北斗地基增强下的天津市三维测绘基准体系检测和评估

2016-11-11朱大勇张卫东

测绘通报 2016年10期

关键词：基准北斗天津市

朱大勇，张卫东

(1. 天津市勘察院，天津 300191； 2. 天津市国土资源测绘和房屋测量中心，天津 300051)

北斗地基增强下的天津市三维测绘基准体系检测和评估

朱大勇1，张卫东2

(1. 天津市勘察院，天津 300191； 2. 天津市国土资源测绘和房屋测量中心，天津 300051)

为了提供统一的空间地理信息数据基准框架和满足高精度、实时、动态需要，天津市建立了基于北斗地基增强系统的三维测绘基准体系。本文对该系统进行了功能、性能和似大地水准面精化模型正确性等方面的检测，结果表明其各项功能指标、性能指标、精度指标均达到了设计及规范要求，满足了建立高精度统一基准框架的需要，能够实时向用户提供米级的导航服务以及提供厘米级精密定位服务。

北斗地基增强；三维测绘基准；基准框架

近年来，天津市原有测绘基准体系在城市经济建设、国防建设中发挥了重要作用，但随着社会信息化发展对空间定位信息需求的提高，已难以完全满足经济建设的发展，存在许多问题和不足，主要表现在：原有大地控制网由于受施测时的技术水平和手段所限，其相对精度只有10-5，且历经30年，成果现势性较差，难以满足社会信息化发展和国民经济建设的需要；基础控制成果破坏严重，难以满足城市空间布局发展对测绘保障服务的需求，给经济发展重点区的发展和城市建设带来不利影响；在传统的测量手段基础上形成的城市地理空间信息资料采集模式已难以满足城市建设日新月异的发展需要，必须采用更先进、更快捷的空间数据采集方法来获取基础空间数据。自2008年7月1日，我国全面启用2000国家大地坐标系以来，建立了天津CGCS2000测绘基准并确定了1990天津任意直角坐标系、1954北京坐标系、1980西安坐标系、CGCS2000坐标系相互之间的转换参数，这是一项十分重要的任务[1]。为了提供统一的空间地理信息数据基准框架和满足高精度、实时、动态需要，天津市采用先进的现代测绘理论和技术建立基于北斗地基增强系统的三维测绘基准体系[2]。为了评价该系统的各项功能指标、性能指标、精度指标是否达到设计及规范要求，本文对功能和性能方面进行了检测和评估。

一、天津市北斗地基增强系统概况

北斗地基增强系统是国家统一规划建设的，以北斗卫星导航系统(BDS)为主，兼容其他GNSS卫星导航系统的地基增强系统[3]。其地面基准站间距为30～70 km，可通过地面通信系统播发实时差分信息，向用户提供米级的导航服务及厘米级的精密定位服务。北斗地基增强系统的优势在于其系统初始化时间更快，稳定性更高，可快速实现高精度定位[4-5]。

天津北斗地基增强系统集成了传统大地测量、卫星导航定位、无线通信、计算机网络、软件工程等技术，建立了覆盖整个天津的13个北斗/GPS基准站，平均间距约43 km；建立了1个数据控制中心，基于通信网络实现基准站到控制中心数据专线传输；建立了一个系统管理平台，管理各基准站的运行；建立基于北斗+GPS的面向用户服务平台，向整个天津范围的用户实时提供厘米定位服务及米级导航服务。该系统采用了虚拟服务器、数据库集群、“网络动态引擎”等先进技术，在国内首次采用了“动态”电离层改正模型和天宝、南方两套系统同时运行的方案，提出了一套顾及参数保密的实时地方坐标、正常高播发方案，实现了多个关键技术创新。

二、系统功能检测

系统功能检测主要包括参考站、控制中心的连续自动运行能力、自动数据服务能力、通信网络、系统兼容性、定位服务的时效性检测，检测统计结果见表1，可以看出该系统的功能均已达到设计指标。

