北斗衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)GNSS控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

付崇偉,趙五小,邢偉

(61206部隊(duì),天津 300140)

北斗衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)GNSS控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

付崇偉,趙五小,邢偉

(61206部隊(duì),天津 300140)

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)GNSS控制網(wǎng)是為北斗衛(wèi)星發(fā)射提供高精度的位置基準(zhǔn)、射向基準(zhǔn)及軌道測(cè)控基準(zhǔn),本文針對(duì)發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)GNSS控制網(wǎng)建立技術(shù)特點(diǎn),以控制網(wǎng)觀測(cè)的效率性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、精度性為優(yōu)化設(shè)計(jì)指標(biāo),分別從控制基準(zhǔn)優(yōu)化選取、網(wǎng)形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及優(yōu)化精度估算等方面對(duì)實(shí)施方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),并通過(guò)實(shí)際作業(yè)驗(yàn)證該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的科學(xué)性和可操作性。

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星;發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng);GNSS控制網(wǎng);優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引 言

我國(guó)新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星陸續(xù)發(fā)射升空,標(biāo)志著建立全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的開(kāi)始。衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)是發(fā)射航天器的特定場(chǎng)區(qū),一般有航天器與運(yùn)載器的裝配與測(cè)試廠房、推進(jìn)劑存儲(chǔ)與加注設(shè)備、發(fā)射塔架、通訊設(shè)備以及測(cè)控設(shè)備等,這些共同組成了航天發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)[1],發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)大地控制網(wǎng)不同于常規(guī)的大地控制網(wǎng),主要區(qū)別有三點(diǎn),第一點(diǎn)是常規(guī)大地控制網(wǎng)是建立在局部地區(qū)之上,而北斗衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)大地控制網(wǎng)是根據(jù)需要在全國(guó)范圍內(nèi)布設(shè);第二點(diǎn)是常規(guī)大地控制網(wǎng)是滿足測(cè)圖和工程建設(shè)的需要,而北斗衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)大地控制網(wǎng)則是滿足北斗衛(wèi)星發(fā)射、測(cè)控和軌道維持的需要;第三點(diǎn)是前者坐標(biāo)系一般是建立局部或地方坐標(biāo)系,而后者則要求為全球坐標(biāo)系?；谏鲜鲈?GNSS測(cè)量技術(shù)是建立北斗衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)大地控制網(wǎng)的一種比較理想的測(cè)量手段[2]。

在大范圍和復(fù)雜環(huán)境條件下,建立滿足北斗衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)特殊技術(shù)要求的GNSS控制網(wǎng),必須要投入大量的人力、物力和財(cái)力,為使GNSS控制網(wǎng)測(cè)量工作更高效、更有序,以實(shí)現(xiàn)更大效益,為此,本文在GNSS測(cè)量方法建立控制網(wǎng)基礎(chǔ)上,對(duì)發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)GNSS控制網(wǎng)的實(shí)施方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),文中從優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則、控制基準(zhǔn)選取、網(wǎng)形布設(shè)、精度估算等方面進(jìn)行了闡述,并通過(guò)實(shí)際測(cè)量作業(yè)驗(yàn)證了該優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的可行性。

1 控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則

北斗衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)GNSS控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)總的原則是:在滿足發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)精度要求和可靠性前提下,盡量減少人力、物力、時(shí)間及經(jīng)費(fèi)的消耗。評(píng)價(jià)控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有以下幾點(diǎn)指標(biāo):

1) 效率指標(biāo):在GNSS網(wǎng)中,點(diǎn)位數(shù)、接收機(jī)數(shù)和平均設(shè)站次數(shù)確定后,完成該網(wǎng)所需的理論最少觀測(cè)時(shí)間可以確定。當(dāng)按照某具體布網(wǎng)方式和作業(yè)方式進(jìn)行測(cè)量時(shí),完成整網(wǎng)觀測(cè)時(shí)間與理論最少觀測(cè)時(shí)間有所差異,理論最少觀測(cè)時(shí)間與設(shè)計(jì)的觀測(cè)時(shí)間的比值即為效率指標(biāo)[3]。

