北斗高精度手持機在航測外業(yè)中的應用

李　軍，王義修

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

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北斗高精度手持機在航測外業(yè)中的應用

李軍1，王義修2

(1. 陜西省第二測繪院，陜西 西安 710054； 2. 山東北斗華宸導航技術有限公司，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)的高精度接收機得到了快速的發(fā)展，單點測量的定位精度得到了一定的提高，通過在北京、新疆等地的測試，對北斗多星系統(tǒng)的高精度手持機的精度進行了檢測，改進了原有的航測外業(yè)作業(yè)模式，促進了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在航測外業(yè)中的新應用。

關鍵詞：全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)；北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)；手持機； 精密單點定位；航測外業(yè)

國家基礎測繪的更新周期加快與高清衛(wèi)星影像的普遍應用，帶動了測繪行業(yè)的技術提升和工藝進步。在航測外業(yè)工作的過程中，主要的工作是影像調繪和相片的控制點測量，傳統(tǒng)的作業(yè)模式是分組進行各項工作，相片控制點測量采用衛(wèi)星定位接收機靜態(tài)觀測的方式，勞動強度大、效率較低，新技術、新產品的應用，使得工作效率得到了極大的提高。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)成功組網后，北斗終端接收機在各個行業(yè)的應用得到了長足的發(fā)展，提高了測量的精度、可靠性和穩(wěn)定性。將北斗多模高精度接收機應用在航測外業(yè)中，結合特定的軟件，實現(xiàn)影像調繪、像片控制測量兩道工序同步作業(yè)，既能滿足調繪工作的無紙化、數(shù)字化，也能滿足控制點的精度要求，提高了工作效率。

本文通過對北斗多模高精度定位手持機的單點定位測試、研究，驗證其精度及穩(wěn)定情況，并應用在地理國情普查的項目中，在手持機上加載Emas調繪軟件，實現(xiàn)調繪和控制點測量的一機化、一體化，提高工作效率，從而加強對北斗高精度接收機單點測量應用的研究。

一、北斗衛(wèi)星發(fā)展

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS)是我國自行研制的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是繼美國全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GLONASS)之后第3個成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段3部分組成，可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，并具短報文通信能力，已經初步具備區(qū)域導航、定位和授時能力，定位精度10m，測速精度0.2m/s，授時精度10ns。

我國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的建設從2000年就已經開始，經歷了十幾年的發(fā)展，在2012年底形成了在軌16顆衛(wèi)星，其中14顆組網，開始為我國及周邊地區(qū)提供區(qū)域服務，計劃在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，將與同年3月發(fā)射的一顆北斗衛(wèi)星實現(xiàn)星間互聯(lián)互通，共同開展全球組網試驗驗證工作，向2020年的全球服務又邁出了堅實的一步。

圖1　BDS星組的4個軌道高度

二、測試情況背景

1. 測試背景

2013年國務院通過了決議，決定進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、特征及其相互關系，是基本國情的重要組成部分。地理國情普查是一項重大的國情國力調查，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)及人類活動基本情況的基礎性工作。

地理國情普查需要對影像進行野外調繪，同時對于西北地區(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地形圖像控點測量的需求。如何在這種條件和需求下，實現(xiàn)一種設備既輕便又快速地解決影像調繪和像控點測量的問題，減少作業(yè)人員的勞動強度，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難題。在此情況下，調繪圖紙的電子化和手持機單點定位的高精度成為了解決問題的關鍵。

在新疆、青海等惡劣條件地區(qū)進行全覆蓋的相片調繪和像控點測量，普查單位采用了北斗高精度多模手持衛(wèi)星接收機，它是智能平臺，可搭載調繪專用軟件，調用電子影像圖進行電子化標繪，測量高精度的點位坐標，避免了攜帶大量的紙質圖紙，以及大重量的靜態(tài)測量設備，操作簡單，測量速度快。因此，在新疆、青海等偏遠地區(qū)，在無CORS站提供差分數(shù)據和不采用靜態(tài)觀測的情況下，手持機的單點定位精度能否滿足1∶10 000、1∶50 000地形圖的要求，對項目的成功開展起著關鍵的作用。

2. 傳統(tǒng)靜態(tài)測量與單點測量的對比

(1) 靜態(tài)測量

常規(guī)衛(wèi)星定位測量有以下幾種方式：單點定位、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。單點定位是利用單臺設備進行測量；偽距差分定位則需要接收差分信號進行測量，一般是采用單臺設備借助CORS站或單基站進行；載波相位定位是靜態(tài)后處理測量，一般需要多臺設備同時觀測。從使用的便捷性上來說單點定位要比靜態(tài)測量便捷方便得多。

