北斗高精度手持机在航测外业中的应用

李　军，王义修

(1. 陕西省第二测绘院，陕西 西安 710054； 2. 山东北斗华宸导航技术有限公司，山东 淄博 255300)



北斗高精度手持机在航测外业中的应用

李军1，王义修2

(1. 陕西省第二测绘院，陕西 西安 710054； 2. 山东北斗华宸导航技术有限公司，山东 淄博 255300)

摘要：中国北斗卫星的正式民用，使北斗多星系统的高精度接收机得到了快速的发展，单点测量的定位精度得到了一定的提高，通过在北京、新疆等地的测试，对北斗多星系统的高精度手持机的精度进行了检测，改进了原有的航测外业作业模式，促进了北斗卫星导航系统在航测外业中的新应用。

关键词：全球导航卫星系统；北斗卫星导航系统；手持机； 精密单点定位；航测外业

国家基础测绘的更新周期加快与高清卫星影像的普遍应用，带动了测绘行业的技术提升和工艺进步。在航测外业工作的过程中，主要的工作是影像调绘和相片的控制点测量，传统的作业模式是分组进行各项工作，相片控制点测量采用卫星定位接收机静态观测的方式，劳动强度大、效率较低，新技术、新产品的应用，使得工作效率得到了极大的提高。北斗卫星导航系统成功组网后，北斗终端接收机在各个行业的应用得到了长足的发展，提高了测量的精度、可靠性和稳定性。将北斗多模高精度接收机应用在航测外业中，结合特定的软件，实现影像调绘、像片控制测量两道工序同步作业，既能满足调绘工作的无纸化、数字化，也能满足控制点的精度要求，提高了工作效率。

本文通过对北斗多模高精度定位手持机的单点定位测试、研究，验证其精度及稳定情况，并应用在地理国情普查的项目中，在手持机上加载Emas调绘软件，实现调绘和控制点测量的一机化、一体化，提高工作效率，从而加强对北斗高精度接收机单点测量应用的研究。

一、北斗卫星发展

北斗卫星导航系统(BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS)是我国自行研制的全球卫星导航系统，是继美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)之后第3个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段3部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度10m，测速精度0.2m/s，授时精度10ns。

我国北斗卫星系统的建设从2000年就已经开始，经历了十几年的发展，在2012年底形成了在轨16颗卫星，其中14颗组网，开始为我国及周边地区提供区域服务，计划在2020年建成全球卫星定位系统(如图1所示)。目前，北斗导航系统的卫星总数增加到19颗，空间使用的星间链路技术，将与同年3月发射的一颗北斗卫星实现星间互联互通，共同开展全球组网试验验证工作，向2020年的全球服务又迈出了坚实的一步。

图1　BDS星组的4个轨道高度

二、测试情况背景

1. 测试背景

2013年国务院通过了决议，决定进行国家第一次地理国情普查。地理国情主要是指地表自然和人文地理要素的空间分布、特征及其相互关系，是基本国情的重要组成部分。地理国情普查是一项重大的国情国力调查，是全面获取地理国情信息的重要手段，是掌握地表自然、生态及人类活动基本情况的基础性工作。

地理国情普查需要对影像进行野外调绘，同时对于西北地区，如新疆、青海、西藏等条件恶劣的地区，普查单位又有1∶10 000、1∶50 000地形图像控点测量的需求。如何在这种条件和需求下，实现一种设备既轻便又快速地解决影像调绘和像控点测量的问题，减少作业人员的劳动强度，提高工作效率，缩短工期，成为普查单位需要解决的重要技术难题。在此情况下，调绘图纸的电子化和手持机单点定位的高精度成为了解决问题的关键。