2) 可靠性指標(biāo):可靠性指標(biāo)是用來(lái)描述GNSS網(wǎng)抵抗粗差影響的能力[3],要求網(wǎng)中具有一定的多余觀測(cè),如三角觀測(cè)三個(gè)角,導(dǎo)線或水準(zhǔn)觀測(cè)形成閉合環(huán),使控制網(wǎng)具有較高的自檢能力,避免粗差出現(xiàn)。

3) 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo):經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)主要由控制網(wǎng)點(diǎn)數(shù)、接收機(jī)數(shù)、觀測(cè)基線數(shù)和測(cè)區(qū)交通條件決定,觀測(cè)的基線數(shù)量是影響經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)最重要的因素。

4) 精度指標(biāo):精度指標(biāo)是分析GNSS控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)質(zhì)量的主要標(biāo)準(zhǔn),也是評(píng)價(jià)優(yōu)化設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵,控制網(wǎng)的精度一般用未知參數(shù)的方差或協(xié)方差來(lái)描述[4]。

2 控制網(wǎng)基準(zhǔn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)GNSS網(wǎng)基線解算原理可知,基線固定點(diǎn)的誤差會(huì)對(duì)基線解算結(jié)果影響很大,在GNSS網(wǎng)約束平差時(shí),已知基準(zhǔn)選取不當(dāng),會(huì)使整個(gè)GNSS網(wǎng)產(chǎn)生扭曲[5]。因此,必須對(duì)GNSS網(wǎng)的位置基準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),GNSS控制網(wǎng)的基準(zhǔn)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則:網(wǎng)中有國(guó)家級(jí)或其它高等級(jí)控制GNSS點(diǎn)如國(guó)際IGS基準(zhǔn)站、國(guó)家連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站、地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)站,優(yōu)先采用這些點(diǎn)的坐標(biāo)值作為網(wǎng)的位置解算基準(zhǔn);網(wǎng)中無(wú)已知數(shù)據(jù),則采用網(wǎng)中長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)點(diǎn)的測(cè)量成果作為網(wǎng)的位置解算基準(zhǔn)。

按照這條原則,發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)GNSS網(wǎng)根據(jù)發(fā)射點(diǎn)、技術(shù)廠房、測(cè)控設(shè)備位置分布情況,選取國(guó)際IGS基準(zhǔn)站LHAS、KUNM、WUHN、BJFS四個(gè)站作為整個(gè)網(wǎng)的位置基準(zhǔn)。網(wǎng)點(diǎn)的選埋參照《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》(GB/T 18314-2009)中要求,布設(shè)B級(jí)點(diǎn)13個(gè)組成首級(jí)控制網(wǎng),在此基礎(chǔ)上布設(shè)C級(jí)點(diǎn)11個(gè)實(shí)現(xiàn)對(duì)首級(jí)控制網(wǎng)的加密,目的是便于發(fā)射點(diǎn)和設(shè)備點(diǎn)聯(lián)測(cè),整個(gè)網(wǎng)共設(shè)計(jì)24個(gè)點(diǎn)。具體點(diǎn)位設(shè)計(jì)分布如圖1所示。

圖1 GNSS控制網(wǎng)點(diǎn)位設(shè)計(jì)布設(shè)示意圖

3 控制網(wǎng)的網(wǎng)形優(yōu)化設(shè)計(jì)

