特殊环境下多模GNSS技术快速测图精度分析与应用

周玉坤 段志刚 石光益 侯智军 金 野

（91053 部队，北京 100070）

0 引言

北斗卫星导航系统（BDS）是我国自主研发、独立运行的卫星导航系统，目前已全球组网成功，为测绘领域实现实时精准定位提供了有效保障[1-2]。国内外许多专家学者曾对北斗和GPS 组合单点定位作了分析和实验，但研究成果均是在卫星分布较好、没有信号干扰的情况下加以研究[3-6]，在特殊区域、有干扰源的环境中对多模卫星导航系统精度评定与研究较少。此外，区域似大地水准面精化是当前研究的热点，李建成等[7]比较分析了动力水准法、静力水准法以及常规大地测量法3 种方法的优缺点，章传银等[8]就EGM2008 模型在中国大陆适用性进行了实验，为我国建立区域似大地水准面提供了依据。随着当前多模卫星导航卫星定位系统的出现，对在特殊环境下的区域似大地水准面精化研究不多。基于此，本文结合某区域测绘工程案例，在测区常有干扰源等客观因素带来的有效外业测量时间短的环境下，对多模GNSS 在特殊环境下快速测绘应用进行分析研究，提高了工效、节省了测量外业直接成本，对同类工程具有一定的参考价值。

1 多模GNSS 快速静态测量

1.1 多模快速静态测量的原理与特点

随着全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）的飞速发展，已形成全球定位系统（GPS、GLONASS、Galileo、BDS）四系统并存的局面，将会提供多个无线电频率的信号[9]，采用多模GNSS 可显著改善观测几何结构，有利于改善定位精度，同时为快速静态测量提供了精度基础。常规快速静态测量作业方法（1+1 模式）为：在测区中部区域选择一个基准站，架设一台GNSS 接收机连续跟踪可见卫星，为了确保相邻单元之间流动站的重合点数及可靠性，另一台接收机依次到各控制点流动设站进行往返观测[10]，即：顺时针依次观测K1、K2······Kn，再逆时针依次观测Kn、Kn-1······K1，每点观测10 min 以上，精准对中点位、量取仪器高，利用南方测绘GNSS 数据处理软件进行平差解算。

1.2 工程案例与实验分析

实验采用的仪器为国产南方测绘仪器公司生产的测量型GNSS 接收机银河6，接收星座为三星系统：GPS（L1/L2）、GLONASS（R1/R2）、BDS（B1/B2）。为了验证多模GNSS 快速静态测量的精度和工效，在区域内以经典GNSS 静态测量、多模GNSS 快速静态测量、GNSS-RTK 控制点测量三种方式对同名点位进行测量验证[11]，观测过程中严格按照规范要求进行架设仪器、量取天线高并记录卫星分布状况，尽量减少多路径误差。基于此，以测区内同时期建立的E 级GNSS 静态控制网解算的各控制点坐标为参考真值，E 级GNSS 静态控制网如图1，包含图2、图3点位基线。

图1 E 级GNSS 静态控制网

验证方式一：采用多模GNSS 快速静态长基线模式，在SZ05 控制点架设基准站，另一台移动站分别按SZ04、SZ06、SZ09（已知点）、SZ11、SZ07（已知点）顺序进行快速往返观测，网图见图2，基线长度均值11.5 km。

图2 多模GNSS 快速静态长基线网

验证方式二：采用多模GNSS 快速静态短基线模式，在SZ03（已知点）控制点架设基准站，另一台移动站分别按K008（已知点）、K009、K010、K011 顺序进行快速往返观测，网图见图3，基线长度均值0.36 km。

图3 多模GNSS 快速静态短基线网

验证方式三：采用GNSS-RTK 控制点测量模式，在测区中部架设基准站，利用控制测区的SZ07、SZ09 控制点进行两点校正并在SZ08 点检核满足精度后，启用四参数。分别对长、短基线控制点进行观测，求得验证控制点坐标。

在进行数据处理时充分顾及到多模数据的质量和组合关系，考虑到特殊环境下只有BDS 系统时的定位精度情况，组合方式及点位ΔX、ΔY较差见表1，其中ΔD为多、单模所在基线解算后的基线边长与静态测量的基线边长较差。从表1中可以看出，对于长基线采用多模快速静态模式时，同经典静态测量同名点位ΔX、ΔY较差绝对值控制在17 mm，单模快速静态较差控制在25 mm，多模RTK 较差控制在20 mm，单模RTK 较差控制在30 mm。短基线较差相比之下约为对应长基线的一半。基于此，在不利的条件下，特别是测量区域分散，各区域之间相距10～20 km，要统一各区域坐标系统进行联测，使用GNSS-RTK又无法得到固定解的情况下（一般有效区域半径为10 km），可以采用多模GNSS（1+1）模式进行快速静态测量，相比传统静态模式控制测量，可以提高工效，一般静态模式所需设备要大于3 台，E 级网静态观测同步时间要40 min 以上，而快速静态仅需要2 台，且观测时间较短。从较差来看，对于应急特殊环境，在BDS 单系统的情况下，解算精度可以满足1∶1000比例尺地形图测绘的图根控制点测量要求，有利于快速获取所需工程环境的地理信息数据，可极大提高效率[12]。

表1 多、单模快速静态及RTK 不同星系组合时的点位较差mm

2 多模GNSS-RTK+水准面精化的道面角点测量

项目中需要对已有区域水泥道面分仓角点进行测绘，高程精度要求达到四等，目的是获取改造道面接边处的坡度及关键点高程，为初步设计提供依据。传统方法是采用几何水准的方法，在区域内每100 m左右布设水准转点，分区逐一进行角点高程测绘，加入角点位置信息后成图，该方法工效较低、人员投入大、且面对区域内特殊的外业作业环境，工作出现不连续，重复检核量大，在观测中易带入粗差[13]。基于此，对拟测量道面区域采用似大地水准面精化技术展开快速测量[14]。