靜態(tài)測量要用多臺衛(wèi)星定位接收機組網，在不同的測站上進行同步觀測，觀測時間由40min到十幾小時不等。在數(shù)據處理時，將接收機天線的位置作為一個不隨時間改變的常量，通過接收到的衛(wèi)星數(shù)據的變化來求得待定點的坐標。需要3組或更多的人員，在不同測站同步觀測。將測量的已知點數(shù)據進行后處理解算得出測量結果。靜態(tài)測量雖然精度高，但速度慢、效率低，需要的人員和設備相對數(shù)量多，數(shù)據解算復雜。

(2) 單點測量

高精度單點測量是由單臺設備直接接收衛(wèi)星信號進行定位的。在北斗衛(wèi)星系統(tǒng)開始服務后，GPS、BDS、GLONASS多衛(wèi)星系統(tǒng)聯(lián)合解算，使單點定位的精度得到了大幅度的提高，從而使單點定位精度達到1∶50 000地形圖的外業(yè)采集控制點精度變?yōu)榭赡?。在多星組合定位后，參與解算的衛(wèi)星顆數(shù)經常是20顆以上。加強了星座組網的幾何結構(GDOP)，而且滿足截止高度角(elevationmaskangle)的要求觀測值機率增大。

在多星組合測試中，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解算中有了4個軌道高度(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。對大地高H的解算，類似攝影測量用多個平高點來提高交會的高程精度，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，導致交會角度過大、過小都影響VDOP值變化。

髙精度單點測量操作簡單，單人單機即可操作，實時定位解算結果速度快、效率高、成本低。

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

表1　野外測量方式的內容比對

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

三、測試方案

1. 方案1

在中國多個地區(qū)對北斗高精度多模手持衛(wèi)星接收機的單點定位精度進行測試。

測試的精度以國家基礎測繪的1∶50 000地形圖限差規(guī)范為標準，要求見表2。

2. 方案2

測試設備選用GPS/北斗雙系統(tǒng)單頻的北斗華宸CC20高精度手持機，測量點位的操作步驟如下：

1) 手持機設備安放在特別制作的托盤上，然后放置于三腳式對中桿上，測試中對中桿應整平。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)髙精度單點測量系統(tǒng)

2) 開啟手持機測量軟件CompRTK，使手持機保持收星狀態(tài)穩(wěn)定2min后，待觀測值的PDOP值小于2，HDOP、VDOP、HRMS、VRMS等估算精度保持在最小的狀態(tài)時，使用單點連續(xù)測量功能進行測量，進入自動觀測階段，每秒采集一個點，測量時間為5min。測量過程中人要盡量遠離儀器架，對中桿高度調節(jié)到1.2m以上，減少對測量的干擾。

3) 對測量的數(shù)據進行分析，剔除與中值偏差較大的數(shù)據，然后取平均值，得到最終的點位坐標。

四、測試結果

在北京、西安、新疆、哈爾濱等地進行了單點的測試，在已知點上進行測量，然后將測量結果整理后與已知坐標進行對比， 現(xiàn)將部分地區(qū)測試的情況及

結果匯總如下。

1. 北京測試情況

對北京某個測試場樓頂?shù)囊阎c進行了點位測試。測試點在6層樓的樓頂，周圍無遮擋，對空條件好，測試時間在上午。將測量的結果規(guī)算到CGCS2000坐標系下與已知坐標進行對比，測試結果見表3。

表3　北京測試情況

以上測量結果是經緯度坐標，與已知點進行比對規(guī)劃后形成最終的差值。從表3可以看出，在對空條件好、無遮擋的情況下，單點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. 新疆測試情況

在新疆的某作業(yè)區(qū)對4個國家等級點進行實際測量，坐標系是1980西安坐標系，對4個點的測量結果與已知結果進行對比。其中ΔS=(ΔX2+ΔY2)1/2，高程精度按mH=[ΔHΔH]1/2/n計算，結果見表4—表7。

表4　m

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

綜合以上兩地的測試情況，在對空條件好、無遮擋的情況下，單點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、結論

自從2012年12月27日國家正式公布北斗衛(wèi)星導航電文后，國內導航產品公司相繼推出以北斗輔助GPS的多模高精度手持機，將單點定位精度由原來的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，尤其是在西北偏遠地區(qū)的航測外業(yè)中發(fā)揮了較大的作用，通過在各地的測試過程和數(shù)據，可以得出一些精度上的結果：

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(準天頂衛(wèi)星系統(tǒng))效應也是提高觀測精度的因素。

2) 單頻GPS+BDS+SABS精度不均等。連接日本的MSAS的 129、137衛(wèi)星提供的廣域差分數(shù)據，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30余顆。目前測試來看，相比GPS+BDS精度不會有更高提升，但會提高精度的穩(wěn)定性。

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

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

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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

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

中圖分類號：P228

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)06-0069-04

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