趙留峰

（沐城測繪（北京）有限公司，北京 100020）

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在大地測量工程中應(yīng)用，不僅可以提高測繪工作效率，還能確保實(shí)際測量精度。但是受到北斗系統(tǒng)了解不足、應(yīng)用要點(diǎn)把握不準(zhǔn)、技術(shù)聯(lián)合運(yùn)用較少等因素影響，使得實(shí)際測量工作質(zhì)量無法得到切實(shí)保障。需要加強(qiáng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)研究與分析，并結(jié)合大地測量工程實(shí)際情況，嚴(yán)格遵循北斗系統(tǒng)工作原理及作業(yè)流程進(jìn)行操作，使北斗系統(tǒng)測繪優(yōu)勢得到充分發(fā)揮，實(shí)際測量工作任務(wù)也能圓滿完成[1]。

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的基本概述

1.1 系統(tǒng)組成

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是由我國自行研制開發(fā)和獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)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(gòu)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(xiàng)系統(tǒng)發(fā)揮作用，可以在全球范圍內(nèi)為各類用戶提供全天候和高精度的定位、導(dǎo)航、授時等服務(wù)[2]。

圖1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)組成

1.2 工作原理

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)工作原理與其他導(dǎo)航系統(tǒng)較為類似。實(shí)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(jī)為主要工作設(shè)備。在將該項(xiàng)設(shè)備固定在特定位置以后，就可以依托衛(wèi)星接收相關(guān)信息，并在此基礎(chǔ)上利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算處理和數(shù)據(jù)誤差修復(fù)，確保所得數(shù)據(jù)信息擁有較好的精度。由于北斗導(dǎo)航接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星定位信息是隨機(jī)的，因此要保證結(jié)果精度，就要同時有3 個及以上衛(wèi)星進(jìn)行定位信息接收。同時，還可以對空間固定坐標(biāo)系統(tǒng)和地固坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)用，實(shí)際測繪中可以根據(jù)工程具體情況對合適的系統(tǒng)進(jìn)行選擇與運(yùn)用，并在基準(zhǔn)站位置設(shè)置1臺北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)信號接收機(jī)，可以對地質(zhì)進(jìn)行連續(xù)觀測，針對觀測獲得的地質(zhì)信息也能直接通過無線電進(jìn)行儲存與傳輸[3]。

1.3 GPS 比較

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)與GPS 系統(tǒng)進(jìn)行比較，涉及內(nèi)容有：①覆蓋范圍。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是覆蓋中國本土及周圍區(qū)域的導(dǎo)航系統(tǒng)，GPS 信號則是覆蓋全球的。②衛(wèi)星數(shù)量。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)設(shè)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(shè)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(zhǔn)同步軌道，繞地球一周時間為11 h 58 min。③定位原理。北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)本質(zhì)上是一種主動式雙向測距的二維導(dǎo)航系統(tǒng)，并通過地面中心控制系統(tǒng)進(jìn)行解算操作，就可以為用戶提供較為精準(zhǔn)的三維定位數(shù)據(jù)。GPS 實(shí)質(zhì)上是一種被動式偽碼單項(xiàng)測距三維導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)際開展工作需要由用戶設(shè)備進(jìn)行獨(dú)立解算，以獲得自己的三維定位數(shù)據(jù)。④定位精度。北斗衛(wèi)星導(dǎo)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(dǎo)航定位系統(tǒng)是一種主動雙向測距詢問的應(yīng)答式系統(tǒng)，并且終端用戶設(shè)備和地球同步衛(wèi)星，需要地面中心控制系統(tǒng)對信號進(jìn)行詢問與接收，整個過程終端用戶設(shè)備也要向同步衛(wèi)星發(fā)射應(yīng)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(yīng)頻率等。GPS 由于是單項(xiàng)測距系統(tǒng)，用戶設(shè)備在接收到衛(wèi)星發(fā)出導(dǎo)航電文以后就可以完成測距定位，因此用戶設(shè)備容量是無限的。總之，在對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)和GPS 系統(tǒng)進(jìn)行對比分析以后，可以發(fā)現(xiàn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)兼具通信與定位功能，并且因?yàn)槿娓采w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(wù)，整個過程也不會出現(xiàn)通信盲區(qū)情況。再加上北斗系統(tǒng)是我國研發(fā)設(shè)計(jì)的自主系統(tǒng)，在高強(qiáng)度加密設(shè)計(jì)以后也擁有較高的安全性和可靠性，關(guān)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(dǎo)航定位系統(tǒng)在大地測量工程中的應(yīng)用