在新疆、青海等恶劣条件地区进行全覆盖的相片调绘和像控点测量，普查单位采用了北斗高精度多模手持卫星接收机，它是智能平台，可搭载调绘专用软件，调用电子影像图进行电子化标绘，测量高精度的点位坐标，避免了携带大量的纸质图纸，以及大重量的静态测量设备，操作简单，测量速度快。因此，在新疆、青海等偏远地区，在无CORS站提供差分数据和不采用静态观测的情况下，手持机的单点定位精度能否满足1∶10 000、1∶50 000地形图的要求，对项目的成功开展起着关键的作用。

2. 传统静态测量与单点测量的对比

(1) 静态测量

常规卫星定位测量有以下几种方式：单点定位、伪距差分定位、载波相位定位，精度分别为5～10m、0.05～0.5m、2～5mm。单点定位是利用单台设备进行测量；伪距差分定位则需要接收差分信号进行测量，一般是采用单台设备借助CORS站或单基站进行；载波相位定位是静态后处理测量，一般需要多台设备同时观测。从使用的便捷性上来说单点定位要比静态测量便捷方便得多。

静态测量要用多台卫星定位接收机组网，在不同的测站上进行同步观测，观测时间由40min到十几小时不等。在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个不随时间改变的常量，通过接收到的卫星数据的变化来求得待定点的坐标。需要3组或更多的人员，在不同测站同步观测。将测量的已知点数据进行后处理解算得出测量结果。静态测量虽然精度高，但速度慢、效率低，需要的人员和设备相对数量多，数据解算复杂。

(2) 单点测量

高精度单点测量是由单台设备直接接收卫星信号进行定位的。在北斗卫星系统开始服务后，GPS、BDS、GLONASS多卫星系统联合解算，使单点定位的精度得到了大幅度的提高，从而使单点定位精度达到1∶50 000地形图的外业采集控制点精度变为可能。在多星组合定位后，参与解算的卫星颗数经常是20颗以上。加强了星座组网的几何结构(GDOP)，而且满足截止高度角(elevationmaskangle)的要求观测值机率增大。

在多星组合测试中，记录的HDOP与VDOP的比值大多数都在1∶(1.2 ～1.3)，超过1∶1.5较少，说明北斗卫星提高了大地高的精度。究其原因是在空间后方交会解算中有了4个轨道高度(如图1所示)。GPS轨道为20 200km，BDS(GEO)轨道为36 000km，BDS(IGSO)轨道为36 000km，BDS(MEO)轨道为21 540km。对大地高H的解算，类似摄影测量用多个平高点来提高交会的高程精度，以基高比控制保证高程精度道理一样。VDOP值决定高程精度，卫星的分布(GDOP)情况不好，导致交会角度过大、过小都影响VDOP值变化。

髙精度单点测量操作简单，单人单机即可操作，实时定位解算结果速度快、效率高、成本低。

在西北地区，普查单位对1∶50 000地形图的外业控制点采集方案主要是静态方式和单点定位方式，比对情况见表1。

表1　野外测量方式的内容比对

通过表1方案的比对可发现，若精度能达到1∶50 000地形图像控点精度的要求，则从各方面来看单点定位测量都将是最优的方案。

三、测试方案

1. 方案1

在中国多个地区对北斗高精度多模手持卫星接收机的单点定位精度进行测试。

测试的精度以国家基础测绘的1∶50 000地形图限差规范为标准，要求见表2。

2. 方案2

测试设备选用GPS/北斗双系统单频的北斗华宸CC20高精度手持机，测量点位的操作步骤如下：

1) 手持机设备安放在特别制作的托盘上，然后放置于三脚式对中杆上，测试中对中杆应整平。装置如图2所示。

表2　1∶50 000地形图规范　m

图2　双星系统髙精度单点测量系统

2) 开启手持机测量软件CompRTK，使手持机保持收星状态稳定2min后，待观测值的PDOP值小于2，HDOP、VDOP、HRMS、VRMS等估算精度保持在最小的状态时，使用单点连续测量功能进行测量，进入自动观测阶段，每秒采集一个点，测量时间为5min。测量过程中人要尽量远离仪器架，对中杆高度调节到1.2m以上，减少对测量的干扰。

