千尋知寸在工程測(cè)量中的應(yīng)用

孔潤(rùn)生

（陜西啟祥勘測(cè)科技有限公司 陜西西安 710016）

1 引言

千尋位置網(wǎng)絡(luò)有限公司由中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)和阿里巴巴集團(tuán)合資成立，以“互聯(lián)網(wǎng)+位置”為理念，通過(guò)全國(guó)北斗地基增強(qiáng)一張網(wǎng)的整合建設(shè)，基于衛(wèi)星定位、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，構(gòu)建高精度位置服務(wù)云平臺(tái)，可提供亞米級(jí)的千尋跬步、厘米級(jí)的千尋知寸、靜態(tài)毫米級(jí)的千尋見(jiàn)微等高精度定位服務(wù)，為北斗導(dǎo)航加入了全新的互聯(lián)網(wǎng)基因，有效助推了衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。千尋位置按照統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、共建共享的原則，構(gòu)建全國(guó)北斗地基增強(qiáng)一張網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)部門(mén)間、地區(qū)間、用戶(hù)間的資源統(tǒng)籌和數(shù)據(jù)共享，在交通、國(guó)土、測(cè)繪、物流、農(nóng)業(yè)等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。目前，該系統(tǒng)已建設(shè)完成全國(guó)1800個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航參考站，全部使用國(guó)產(chǎn)設(shè)備且核心技術(shù)、芯片、算法全部自主可控，同時(shí)支持北斗、GPS和GLONASS。用戶(hù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)即可全天候不間斷地獲取數(shù)據(jù)支持，服務(wù)冗余技術(shù)保證了差分?jǐn)?shù)據(jù)的穩(wěn)定性，是全球最大的地基增強(qiáng)系統(tǒng)。

千尋位置建立了統(tǒng)一的時(shí)空基準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)跨地域無(wú)縫銜接，把高精度定位變成觸手可及、隨需而用、低門(mén)檻的公共服務(wù)，成為智能社會(huì)的重要時(shí)空基礎(chǔ)設(shè)施。亞米級(jí)的千尋跬步已覆蓋全國(guó)，實(shí)時(shí)厘米級(jí)的千尋知寸和靜態(tài)毫米級(jí)的千尋見(jiàn)微已覆蓋江蘇、安徽、湖南、湖北等25個(gè)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)省市和全國(guó)主要公路干道、河道及二級(jí)以上城市。千尋位置地基增強(qiáng)參考站呈網(wǎng)格化分布，提供廣域厘米級(jí)定位服務(wù)，相比于精度隨距離增加而遞減的單基站模式更加穩(wěn)定可靠，具有全覆蓋、高可靠、快響應(yīng)、低成本、易推廣的特點(diǎn)。本文詳細(xì)介紹千尋知寸的技術(shù)參數(shù)，重點(diǎn)闡述千尋知寸在工程測(cè)量中的使用方法，通過(guò)應(yīng)用實(shí)例檢測(cè)了千尋知寸的測(cè)量精度。

2 實(shí)時(shí)厘米級(jí)的千尋知寸

千尋知寸基于網(wǎng)絡(luò)RTK的差分定位原理，依托遍布全國(guó)的衛(wèi)星定位地基增強(qiáng)站，融合各類(lèi)定位技術(shù)，以互聯(lián)網(wǎng)方式提供7×24小時(shí)高可用差分播發(fā)，面向全國(guó)31個(gè)省市范圍的各類(lèi)終端和應(yīng)用系統(tǒng)，提供實(shí)時(shí)厘米級(jí)精度的位置糾偏數(shù)據(jù)服務(wù)。千尋知寸在全國(guó)有1800個(gè)地基增強(qiáng)站、14萬(wàn)個(gè)VRS虛擬點(diǎn)，每隔5公里會(huì)切換基站，基站切換時(shí)RTK將重新初始化，由于基線較短，瞬時(shí)可達(dá)到固定解。在定位環(huán)境良好的情況下，水平精度為1-5cm，高程精度為水平精度的1-1.5倍。

2.1 千尋知寸技術(shù)參數(shù)

千尋知寸服務(wù)器域名為rtk.ntrip.qxwz.com，服務(wù)器地址為 60.205.8.49，提供 8001、8002、8003 三個(gè)端口，采用Ntrip Client1.0差分服務(wù)協(xié)議，以RTCM3.2、RTCM3.0電文格式播發(fā)差分?jǐn)?shù)據(jù)，其中三星設(shè)備（BDS+GPS+GLONASS）使用RTCM32_GGB源節(jié)點(diǎn)（RTCM3.2格式），雙星設(shè)備（GPS+GLONASS）使用RTCM30_GG源節(jié)點(diǎn)（RTCM3.0格式），并支持位置數(shù)據(jù)（GGA）上傳，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1[1]。