2.1 地籍測量

地籍測量是一種政府行為，實(shí)際作業(yè)需要利用現(xiàn)代測繪技術(shù)，對土地界限、土地面積和土地所有權(quán)進(jìn)行確定，針對土地利用類型、分布情況和質(zhì)量水平也能通過測繪有效反映出來。在進(jìn)行地籍測繪時，對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用，就可以以此為基礎(chǔ)對地籍測控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效建立。執(zhí)行時要注意嚴(yán)格遵照《城鎮(zhèn)地籍測繪程序》相關(guān)要求，將地籍測繪使用的網(wǎng)絡(luò)分成一二級邊角網(wǎng)、一二級導(dǎo)線網(wǎng)等，通過將其運(yùn)用到不同規(guī)模的監(jiān)測地區(qū)，促進(jìn)地籍測繪工作順利高效地完成。具體內(nèi)容包括：①地籍控制測繪。在采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)對地籍測繪進(jìn)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(zhǔn)確度與分級控制精度相互匹配，控制點(diǎn)的選擇也極大滿足實(shí)際選點(diǎn)要求，就可以有效控制相鄰點(diǎn)的誤差低于5 cm，使地籍控制測繪網(wǎng)絡(luò)精度完全達(dá)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(jìn)行動態(tài)監(jiān)測時，通常會采用簡單補(bǔ)測法進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，不過這種方法只適合運(yùn)用到變化范圍較小和變化特征明顯的目標(biāo)點(diǎn)情況，若出現(xiàn)變化范圍大、目標(biāo)物體較小的情況，就會出現(xiàn)監(jiān)測效率低下的問題。這時候?qū)Ρ倍沸l(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)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(diǎn)，極大滿足土地利用條件調(diào)查和動態(tài)監(jiān)測準(zhǔn)確度較高的要求，土地使用調(diào)查情況及時性和數(shù)值監(jiān)測準(zhǔn)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(xiàng)目中扮演著十分重要的角色，并且該項(xiàng)工作開展好壞也會直接影響到工程項(xiàng)目后續(xù)安全順利地實(shí)施。在開展工程項(xiàng)目施工作業(yè)之前，應(yīng)該對施工地址進(jìn)行全面細(xì)致地調(diào)查，并根據(jù)獲得的地貌、水文等信息，為工程設(shè)計(jì)提供精準(zhǔn)可靠的尺度圖與地形數(shù)據(jù)。同時，在工程施工和運(yùn)營階段，也要對工程測量工作引起關(guān)注，特別是在定位建筑物、測繪周圍環(huán)境、測繪運(yùn)行情況等方面，可以及時發(fā)現(xiàn)工程項(xiàng)目存在的異常情況，并結(jié)合實(shí)際采用有效措施進(jìn)行預(yù)防控制，避免安全、質(zhì)量等事故問題發(fā)生。執(zhí)行時對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用，就要對起始參考點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)設(shè)置，針對起始點(diǎn)的準(zhǔn)確性也要加強(qiáng)檢查，確保其與觀測點(diǎn)之間具有較好的位置分布。在利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)觀測時，要根據(jù)工程測繪相關(guān)測繪精度與誤差要求，設(shè)置3～5 個高位控制點(diǎn)，針對基站的坐標(biāo)也要確保所有方位角一致與準(zhǔn)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(shù)分別設(shè)置為45 min、15°和10 s，在完成接收天線設(shè)置工作以后就可以開始觀測，并通過基線解決方案和網(wǎng)絡(luò)調(diào)整兩個階段，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)獲得觀測數(shù)據(jù)信息的有效處理。整個過程要注意對系統(tǒng)控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)質(zhì)量進(jìn)行檢查，必要情況下還可以開展現(xiàn)場重新測試工作，以通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)整獲得更為精準(zhǔn)的三維坐標(biāo)，為工程項(xiàng)目實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)。

3 實(shí)際案例分析

3.1 工程概況

某煤礦項(xiàng)目位于黑龍江省密山市太平鄉(xiāng)境內(nèi)，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(gòu)造為不對稱的復(fù)向斜構(gòu)造。因此經(jīng)過綜合考慮分析以后決定采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位實(shí)時動態(tài)測量系統(tǒng)進(jìn)行測量作業(yè)，以通過對堪察區(qū)進(jìn)行連續(xù)性觀測，有效解算出三維坐標(biāo)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(jìn)工程項(xiàng)目安全順利地進(jìn)行[7]。