北斗衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)GNSS控制網(wǎng)的建立是圍繞發(fā)射中心區(qū)、技術(shù)測(cè)試廠房區(qū)、發(fā)射首區(qū)、飛行測(cè)控區(qū)四個(gè)部分進(jìn)行布設(shè)控制點(diǎn),結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖2所示,而且選取國(guó)際IGS基準(zhǔn)站作為網(wǎng)的基準(zhǔn),因此,網(wǎng)形結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)原則:基于國(guó)際IGS基準(zhǔn)站同步觀測(cè)基礎(chǔ)上,各分區(qū)同步觀測(cè),控制網(wǎng)必須是全面連續(xù)網(wǎng),邊長(zhǎng)控制在10～30 km的范圍內(nèi),個(gè)別地區(qū)根據(jù)發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)的需要,適當(dāng)調(diào)整邊長(zhǎng)的范圍。為了使控制網(wǎng)與全國(guó)GNSS網(wǎng)、國(guó)家常規(guī)大地控制網(wǎng)之間緊密銜接,布網(wǎng)時(shí)要充分利用場(chǎng)區(qū)內(nèi)已有的國(guó)家GNSS網(wǎng)點(diǎn)和一、二等天文大地控制網(wǎng)點(diǎn)[5]。同時(shí)為了建立強(qiáng)有力的圖形結(jié)構(gòu)和增加一定數(shù)量的多余基線觀測(cè)量,各分區(qū)控制網(wǎng)采用點(diǎn)邊混連式布網(wǎng)方式進(jìn)行結(jié)合[6]。

圖2 GNSS測(cè)量控制網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

4 控制網(wǎng)優(yōu)化的精度估算

GNSS網(wǎng)在網(wǎng)形確定后,根據(jù)作業(yè)接收機(jī)標(biāo)稱精度可以估算網(wǎng)中控制點(diǎn)的精度,精度估算是衡量控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的指標(biāo),GNSS網(wǎng)精度估算原則:根據(jù)計(jì)劃的觀測(cè)量,由點(diǎn)位精度與觀測(cè)值先驗(yàn)精度的函數(shù)關(guān)系,列出其誤差方程的系數(shù)矩陣A,給定各觀測(cè)值的先驗(yàn)精度后,可以得出權(quán)矩陣P,組成未知數(shù)法方程的系數(shù)陣N[3]

N=ATPA，

(1)

(2)

在點(diǎn)位精度估算時(shí)為簡(jiǎn)化權(quán)陣計(jì)算,假定各基線邊之間隨機(jī)獨(dú)立,基線分量之間隨機(jī)獨(dú)立。

則有:

(3)

式中,MΔX,MΔY,MΔZ為基線邊各分量的先驗(yàn)中誤差。設(shè)定GNSS控制網(wǎng)基線邊的觀測(cè)中誤差為

MΔX=MΔY=MΔZ=0.005+1 ppm·D,

(4)

式中:D為基線邊長(zhǎng);σ0為單位權(quán)中誤差,按下式計(jì)算:

σ0=0.005+1 ppm·D,

(5)

按此原則進(jìn)行網(wǎng)中點(diǎn)位精度估算,取網(wǎng)中24點(diǎn),計(jì)劃施測(cè)26條獨(dú)立邊,按概略坐標(biāo)計(jì)算,得到單位權(quán)中誤差為0.032 m,點(diǎn)位坐標(biāo)分量最大值為0.023 m,最小值0.010 m,平均值為0.015 m.

5 控制網(wǎng)的測(cè)量實(shí)施

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則,GNSS網(wǎng)作業(yè)投入8臺(tái)GNSS雙頻接收機(jī),均采用扼徑圈天線,作業(yè)中分成2個(gè)組?？刂凭W(wǎng)中B級(jí)點(diǎn)位,在IGS基準(zhǔn)站同步觀測(cè)基礎(chǔ)上,同一區(qū)域?qū)崟r(shí)同步觀測(cè),每點(diǎn)觀測(cè)不少于3個(gè)時(shí)段,每時(shí)段長(zhǎng)度為23 h[7-8]。某觀測(cè)時(shí)段內(nèi),若有效觀測(cè)數(shù)據(jù)量少于20 h或有效時(shí)段數(shù)據(jù)的采用率低于80%時(shí),均加測(cè)1個(gè)時(shí)段。C級(jí)點(diǎn)位在B級(jí)點(diǎn)控制下進(jìn)行觀測(cè),每點(diǎn)觀測(cè)時(shí)段數(shù)不少于3個(gè),每時(shí)段長(zhǎng)度≥4 h[7-8]。

