钱家营矿区北斗单基站CORS-RTK 精度检测分析

2023-12-04戴超

煤炭与化工 2023年10期

戴超

（开滦钱家营矿业分公司，河北唐山 063301）

1 概况

北斗卫星导航定位系统（Bei Dou Navigation Satellite System，简称BDS）是继美国GPS、欧盟GLONASS 之后全球第三大较完善的卫星导航系统，由中国自主研发、制造、建设的全球导航卫星系统。该系统于2020 年正式向全球提供导航定位服务，其独特的倾斜地球同步轨道卫星设计，增强了中国区域的卫星信号，理论上不存在中国版图内的信号盲区，即使在山林、建（构）筑物等信号遮挡地区也可接收到稳定的卫星信号。

单基站连续运行参考站系统（Continuous Operational Reference System，简称CORS）有低成本、方便升级、精度高、可连续运行等优点，目前已广泛应用于国内外中小城市和厂矿企业，来满足局部的实时定位服务需求。

开滦钱家营矿区CORS 系统为单基准站CORS系统，升级兼容北斗导航系统后，采用实时动态差分技术（Real-time kinematic，简称RTK），可在基准站半径50 km 范围内快速获取厘米级定位服务。传统的RTK 测量中，只能接收GPS、GLONASS 两种导航卫星信号，且GPS 在我国中、低纬度山林、建（构）筑物等信号遮挡地区，因锁定卫星数少RTK 测量很难得到固定解。兼容北斗导航系统（BDS）的CORS 系统进行RTK 测量时，可以接收GPS、GLONASS、BDS 三种导航卫星信号，在小范围信号遮挡情况下也能得到固定解；同时，使RTK 测量精度、测量效率越来越高，一定程度上减弱了RTK 测量随移动站到基准站距离的增加而出现的误差。

本文意在介绍开滦钱家营矿区北斗CORS 系统及测试该系统的RTK 测量在矿山测量中的定位效果及定位精度。

2 开滦钱家营矿区CORS 系统介绍

开滦钱家营矿区CORS 系统于2012 年建设并投入使用，由GPS 基准站、卫星数据处理系统、数据网络通信系统、数据播发系统、用户管理系统5 部分组成。

随着北斗导航系统的建立、运行，卫星定位技术获得了极大的发展。为更好地满足矿区生产建设、地形图更新、地表损害监测、勘查设计及应急抢险等方面的应用，开滦钱家营矿于2020 年对CORS 基站进行升级改造，升级后兼容北斗导航系统，采用SOUTH Net S8+接收机（参数见表1），S8+机型兼容我国北斗、美国GPS 和GLONASS 系统，相比原来的双星系统，可以更高精度的服务于矿区日常测量的工作。

升级后的CORS 系统采取南方测绘高精度网络差分实时动态定位NRS 技术方案，该技术方案原始观测数据来自开滦集团和钱家营矿区的2 个CORS 基站，通过交换机、无线路由器、工控机等网络设备，使其可以实时与参考站、接收机间传输控制、数据信息；应用系统是以位置服务为基础，由支持协议的设备提供实时定位数据；NRS 的核心组成是数据处理中心，通过CORS 基站采集的原始数据实时解算模糊度和估计网络参数来建立空间相关误差区域模型。

3 CORS 系统基准

开滦钱家营矿区CORS 系统采用独立地方坐标系统，高斯-克吕格正形投影，中央子午线为E118°30′，平面坐标以北京54 坐标系为基准转换而来，高程系统采用1985 国家高程基准。

平面坐标系统采用布尔莎七参数模型进行转换，转换流程：WG-84 空间直角坐标(X，Y，Z)—布尔莎七参数模型—空间直角坐标(X，Y，Z)—大地坐标(B，L)—平面坐标(x，y)。

在高程系统方面，钱家营单基站CORS 系统通过三维约束已知控制点，采用一次多项式拟合法求得未知点高程数据。

根据测绘工程行业标准《全球定位系统城市测量技术规程》，钱家营矿区附近分布国家Ⅱ控制点7 个，如图1 所示，可建立D 级GPS 控制网，D 级GPS 控制网需满足表2 规定。

图1 控制点分布Fig.1 Distribution of control points

表2 D 级GPS 控制网的精度要求Table 2 Accuracy requirements of D-level GPS control network

钱家营矿区D 级GPS 控制网包括9 个GPS点，其中7 个已知点，2 个未知点，此次采用边连式，构成84 个最小同步环和36 条独立基线，以确保控制网的几何强度，提高控制网的可靠性。外业观测使用9 台SOUTH S86-T 型GPS 接收机，在8个GPS 点上同步进行静态观测，有效观测卫星颗数达到9 颗以上，观测时段达200 min 以上，确保有效的观测时间。外业采集静态观测数据后，在WGS-84 坐标系下对GPS 静态观测数据进行自由网平差和三维约束平差，最终求得钱家营矿区WGS-84 坐标成果。

4 单基站RTK 测量性能检验

采用SOUTH 银河6 GNSS 接收机（实时动态定位精度±8 mm+1 mm/km×d），分别对BDS 和GPS 信号的固定解数、PDOP 值、点位观测平面误差进行统计，测试卫星定位效果，并对卫星定位精度采用静态已知点检测法检验。

4.1 定位效果测试

首先选择90°、180°、270°信号遮挡的3个墙角点作为待测点，编号A、B、C，如图2 所示。在相同时段，分别接收BDS、GPS 信号进行RTK 测量，采样间隔为15 s，实时精度要求Hrms＜0.015 m，Vrms＜0.020 m。

从数据采集统计表3 中得出结论，相同信号遮挡点，在RTK 只接收BDS 信号时，固定解个数更多，尤其在C 点上，接收GPS 信号已经无法锁定，而接收BDS 信号依然可以得到240 个固定解；接收BDS 信号固定解的PDOP 值均小于接收GPS 信号对应的PDOP 值，同样在C 点上，当接收GPS信号无法采集数据时，接收BDS 信号固定解的PDOP 值仍控制在3 左右；接收BDS 信号得到的固定解中，在相同信号遮挡点下的点位中误差小于接收GPS 信号的点位中误差。