北斗卫星导航定位系统在大地测量工程中的应用

赵留峰

（沐城测绘（北京）有限公司，北京 100020）

北斗卫星导航定位系统在大地测量工程中应用，不仅可以提高测绘工作效率，还能确保实际测量精度。但是受到北斗系统了解不足、应用要点把握不准、技术联合运用较少等因素影响，使得实际测量工作质量无法得到切实保障。需要加强北斗卫星导航定位系统研究与分析，并结合大地测量工程实际情况，严格遵循北斗系统工作原理及作业流程进行操作，使北斗系统测绘优势得到充分发挥，实际测量工作任务也能圆满完成[1]。

1 北斗卫星导航定位系统的基本概述

1.1 系统组成

北斗卫星导航定位系统是由我国自行研制开发和独立运行的全球卫星导航系统。该系统主要由空间部分、地面中心控制系统和用户终端构成，如图1 所示。其中，空间部分有5 颗静止轨道卫星、30 颗非静止轨道卫星；地面中心控制系统作为北斗系统的中枢，包含了多个地面站，比如主控站、监测站等；用户端是北斗用户终端与GPS、伽利略等其他卫星系统兼容终端组成。通过该项系统发挥作用，可以在全球范围内为各类用户提供全天候和高精度的定位、导航、授时等服务[2]。

图1 北斗卫星导航定位系统组成

1.2 工作原理

北斗卫星导航定位系统工作原理与其他导航系统较为类似。实际作业主要采用空间距离交会算法，北斗卫星信号接收机为主要工作设备。在将该项设备固定在特定位置以后，就可以依托卫星接收相关信息，并在此基础上利用计算机进行数据计算处理和数据误差修复，确保所得数据信息拥有较好的精度。由于北斗导航接收机所接收到的卫星定位信息是随机的，因此要保证结果精度，就要同时有3 个及以上卫星进行定位信息接收。同时，还可以对空间固定坐标系统和地固坐标系统进行运用，实际测绘中可以根据工程具体情况对合适的系统进行选择与运用，并在基准站位置设置1台北斗卫星导航定位系统信号接收机，可以对地质进行连续观测，针对观测获得的地质信息也能直接通过无线电进行储存与传输[3]。

1.3 GPS 比较

北斗卫星导航定位系统与GPS 系统进行比较，涉及内容有：①覆盖范围。北斗卫星导航定位系统是覆盖中国本土及周围区域的导航系统，GPS 信号则是覆盖全球的。②卫星数量。北斗卫星导航定位系统设置了2 颗地球同步卫星，位置在地球赤道平面上，卫星赤道角距约为60°。GPS 设置了24 颗卫星，位置在6 个轨道平面上，轨道赤道倾角为55°，并且GPS 卫星轨道主要为准同步轨道，绕地球一周时间为11 h 58 min。③定位原理。北斗导航定位系统本质上是一种主动式双向测距的二维导航系统，并通过地面中心控制系统进行解算操作，就可以为用户提供较为精准的三维定位数据。GPS 实质上是一种被动式伪码单项测距三维导航系统，实际开展工作需要由用户设备进行独立解算，以获得自己的三维定位数据。④定位精度。北斗卫星导航定位系统三维定位精度约为几十米，授时精度约为100 ns。GPS 三维定位精度由原来的16 m 提升到6 m，授时精度为20 ns[4]。⑤用户容量。由于北斗卫星导航定位系统是一种主动双向测距询问的应答式系统，并且终端用户设备和地球同步卫星，需要地面中心控制系统对信号进行询问与接收，整个过程终端用户设备也要向同步卫星发射应答信号。因此北斗系统用户容量就取决于用户允许的询问信号速率、终端用户响应频率等。GPS 由于是单项测距系统，用户设备在接收到卫星发出导航电文以后就可以完成测距定位，因此用户设备容量是无限的。总之，在对北斗卫星导航定位系统和GPS 系统进行对比分析以后，可以发现北斗卫星导航定位系统兼具通信与定位功能，并且因为全面覆盖了中国及周边地区，就可以为各类用户提供全天候的服务，整个过程也不会出现通信盲区情况。再加上北斗系统是我国研发设计的自主系统，在高强度加密设计以后也拥有较高的安全性和可靠性，关键部门开展工作非常适合采用北斗系统[5]。

2 北斗卫星导航定位系统在大地测量工程中的应用

2.1 地籍测量

地籍测量是一种政府行为，实际作业需要利用现代测绘技术，对土地界限、土地面积和土地所有权进行确定，针对土地利用类型、分布情况和质量水平也能通过测绘有效反映出来。在进行地籍测绘时，对北斗卫星导航定位系统进行应用，就可以以此为基础对地籍测控网络进行有效建立。执行时要注意严格遵照《城镇地籍测绘程序》相关要求，将地籍测绘使用的网络分成一二级边角网、一二级导线网等，通过将其运用到不同规模的监测地区，促进地籍测绘工作顺利高效地完成。具体内容包括：①地籍控制测绘。在采用北斗卫星导航定位系统对地籍测绘进行控制时，若为常规三角测绘就不需要采用近似等边三角测绘，只要保证准确度与分级控制精度相互匹配，控制点的选择也极大满足实际选点要求，就可以有效控制相邻点的误差低于5 cm，使地籍控制测绘网络精度完全达到地籍测绘规范要求。②土地利用监测。在对土地利用进行动态监测时，通常会采用简单补测法进行现场监测，不过这种方法只适合运用到变化范围较小和变化特征明显的目标点情况，若出现变化范围大、目标物体较小的情况，就会出现监测效率低下的问题。这时候对北斗卫星导航定位系统进行应用，就可以充分利用系统单向传输时间为100 ns，双向传输时间为20 ns，平面位置精度和高程控制精度为100 m、10 m 的功能特点，极大满足土地利用条件调查和动态监测准确度较高的要求，土地使用调查情况及时性和数值监测准确性也能得到有力保障[6]。