控制網(wǎng)B級(jí)點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)處理以高精度IGS精密星歷的高精度坐標(biāo)作為起算值,使用Gamit軟件進(jìn)行基線解算,采用與Gamit配套的Globk軟件解算出各點(diǎn)對(duì)應(yīng)于觀測(cè)歷元的高精度坐標(biāo)和多時(shí)段觀測(cè)數(shù)據(jù)的整體平差,數(shù)據(jù)處理適當(dāng)約束極移、UT1參數(shù),衛(wèi)星軌道約束5 cm.并將計(jì)算結(jié)果歸算到2000中國(guó)大地坐標(biāo)系,歷元為2000.0. C級(jí)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理使用Pinnacle軟件,分區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,選擇鄰近的同步觀測(cè)的B級(jí)點(diǎn)作控制。

北斗衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)GNSS控制網(wǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)處理采用整體聯(lián)合平差,各分量平均中誤差mX為0.005 m,mY為0.011 m,mZ為0.009 m,坐標(biāo)各分量結(jié)果精度統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 空間直角坐標(biāo)分量中誤差統(tǒng)計(jì)

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了使用效率指標(biāo)、可靠性指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和精度指標(biāo)作為評(píng)價(jià)優(yōu)化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),在文中通過(guò)對(duì)GNSS控制網(wǎng)精度估算和作業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)的比較,可發(fā)現(xiàn)兩者一致性較好,驗(yàn)證了優(yōu)化精度指標(biāo)的科學(xué)性。在控制網(wǎng)基準(zhǔn)優(yōu)化設(shè)計(jì)中,基于IGS基準(zhǔn)站同步觀測(cè)模式,實(shí)現(xiàn)了作業(yè)中集團(tuán)同步作業(yè)模式為單個(gè)小組觀測(cè),觀測(cè)時(shí)間不受約束,不受儀器數(shù)量限制,任何時(shí)間觀測(cè)都可以組成結(jié)構(gòu)良好的同步環(huán),而且在測(cè)區(qū)內(nèi)不需要選擇控制點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)[9],節(jié)省人力、物力,驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率指標(biāo)、可靠性指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的可操作性。另外經(jīng)過(guò)了北斗導(dǎo)航衛(wèi)星歷次發(fā)射和地面站測(cè)控設(shè)備的實(shí)踐檢驗(yàn),證明北斗衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)GNSS控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案方法先進(jìn)、數(shù)學(xué)模型正確、質(zhì)量可靠。

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Design and Precision Analysis of the GNSS Control Network of the BeiDou Satellite Launch Site

FU Chongwei,ZHAO Wuxiao,XING Wei

(Troops61206,Tianjin300140,China)

GNSS control network of the launch site of BeiDou navigation satellites is used to provide high precision position reference, high direction reference and high orbit control reference, and is the key to ensure the satellite launch vehicle successfully launched and precisely orbited. design of the measurement and control network should be scientific and precise, and take outside practice feasibility. This article discussed on technical design and measurements implement of GNSS control network, estimated the GNSS accuracy of control network by measurement working, and verified the technology design’s feasibility of Beidou satellite launch site GNSS control network.

BeiDou navigation satellite; launch site; GNSS control network; technical design

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.03.013

2016-10-27

P228.4

A

1008-9268(2017)03-0066-04

付崇偉 (1977-),男,工程師,主要從事大地測(cè)量數(shù)據(jù)采集與分析處理工作。

趙五小 (1976-),男,工程師,主要從事大地測(cè)量數(shù)據(jù)采集與分析處理工作。

邢偉 (1980-),男,工程師,主要從事測(cè)繪測(cè)量數(shù)據(jù)管理工作。

聯(lián)系人: 付崇偉E-mail: 345841036@qq.com