表1　系统基本功能检测统计表

三、系统性能检测

系统性能检测包括：系统初始化时间检测、静态定位精度和RTK动态定位精度检测等。

1. 系统初始化时间检测

定位服务的时效性检测在全市均匀分布的27个点上完成，分别进行GPS、BDS、GPS+BDS信号组合测试。每个点上进行5次初始化测量，每次测量均先断开接收机重新连接，记录初始化时间，其中，初始化时间为记录接收到差分信号从浮动解到固定解的时间。在27个测试点上，利用南方系统GPS平均初始化时间为7.1 s；BDS平均初始化时间为5.5 s；GPS+BDS组合平均初始化时间为4.7 s。GPS+BDS组合初始化时间优于GPS和BDS单系统初始化时间，提高了测量用户的外业作业效率。天宝系统与南方系统单GPS的平均初始化时间基本一致，初始化时间对RTK用户来说初始化速度较快，能够满足应用需求。如图1所示。

图1　南方系统不同信号组合平均初始化时间对比

2. 静态定位精度检测

静态定位精度检测在全市域分布的24个C级点参考站上进行。采用GAMIT软件分别对GPS、BDS、GPS+BDS组合进行基线解算，以该结果作为基准。将数据分为1、2、4、8、12、24 h等多个时段，不同时段采用天宝公司的静态后处理软件TBC进行数据处理，解算结果与基准进行比较。将基线长度按照<30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～100、>100 km共8个不同长度区间进行统计分析，如图2所示。通过统计结果可以发现，随着基线增加基线解算误差越来越大，随着解算时间的增加解算精度越来越高。从组合角度看，单GPS解算结果优于单BDS的解算结果，GPS+BDS组合静态解算较单GPS在大于2 h时提高不明显。在1 h数据解算中，GPS+BDS组合明显优于单GPS和单BDS的解算结果。

选取两个参考站KC03和KC10作为控制点进行平差，将平差后的点位结果与已知点进行比较。结果表明，在解算超过4 h后平面精度已维持在1 cm以下，超过12 h后平面精度可达5 mm。高程方向随着解算时长的增加高程精度不断提高，7 d解算达到了1 cm的解算精度。从不同系统来看，单BDS解算精度最差，GPS+BDS组合解算精度较单GPS没有显著提高。

图2　不同信号组合静态基线长度精度对比

3. RTK动态定位精度检测

图3给出了南方系统不同信号组合平均内符合精度的比较。由图3可知，GPS+BDS组合较GPS、BDS提高了RTK测量精度，BDS定位结果在高程方向稍差。整体而言，GPS、BDS、GPS+BDS组合RTK检测结果均满足RTK测量规范及设计要求。

图3　南方系统不同信号组合平均内符合精度比较

通过比较RTK测量结果与22个已知点的坐标差异，对RTK测量进行精度外符合精度统计，即每个点位的外符合中误差为该点上每秒记录的坐标位置与已知位置的较差。南方系统的平均中误差x方向为0.010m，y方向为0.009m，H方向为0.023m；天宝系统的平均中误差x方向为0.008m，y方向为0.007m，H方向为0.023m。从外符合精度统计对比结果可见，南方系统和天宝系统均满足RTK测量规范及设计要求，天宝系统在N、E方向上测量精度略优于南方系统。

四、似大地水准面精化正确性检测

采用与似大地水准面精化模型观测时间相同的18个检验点进行似大地水准面精化正确性检验。检核点均为同期埋设的检核点。检验的统计结果见表2。

似大地水准面精化采用18个GNSS/水准检核点进行验证，统计中误差为0.7cm，满足似大地水准面精化技术设计要求。

五、结束语

本文对天津市基于北斗地基增强的三维测绘基准体系进行了功能、性能和似大地水准面精化模型正确性等方面的检测。结果表明，该系统在参考站、控制中心的连续自动运行能力、自动数据服务能力、通信网络、系统兼容性、定位服务的时效性检测等功能方面已达到设计指标；静态定位精度可以达到平面5mm、高程10mm，满足静态定位相关规范及设计要求；RTK动态定位中南方系统平面精度为1.3cm，高程精度为2.3cm，天宝系统平面精度为1.1cm，高程精度为2.3cm，GPS+BDS组合较单GPS、单BDS的RTK精度有所提高，满足RTK测量规范和设计要求；似大地水准面精化的统计中误差为0.7cm，满足似大地水准面精化技术设计要求。