表1 千尋知寸技術(shù)參數(shù)

千尋知寸基于一秒一播、三星雙頻的差分?jǐn)?shù)據(jù)，對(duì)于RTCM3.2電文格式，網(wǎng)絡(luò)流量為0.7kb/s。

2.2 千尋知寸坐標(biāo)檢測(cè)

千尋知寸提供了三個(gè)RTK端口，每個(gè)端口對(duì)應(yīng)不同的坐標(biāo)系統(tǒng)，其中8001端口對(duì)應(yīng)ITRF2008坐標(biāo)系（2016.0歷元）、8002端口對(duì)應(yīng)WGS84坐標(biāo)系（G1762版本）、8003端口對(duì)應(yīng) CGCS2000坐標(biāo)系（ITRF97框架2000.0歷元）。為了檢測(cè)千尋知寸各坐標(biāo)系統(tǒng)的實(shí)際精度，在陜西省某測(cè)區(qū)選擇了三個(gè)已知點(diǎn)，其中A-B、A-C、B-C的邊長(zhǎng)分別為15.9km、29.0km、41.5km。采用千尋知寸對(duì)三個(gè)端口的數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)地采集，與已知2000國(guó)家大地坐標(biāo)、大地高比較，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 千尋知寸坐標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)表2的檢測(cè)結(jié)果，千尋知寸三個(gè)端口的大地高基本一致，平面坐標(biāo)因框架、歷元的不同，存在一定差異，坐標(biāo)誤差平均值分別為0.529m、0.178m、0.043m，其中8003端口與2000國(guó)家大地坐標(biāo)基本一致。

3 千尋知寸的應(yīng)用方法

千尋知寸提供實(shí)時(shí)厘米級(jí)的定位服務(wù)，能夠快速、方便、精確地得到坐標(biāo)和高程成果，滿(mǎn)足現(xiàn)代測(cè)繪工程的需求，廣泛應(yīng)用于工程測(cè)量中的地理信息采集、定樁放樣等。因工程項(xiàng)目常采用獨(dú)立的參心坐標(biāo)系，需要計(jì)算GNSS與工程坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

3.1 參數(shù)轉(zhuǎn)換方法

在應(yīng)用GNSS空間定位技術(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，往往需要進(jìn)行不同基準(zhǔn)間的轉(zhuǎn)換，如空間定位技術(shù)所采用的全球基準(zhǔn)與地面網(wǎng)所采用的局部基準(zhǔn)間的轉(zhuǎn)換。進(jìn)行基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的算法很多，較為常用的有布爾沙-沃爾夫和莫洛金斯基模型，其中前者更適合于全球或較大范圍的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。布爾沙-沃爾夫模型簡(jiǎn)稱(chēng)布爾沙模型，又稱(chēng)七參數(shù)轉(zhuǎn)換或七參數(shù)赫爾墨特變換[2]，計(jì)算模型如下：

式中：［XAYAZA］為局部基準(zhǔn)的空間直角坐標(biāo)；

［XBYBZB］為統(tǒng)一基準(zhǔn)的空間直角坐標(biāo)；

［TXTYTZ］為不同基準(zhǔn)的平移參數(shù)；

ωX、ωY、ωZ為不同基準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)參數(shù)（歐拉角）；

m為不同基準(zhǔn)的尺度參數(shù)。

3.2 轉(zhuǎn)換精度評(píng)定及外部檢核

（1）參數(shù)轉(zhuǎn)換精度，依據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)的重合點(diǎn)的轉(zhuǎn)換殘差中誤差進(jìn)行評(píng)定[3]，轉(zhuǎn)換殘差中誤差的計(jì)算公式如下：

式中：v為重合點(diǎn)轉(zhuǎn)換殘差；

n為參數(shù)轉(zhuǎn)換的重合點(diǎn)個(gè)數(shù)。

（2）設(shè)立外部檢核點(diǎn)，是驗(yàn)證參數(shù)轉(zhuǎn)換精度的有效方法[4]，外部檢核中誤差的計(jì)算公式如下：

式中：Δ為外部檢核結(jié)果與已知成果的差值；

N為外部檢核點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

參數(shù)轉(zhuǎn)換精度應(yīng)通過(guò)重合點(diǎn)轉(zhuǎn)換殘差和外部檢核點(diǎn)誤差進(jìn)行全面衡量，當(dāng)外部檢核中誤差與轉(zhuǎn)換殘差中誤差數(shù)值接近時(shí)，可認(rèn)為是參數(shù)轉(zhuǎn)換的實(shí)際精度[5]。