3) 对测量的数据进行分析，剔除与中值偏差较大的数据，然后取平均值，得到最终的点位坐标。

四、测试结果

在北京、西安、新疆、哈尔滨等地进行了单点的测试，在已知点上进行测量，然后将测量结果整理后与已知坐标进行对比， 现将部分地区测试的情况及

结果汇总如下。

1. 北京测试情况

对北京某个测试场楼顶的已知点进行了点位测试。测试点在6层楼的楼顶，周围无遮挡，对空条件好，测试时间在上午。将测量的结果规算到CGCS2000坐标系下与已知坐标进行对比，测试结果见表3。

表3　北京测试情况

以上测量结果是经纬度坐标，与已知点进行比对规划后形成最终的差值。从表3可以看出，在对空条件好、无遮挡的情况下，单点定位的精度可以完全满足1∶50 000地形图的平面控制精度要求。

2. 新疆测试情况

在新疆的某作业区对4个国家等级点进行实际测量，坐标系是1980西安坐标系，对4个点的测量结果与已知结果进行对比。其中ΔS=(ΔX2+ΔY2)1/2，高程精度按mH=[ΔHΔH]1/2/n计算，结果见表4—表7。

表4　m

从表4—表7可以看出,前3个表中测量环境较好，数据结果都能够满足1∶50 000地形图的平面控制精度要求，最后一个表格中测量环境周围有树木遮挡，测量环境较差，测量结果未达到精度要求。

综合以上两地的测试情况，在对空条件好、无遮挡的情况下，单点定位的精度可以完全满足1∶50 000地形图的平面控制精度要求。

表5　m

表6　m

表7　m

五、结论

自从2012年12月27日国家正式公布北斗卫星导航电文后，国内导航产品公司相继推出以北斗辅助GPS的多模高精度手持机，将单点定位精度由原来的5～10m提升到了1m左右，满足了用户在特定条件下的使用需求，尤其是在西北偏远地区的航测外业中发挥了较大的作用，通过在各地的测试过程和数据，可以得出一些精度上的结果：

1) 单频GPS+BDS效果良好。北斗的16颗卫星在中国及周边地区上空，带来的QLSS(准天顶卫星系统)效应也是提高观测精度的因素。

2) 单频GPS+BDS+SABS精度不均等。连接日本的MSAS的 129、137卫星提供的广域差分数据，在东南沿海地区，定位精度在0.2～1m之间，但SABS在我国的中西部地区使用，精度在2～5m之间，拉低了在该地区的GPS+BDS的组合精度。

3) 单频GPS+GLONASS的精度在我国为西北高，东南低。与GPS+BDS相比，GPS+GLONASS卫星星座在高纬度地区可见性较好。因此，在我国西部、北部测量精度较好。

4) 单频GPS+BDS+GLONASS精度稳定性好，加入GLONASS系统后，三星系统收星数可达30余颗。目前测试来看，相比GPS+BDS精度不会有更高提升，但会提高精度的稳定性。

5) 双频多系统卫星组合单点平面精度相比单频多系统卫星组合单点精度有一定的提高，最高可提高0.2m左右，其他性能指标基本相似。

通过这次测试验证，使用单频GPS+BDS的双星系统高精度手持机，在对空条件好的情况下，平面测量精度能够满足航测外业1∶50 000地形图的精度要求，将大大提高外业测量效率。

参考文献：

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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

作者简介：李军(1965—)，男，工程师，主要从事摄影测量外业及相关管理方面的工作。E-mail：624780384@qq.com

中图分类号：P228

文献标识码：B

文章编号：0494-0911(2016)06-0069-04

引文格式： 李军，王义修. 北斗高精度手持机在航测外业中的应用[J].测绘通报，2016(6)：69-72.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0192.