統(tǒng)的各項(xiàng)功能指標(biāo)、性能指標(biāo)、精度指標(biāo)是否達(dá)到設(shè)計及規(guī)范要求，本文對功能和性能方面進(jìn)行了檢測和評估。

一、天津市北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)概況

北斗地基增強(qiáng)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(qiáng)系統(tǒng)[3]。其地面基準(zhǔn)站間距為30～70 km，可通過地面通信系統(tǒng)播發(fā)實(shí)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)高精度定位[4-5]。

天津北斗地基增強(qiáng)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(jī)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(zhǔn)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(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)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(zhǔn)站的運(yùn)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(shí)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(jìn)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(yùn)行的方案，提出了一套顧及參數(shù)保密的實(shí)時地方坐標(biāo)、正常高播發(fā)方案，實(shí)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(yùn)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(dá)到設(shè)計指標(biāo)。

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(diǎn)上完成，分別進(jìn)行GPS、BDS、GPS+BDS信號組合測試。每個點(diǎn)上進(jìn)行5次初始化測量，每次測量均先斷開接收機(jī)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(diǎn)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(diǎn)參考站上進(jìn)行。采用GAMIT軟件分別對GPS、BDS、GPS+BDS組合進(jìn)行基線解算，以該結(jié)果作為基準(zhǔn)。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(jìn)行數(shù)據(jù)處理，解算結(jié)果與基準(zhǔn)進(jìn)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(jìn)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(diǎn)進(jìn)行平差，將平差后的點(diǎn)位結(jié)果與已知點(diǎn)進(jìn)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(dá)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(dá)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(diǎn)的坐標(biāo)差異，對RTK測量進(jìn)行精度外符合精度統(tǒng)計，即每個點(diǎn)位的外符合中誤差為該點(diǎn)上每秒記錄的坐標(biāo)位置與已知位置的較差。南方系統(tǒng)的平均中誤差x方向?yàn)?.010m，y方向?yàn)?.009m，H方向?yàn)?.023m；天寶系統(tǒng)的平均中誤差x方向?yàn)?.008m，y方向?yàn)?.007m，H方向?yàn)?.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(zhǔn)面精化正確性檢測

采用與似大地水準(zhǔn)面精化模型觀測時間相同的18個檢驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行似大地水準(zhǔn)面精化正確性檢驗(yàn)。檢核點(diǎn)均為同期埋設(shè)的檢核點(diǎn)。檢驗(yàn)的統(tǒng)計結(jié)果見表2。

似大地水準(zhǔn)面精化采用18個GNSS/水準(zhǔn)檢核點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，統(tǒng)計中誤差為0.7cm，滿足似大地水準(zhǔn)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(qiáng)的三維測繪基準(zhǔn)體系進(jìn)行了功能、性能和似大地水準(zhǔn)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(yùn)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(dá)到設(shè)計指標(biāo)；靜態(tài)定位精度可以達(dá)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(zhǔn)面精化的統(tǒng)計中誤差為0.7cm，滿足似大地水準(zhǔn)面精化技術(shù)設(shè)計要求。

表2　似大地水準(zhǔn)面精化檢驗(yàn)精度統(tǒng)計表　m

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

ZHU Dayong，ZHANG Weidong

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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