2.1 区域似大地水准面模型的建立

首先，利用徕卡NA2 光学水准仪以三等水准测量精度，联测道面区域四周及中部均匀分布的10 个角点高程，快速静态获取10 个点的GNSS 高程。结合EGM2008 模型，通过移去-恢复技术得到分辨率高、相对精度高、绝对精度低的重力似大地水准面；然后利用绝对精度高、分辨率低且分布均匀的10 个GNSS 水准点完成对重力似大地水准面纠正，采用有效的拟合模型逼近差值曲面，将其与重力似大地水准面叠加，最终得到该区域似大地水准面模型[15]。

2.2 快速道面角点测量

利用多模GNSS-RTK 技术，严格进行多点拟合校正，并顾及道面区域似大地水准面模型对角点高程进行后处理改正。外业采集中，为了便于操作并减少对中误差，采用简易对中支架，剔除对中杆底部磨损高度，精准量取仪器高并固定杆高进行道面分仓角点测量，按行列+属性进行角点编码，方便后续内业成图编辑，此次共测量角点高程10563 点，随后利用徕卡NA2 光学水准仪以四等水准测量精度均匀抽检、联测1109 个角点高程，以实测值为真值，同采用多模GNSS-RTK+水准面精化方法获取的同名点进行高程比较，互差绝对值统计见表2。

表2 高程互差绝对值统计表mm

样本中误差约为10 mm，整个区域角点高程准确表达了道面坡度及接边处信息，满足初步设计用图深度需要。经过测算，采用该方法，在特殊的外业环境、应急用图情况下，可以提高成图效率3 倍，随着多模GNSS 技术+似大地水准面精化分辨率的提高，实时获取高精度的空间位置信息将更加方便。

3 多模车载GNSS-RTK 快速地形测量

本次外业工作中，外业测量施工窗口短，时间紧、难度大，需要高效精准获取基础数据。特别是在特殊的环境下，快速获取所需工程环境中的精准地形信息，快速抢建破损的构筑物等重要设施尤为重要。采用改装的车载GNSS-RTK 技术可以在特殊环境下实施测量外业点的采集，安全且有防护功能。一是可以对构筑物的绝对三维坐标、尺寸实现实时测绘并传输给决策机构；二是可以利用BDS 实现特殊环境下的信息采集与传输，提高外业测绘的效率。

3.1 车载GNSS-RTK 组装与关键质量控制点

在测区内制高点架设基准站，启用四参数模型，在已知点严格校正仪器后进行移动站安装，本次测量载体为勇士车，特殊条件下可根据需要加装防护及姿态调整装置，将移动站固定在测量车后面，尽量垂直于地面，并使移动站主机超过车顶约30 cm，减少多路径效应对移动站的影响（见图4）。

图4 改装移动测量车

随后，在测量手簿中启用自动测量模式，按15 m距离等距自动采集点位，关键质量控制点为：（1）精准量取天线相位中心与选定参考基点（本次测量选定为车尾部车宽中点处）的位置偏差ΔX、ΔY，根据需要可用于后续采集特征地物点的位置纠正；（2）精准量取天线高，从三个方向上量取相位中心到测量地形点的垂直距离，取平均值，精确到厘米（见图5），此次实测均值天线高为2.23 m，需要注意的是在测量土面区时要进行天线高改正，减去测量车车辙潜入土中深度，本次测量土面区时改正数为-5 cm；（3）在测量时车速控制在20 km/h 左右匀速行驶，确保移动站不失锁，在固定解条件下采集数据，时刻观察移动站天线垂直度，若有变化及时修正；（4）在进行自动测量时遇到特殊地形要在手簿中及时标注，在测量点编码中准确录入地形地物变化信息，便于内业成图。车载等距自动测量成图点位均匀，连接便携笔记本电脑可实时内业成图，效率高。测量点位图如图6所示。

图5 设置自动测量参数

图6 等距离测量点位图

3.2 车载GNSS-RTK 精度、工效评定

为了检核车载GNSS-RTK 的点位精度，均匀抽取区域硬化道面和土面区两个区域同名点各10 个，利用人工GNSS-RTK 方式进行放样、采集、比对较差结果见表3。

表3 不同区域检核点位ΔX、ΔY、ΔZ 较差mm

从中分析看出，两种区域平面ΔX、ΔY较差绝对值控制在35 mm，高程ΔZ较差分别控制在30 mm、50 mm，满足1∶1000 比例尺地形图地形点点位精度要求。分析较差原因，对于土面区粗差主要来源于测量车的微小颠簸，导致在ΔZ较大，因此，控制测量车车速，在地形变化区域减速慢行并实时进行天线高改正，可以有效提高点位精度。此外，对于开阔平坦地物少的区域，车载GNSS-RTK 地形点测量效率高，按8 h/天计算，一台移动测量车可以测量1∶1000 比例尺地形图2km2，工效是人工外业采点的6 倍，极大地提高了测量效率。

4 结论

针对当前多模GNSS 系统的特点，结合常用国产GNSS 设备银河6 在实际工程中应用和实验数据，得出在特殊环境下利用我国自主研发的北斗卫星导航系统BDS（1+1）快速静态测量可以进行长距离图根控制点坐标联测，提高了分散区域图根平面控制测量的效率，在应急道面方格网角点测量中利用区域似大地水准面精化技术提高了精度和效率。此外，采用改装的移动测量车进行地形点采集，提出了关键质量控制点，极大提高了平坦区域的外业数据采集效率，为类似的工程测量提供了快速测绘的解决方案。