老撾北斗CORS系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用

楊忠祥 劉鴻飛 喬忠誠 周定杰 安劍英

(1. 云南旅游職業(yè)學(xué)院, 云南 昆明 650221；2. 云南省測繪工程院 云南 昆明 650033)

0 引言

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(Beidou navigation satellite system,BDS)是中國正在實施的自主發(fā)展和運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1-3],是國際上具有全球性定位能力的第三個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。中國“一帶一路”戰(zhàn)略規(guī)劃的實施以及中國-東盟自由貿(mào)易區(qū)建設(shè)推進,中老合作不斷朝著寬領(lǐng)域、縱深化的方向發(fā)展[4]。隨著老撾交通設(shè)施、通信設(shè)施、礦產(chǎn)資源開采等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的推進,對地理空間信息的需求量急劇增加。亟須建立衛(wèi)星導(dǎo)航定位連續(xù)運行基準站系統(tǒng)(continu-ously operating reference stations, CORS),為導(dǎo)航與位置服務(wù)、精密衛(wèi)星定軌、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等商用領(lǐng)域提供了越來越多的應(yīng)用價值。這些領(lǐng)域的發(fā)展對精確定位提出了更高的要求[5-8]。 CORS系統(tǒng)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于測繪地理信息、地震形變監(jiān)測、規(guī)劃建設(shè)等多個行業(yè)。

鑒于此,本文通過已建成的9個老撾基準站與國際GNSS服務(wù)組織(International GNSS Service,IGS)站、國內(nèi)CORS聯(lián)測數(shù)據(jù)進行解算,獲取其高精度位置信息,并對有、無北斗信號條件下對CORS站定位精度影響進行測試分析,為老撾境內(nèi)實現(xiàn)實時、高精度、快速、便捷的導(dǎo)航與位置服務(wù)奠定基礎(chǔ)。

1 總體思路

本文選取現(xiàn)已建設(shè)完成的9個CORS站與國際IGS站、國內(nèi)CORS站聯(lián)測數(shù)據(jù)進行解算,運用同步環(huán)、異步環(huán)、基線重復(fù)性等指標評價解算結(jié)果的精度與可靠性,并進行應(yīng)用測試分析?？紤]到老撾國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀和CORS站建設(shè)需求,多數(shù)省會城市面積較小,國內(nèi)森林覆蓋面積大,發(fā)達區(qū)域主要集中于湄公河沿線一帶,CORS系統(tǒng)建設(shè)采用“網(wǎng)絡(luò)+單基站”形式更加有利于老撾國家綜合衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)的建成及后期運行維護。

2 國家大地基準和處理策略

2.1 大地基準概況

老撾WGS-84地心坐標基準由一等、二等全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)控制網(wǎng)維持,其對應(yīng)的參考框架為ITRF96,參考歷元為1989.9。老撾國家大地基準為Lao 97坐標系,屬于參心坐標系,同樣由分布于全國一等、二等GNSS控制點維持。Lao 97坐標系對應(yīng)的空間坐標與WGS-84坐標存在3個平移量。Lao 97坐標系采用橫軸墨卡托統(tǒng)一3°帶投影,從東經(jīng)180°至西經(jīng)180°劃分為60個帶,每個帶的東西跨度為6度。取每個投影點的中央經(jīng)線作為中央子午線,投影坐標橫軸加常數(shù)為5 000 000,中央子午線比例因子取0.999 6。

2.2 數(shù)據(jù)聯(lián)測

為保證框架網(wǎng)數(shù)千千米基線解算的精度,引入中國境內(nèi)IGS全球跟蹤站BJFS(北京房山)、SHAO(上海)等作為起算坐標,基線解算采用IGS精密星歷,將IGS站與已建老撾CORS站、聯(lián)測控制點同步觀測數(shù)據(jù)進行聯(lián)合處理,獲得IGS站與CORS站、CORS站間、CORS站與聯(lián)測控制點的基線解。

3 算列分析及應(yīng)用測試

3.1 數(shù)據(jù)來源

為獲取CORS站精確位置信息,聯(lián)測5個老撾國家一等、二等控制點,并對有、無北斗信號條件下對CORS站定位精度影響進行測試分析,本文選取9個已建成CORS站共20 d的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)時長約為24 h,數(shù)據(jù)采樣間隔為10 s,數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。CORS基準站及聯(lián)測控制點分布如圖1所示。部分CORS站及聯(lián)測站所使用GNSS接收機及天線信息如表1所示。數(shù)據(jù)處理時GAMIT軟件采用網(wǎng)解(即全組合解),同步環(huán)閉合差在基線解算時已經(jīng)進行分配。