3.3 工程測(cè)量應(yīng)用

為滿(mǎn)足投影長(zhǎng)度變形值不大于2.5cm/km的要求[6]，工程項(xiàng)目多采用獨(dú)立的參心坐標(biāo)系統(tǒng)，部分工程使用了CORS技術(shù)。因工程項(xiàng)目采用的基準(zhǔn)與千尋知寸的統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)不一致，應(yīng)按七參數(shù)轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。

（1）無(wú)轉(zhuǎn)換參數(shù)工程項(xiàng)目

對(duì)無(wú)轉(zhuǎn)換參數(shù)工程項(xiàng)目，使用千尋知寸聯(lián)測(cè)3個(gè)以上的控制點(diǎn)，點(diǎn)位須均勻分布覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)，當(dāng)測(cè)區(qū)面積較大時(shí)應(yīng)增加聯(lián)測(cè)點(diǎn)。按七參數(shù)轉(zhuǎn)換方法求取轉(zhuǎn)換參數(shù)，將千尋知寸的測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為工程成果。

（2）靜態(tài)三維自由網(wǎng)平差項(xiàng)目

對(duì)靜態(tài)三維自由網(wǎng)平差項(xiàng)目，因控制點(diǎn)地心坐標(biāo)成果不唯一，需使用千尋知寸聯(lián)測(cè)3個(gè)以上的連接點(diǎn)，按七參數(shù)轉(zhuǎn)換方法將三維自由網(wǎng)平差結(jié)果轉(zhuǎn)換至千尋知寸的統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)。根據(jù)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換后的控制點(diǎn)地心坐標(biāo)，按七參數(shù)轉(zhuǎn)換方法求取轉(zhuǎn)換參數(shù)，將千尋知寸的測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為工程成果。

（3）靜態(tài)三維約束平差項(xiàng)目

對(duì)靜態(tài)三維約束平差項(xiàng)目，因控制點(diǎn)地心坐標(biāo)的基準(zhǔn)多為CGCS2000，與千尋知寸8003端口的基準(zhǔn)一致，不同地域存在少許差異，可使用點(diǎn)校驗(yàn)法修正轉(zhuǎn)換參數(shù)的平移量。根據(jù)修正后的轉(zhuǎn)換參數(shù)，將千尋知寸的測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為工程成果。

4 應(yīng)用實(shí)例

陜西省某城市坐標(biāo)系是基于1980西安坐標(biāo)系建立的獨(dú)立參心坐標(biāo)系統(tǒng)，投影面為平均高程面，基礎(chǔ)控制網(wǎng)為GNSS C級(jí)網(wǎng)；高程采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，成果等級(jí)為四等水準(zhǔn)。為確保該測(cè)區(qū)工程測(cè)量工作的順利實(shí)施，使用千尋知寸FindCM聯(lián)測(cè)了5個(gè)均勻分布的GNSS C級(jí)點(diǎn)，控制面積約106km2。按七參數(shù)轉(zhuǎn)換方法求取轉(zhuǎn)換參數(shù)，轉(zhuǎn)換殘差見(jiàn)表3。

對(duì)表3的轉(zhuǎn)換殘差分析可知，該測(cè)區(qū)千尋知寸參數(shù)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)殘差平均值為0.015m、中誤差為0.006m，高程殘差平均值為0.020m、中誤差為0.012m，七參數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果與基礎(chǔ)控制網(wǎng)符合良好，轉(zhuǎn)換誤差符合規(guī)范要求。

表3 某測(cè)區(qū)千尋知寸七參數(shù)轉(zhuǎn)換殘差統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

本文結(jié)合千尋知寸高精度定位服務(wù)在工程測(cè)量中的實(shí)際應(yīng)用，通過(guò)對(duì)陜西省某測(cè)區(qū)工程測(cè)量的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下：

（1）千尋知寸是由千尋位置提供的實(shí)時(shí)厘米級(jí)定位服務(wù)，具有全覆蓋、高可靠、快響應(yīng)、低成本、易推廣的特點(diǎn)，經(jīng)應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證，千尋知寸的轉(zhuǎn)換誤差符合規(guī)范要求，滿(mǎn)足工程測(cè)量的使用需求。

（2）布爾沙-沃爾夫模型是精度較高的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換模型，七參數(shù)轉(zhuǎn)換方法能夠保持GNSS測(cè)量成果的高精度。

（3）GNSS定位精度和可靠性受多路徑、障礙物、衛(wèi)星幾何位置和大氣條件等外界因素的影響，在使用千尋知寸的過(guò)程中，應(yīng)選擇無(wú)明顯電磁干擾和多路徑影響的環(huán)境，避免建筑物遮擋、墻邊陽(yáng)臺(tái)等復(fù)雜地帶，并加強(qiáng)外部檢核。