3.2 測量過程

基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)開展工程項(xiàng)目測繪工作，具體過程包括：①測量點(diǎn)位選擇。在對測量點(diǎn)位進(jìn)行選擇時，需要對勘察區(qū)域?qū)嶋H情況進(jìn)行了解，并根據(jù)測量工作開展實(shí)質(zhì)要求，盡可能地選擇地勢較為平坦、交通便捷順暢和數(shù)據(jù)容易貯存的地方，對測量點(diǎn)位進(jìn)行科學(xué)設(shè)置。針對不同點(diǎn)位之間也要對距離進(jìn)行有效控制，并通過保證點(diǎn)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(chǔ)。實(shí)踐中，可以在地勢平坦和操作方便的區(qū)域設(shè)置測量點(diǎn)位，并使點(diǎn)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(shù)據(jù)不夠真實(shí)準(zhǔn)確情況發(fā)生。在完成點(diǎn)位設(shè)置以后，就可以按照相關(guān)工作規(guī)定對標(biāo)志樁進(jìn)行設(shè)定，整個過程也要做好記錄工作，避免對后續(xù)測量工作產(chǎn)生不利的影響。②北斗衛(wèi)星布網(wǎng)。在完成測量點(diǎn)位選擇與布置工作以后，就可以開展北斗衛(wèi)星布網(wǎng)工作。執(zhí)行時要根據(jù)該項(xiàng)目勘察目標(biāo)及網(wǎng)形規(guī)劃，對相應(yīng)圖形進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確計(jì)算，并從增強(qiáng)成果合理性角度入手，對測量誤差進(jìn)行有效控制，甚至還可以將附和線路設(shè)置出來，以在完成組網(wǎng)工作以后根據(jù)星歷預(yù)報(bào)制定科學(xué)測量計(jì)劃[8]。③開展觀測工作。在開展監(jiān)測測量工作時，要根據(jù)相關(guān)規(guī)定選擇出3 個點(diǎn)位，并在此基礎(chǔ)上設(shè)置3 臺接收機(jī)，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(yùn)用靜態(tài)相對定位技術(shù)進(jìn)行觀測作業(yè)時，除了要對天線高度進(jìn)行有效測試，還要嚴(yán)格按照接收端提示輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，以完成對各項(xiàng)監(jiān)測信息的自動化記錄、保管與分析。④數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)信息進(jìn)行整體分析，由于該項(xiàng)工作主要分基線解算和網(wǎng)平差2 個環(huán)節(jié)進(jìn)行，因此操作時就可以借助隨機(jī)軟件進(jìn)行作業(yè)，并根據(jù)所得結(jié)果進(jìn)行異步環(huán)和同步環(huán)審查，使之能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖2 所示。⑤作業(yè)精度統(tǒng)計(jì)。在整個測量工作中，主要采用了3 種方法進(jìn)行精度檢測。第一種是在已知點(diǎn)架設(shè)移動站，并在采集數(shù)據(jù)信息過程中，對得出坐標(biāo)與正確值進(jìn)行比較，總共檢測了3 個點(diǎn)，見表1。第二種是分不同時段對特征點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)測量，在比較差值中完成精度檢測工作，這類點(diǎn)總共有10 個，見表2。第三種是使用全站儀對相鄰兩地形點(diǎn)的高差和距離進(jìn)行檢測，這類點(diǎn)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(dá)到工程精度要求[9]。

表1 移動站監(jiān)測所得坐標(biāo)與正確值比較

表2 選取25 min 時間段特征點(diǎn)高程坐標(biāo)測量結(jié)果

圖2 高精度北斗基線解算軟件處理結(jié)果

3.3 應(yīng)用體會

對本次應(yīng)用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)開展工程測量工作，發(fā)現(xiàn)實(shí)踐應(yīng)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(shù)方法進(jìn)行運(yùn)用，需要投入較多的人力物力財(cái)力，將北斗衛(wèi)星導(dǎo)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(xiàng)目測量工作開展總共花費(fèi)了120 min，并且除去前期準(zhǔn)備工作和后續(xù)分析處理消耗時間，實(shí)際測量時間控制在45 min 左右，再根據(jù)接收站接收到的數(shù)據(jù)信息運(yùn)用計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件進(jìn)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(dǎo)航定位系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一種新的技術(shù)，將之運(yùn)用到各種復(fù)雜工程測量中，可以獲得較為準(zhǔn)確的測量結(jié)果，并為工程有效實(shí)施提供較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，所得結(jié)果也可以達(dá)到毫米和亞毫米的精確度，可以極大滿足精確測量實(shí)質(zhì)要求[10]。③較傳統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢突出。特別是在與GPS 技術(shù)相比較，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)已基本實(shí)現(xiàn)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(wù)，并且北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)所采用的是三頻定位技術(shù)，相較于GPS 二頻定位精度可以達(dá)到2 cm。另外，在偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行工程測量工作，容易出現(xiàn)信號較弱的情況，對北斗系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)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(shí)滿足不同地區(qū)工程測量工作實(shí)質(zhì)需要。

4 結(jié)束語

本文是對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在大地測量工程中的應(yīng)用進(jìn)行分析。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在各領(lǐng)域中也得到十分廣泛的應(yīng)用，并為新時期開展大地工程測量工作提供有力技術(shù)方法支持。實(shí)踐中，要充分發(fā)揮出北斗衛(wèi)星導(dǎo)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(jìn)行細(xì)致分析與牢固把握，然后根據(jù)地籍測量、工程測量等實(shí)際情況及工作要求，深化落實(shí)好測量點(diǎn)位選擇布置、構(gòu)建北斗監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、組織開展觀測活動、加強(qiáng)數(shù)據(jù)處理分析和重視結(jié)果精度檢查等工作，以確保測量結(jié)果真實(shí)準(zhǔn)確，并為后續(xù)土地開發(fā)利用和工程建設(shè)施工提供有力信息參考。