表1 測站實驗儀器信息

圖1 CORS基準站分布和聯(lián)測控制點分布

3.2 解算可靠性分析

對于GAMIT軟件基線解的同步環(huán)檢核,運用驗后標準化均方根誤差(normal-ized root mean square,NRMS)及模糊度固定率檢驗解算結(jié)果是否可靠。NRMS值是衡量同步環(huán)質(zhì)量好壞的一個指標,在正常情況下,NRMS值應(yīng)小于0.5。NRMS值越小,基線解算的精度越高[9-10]。經(jīng)計算,本文計算21個同步時段,全部NRMS值均小于0.5,最大為0.41,滿足高精度GNSS數(shù)據(jù)處理的基本要求；聯(lián)測(含全球站)50組基線向量重復(fù)性統(tǒng)計結(jié)果如表2所示,a為GNSS接收機標稱精度中的固定誤差，b為GNSS接收機標稱精度中的比例誤差。由表2可知，其精度已達國家規(guī)范中B級GNSS網(wǎng)的精度要求，檢核獨立基線構(gòu)成的獨立異步環(huán)共151個。其中，相對異步環(huán)閉合差最大相對精度為0.565 6 mm/km，位置閉合差為0.035 5 m，位置的限差0.251 5 m；絕對異步環(huán)閉合差最大相對精度為0.550 3 mm/km，位置閉合差為0.037 8 m，位置的限差0.275 3 m。在異步環(huán)檢核中，其閉合差均小于國家規(guī)范中關(guān)于B級GPS網(wǎng)測量的精度要求。

表2 基線重復(fù)性統(tǒng)計

3.3 基站精度分析

本文CORS基準站三維平差采用WGS-84坐標系,其坐標框架為ITRF96,歷元為1 998.9。以聯(lián)測的5個老撾國家控制點作為基準并施加系統(tǒng)約束,九個基站點位平差后CORS站的WGS-84坐標精度如圖2所示,三個分量平均值中誤差精度均優(yōu)于0.01 m,控制點點位精度較高。

圖2 9個CORS基準站點位精度統(tǒng)計

3.4 應(yīng)用測試

為評估北斗星座參與后在此區(qū)域的定位和高程精度,在測試點上,分別采用雙星(GPS+GLONASS)、三星(GPS+GLONASS+BDS)模式采集45個測試數(shù)據(jù),記錄初始化時間和衛(wèi)星狀態(tài)數(shù)。通過統(tǒng)計分析,坐標的內(nèi)、外符合精度確定真實作業(yè)條件下RTK的實時定位精度[11-12]。部分測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果見表3、表4。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,在雙、三星模式下測試點內(nèi)、外符合精度在N、E兩個方向上分別優(yōu)于3 cm、4 cm,其中北斗信號參與后總體內(nèi)、外符合精度都明顯提高。高程精度方面,分別測試雙星、三星狀態(tài)與水準測量結(jié)果對比得到平均較差。經(jīng)統(tǒng)計,雙星模式下高程平均值與水準高程的差值最大為3.583 cm,最小為1.962 cm,高程較差中誤差為±2.79；三星模式下最大差值為2.106 cm,最小為1.055 cm,高程較差中誤差為±1.64。兩種模式下高程測量精度都能有效滿足四等水準測量精度的要求[13],加入北斗信號后,多余觀測值更多,信號更穩(wěn)定,測量初始化時間更短,測量結(jié)果平均值較差更小,其精度更高。

表3 內(nèi)符合精度及高程平均值較差統(tǒng)計

表4 外符合精度 單位：m

4 結(jié)束語

本文介紹了東南亞(老撾)首個北斗衛(wèi)星導(dǎo)航(LAOCORS)系統(tǒng)建設(shè)和老撾國家大地基準控制點應(yīng)用現(xiàn)狀,將老撾CORS基準站與國際IGS站、國內(nèi)CORS長基線數(shù)據(jù)聯(lián)測和解算,通過基線解算后NRMS值、重復(fù)基線、異步環(huán)檢測等指標分析,以及對有、無北斗信號條件下CORS系統(tǒng)的定位應(yīng)用精度測試。結(jié)果表明:①在進行高精度中長基線解算時,老撾CORS基準站水平方向和垂直方向平均值中誤差可達到厘米級定位精度,其相對精度已達到10-8量級。②通過平差和坐標轉(zhuǎn)換,獲取老撾CORS站高精度坐標,實現(xiàn)與老撾國家坐標基準相統(tǒng)一。③北斗信號參與后,老撾CORS系統(tǒng)三星(BDS、GPS、GLONASS)組合精度和效率明顯高于雙星(GPS、GLONASS),定位精度明顯增強，可提供厘米級RTK定位服務(wù),測量初始化時間以及穩(wěn)定性、可靠性方面有明顯提高,為國家建設(shè)統(tǒng)一地理空間框架,為老撾CORS系統(tǒng)后續(xù)的建設(shè)和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ),在工程測量、城市開發(fā)建設(shè)等領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用。