2.2 工程测量

工程测量在各种项目中扮演着十分重要的角色，并且该项工作开展好坏也会直接影响到工程项目后续安全顺利地实施。在开展工程项目施工作业之前，应该对施工地址进行全面细致地调查，并根据获得的地貌、水文等信息，为工程设计提供精准可靠的尺度图与地形数据。同时，在工程施工和运营阶段，也要对工程测量工作引起关注，特别是在定位建筑物、测绘周围环境、测绘运行情况等方面，可以及时发现工程项目存在的异常情况，并结合实际采用有效措施进行预防控制，避免安全、质量等事故问题发生。执行时对北斗卫星导航定位系统进行应用，就要对起始参考点进行科学设置，针对起始点的准确性也要加强检查，确保其与观测点之间具有较好的位置分布。在利用北斗卫星导航定位系统进行动态观测时，要根据工程测绘相关测绘精度与误差要求，设置3～5 个高位控制点，针对基站的坐标也要确保所有方位角一致与准确。作业时可以采取静态相对定位测绘，并将时间、卫星仰角和采样间隔参数分别设置为45 min、15°和10 s，在完成接收天线设置工作以后就可以开始观测，并通过基线解决方案和网络调整两个阶段，实现对网络获得观测数据信息的有效处理。整个过程要注意对系统控制点的三维坐标质量进行检查，必要情况下还可以开展现场重新测试工作，以通过网络调整获得更为精准的三维坐标，为工程项目实施提供科学依据。

3 实际案例分析

3.1 工程概况

某煤矿项目位于黑龙江省密山市太平乡境内，勘察面积为93.23 km2，勘察深度为1 200 m。由于堪察区地形地貌主要以低山-丘陵为主，北部又靠近盆地的基底，总体构造为不对称的复向斜构造。因此经过综合考虑分析以后决定采用北斗卫星导航定位实时动态测量系统进行测量作业，以通过对堪察区进行连续性观测，有效解算出三维坐标信息及其精度信息，在确保测量成果精度和稳定性中，促进工程项目安全顺利地进行[7]。

3.2 测量过程

基于北斗卫星导航定位系统开展工程项目测绘工作，具体过程包括：①测量点位选择。在对测量点位进行选择时，需要对勘察区域实际情况进行了解，并根据测量工作开展实质要求，尽可能地选择地势较为平坦、交通便捷顺畅和数据容易贮存的地方，对测量点位进行科学设置。针对不同点位之间也要对距离进行有效控制，并通过保证点位之间有较好的通视性，为后续测量工作的高效开展奠定良好的基础。实践中，可以在地势平坦和操作方便的区域设置测量点位，并使点位附近高度角在15°以上，周围也不存在其他障碍物，防止测量获得数据不够真实准确情况发生。在完成点位设置以后，就可以按照相关工作规定对标志桩进行设定，整个过程也要做好记录工作，避免对后续测量工作产生不利的影响。②北斗卫星布网。在完成测量点位选择与布置工作以后，就可以开展北斗卫星布网工作。执行时要根据该项目勘察目标及网形规划，对相应图形进行科学准确计算，并从增强成果合理性角度入手，对测量误差进行有效控制，甚至还可以将附和线路设置出来，以在完成组网工作以后根据星历预报制定科学测量计划[8]。③开展观测工作。在开展监测测量工作时，要根据相关规定选择出3 个点位，并在此基础上设置3 台接收机，观测卫星高度角为15°，采样间隔为10 s，整个观测时间为45 min。同时，在运用静态相对定位技术进行观测作业时，除了要对天线高度进行有效测试，还要严格按照接收端提示输入相关数据，以完成对各项监测信息的自动化记录、保管与分析。④数据处理分析。在完成勘察区域测量工作以后，也要对接收端获得的监测数据信息进行整体分析，由于该项工作主要分基线解算和网平差2 个环节进行，因此操作时就可以借助随机软件进行作业，并根据所得结果进行异步环和同步环审查，使之能够满足相关标准要求，如图2 所示。⑤作业精度统计。在整个测量工作中，主要采用了3 种方法进行精度检测。第一种是在已知点架设移动站，并在采集数据信息过程中，对得出坐标与正确值进行比较，总共检测了3 个点，见表1。第二种是分不同时段对特征点进行重复测量，在比较差值中完成精度检测工作，这类点总共有10 个，见表2。第三种是使用全站仪对相邻两地形点的高差和距离进行检测，这类点有15 个。最终检测作业平面精度、高程精度分别为0.006 m 和0.011 m，均达到工程精度要求[9]。

表1 移动站监测所得坐标与正确值比较

表2 选取25 min 时间段特征点高程坐标测量结果

图2 高精度北斗基线解算软件处理结果

3.3 应用体会

对本次应用北斗卫星导航定位系统开展工程测量工作，发现实践应用具有以下优势：①工作效率较高。以往开展工程测量工作，对传统技术方法进行运用，需要投入较多的人力物力财力，将北斗卫星导航定位系统融入其中，就可以节省更多测绘时间。该工程项目测量工作开展总共花费了120 min，并且除去前期准备工作和后续分析处理消耗时间，实际测量时间控制在45 min 左右，再根据接收站接收到的数据信息运用计算机及相关软件进行分析处理，使得整体测量工作用时比较短。②测量精度保证。北斗卫星导航定位系统实质上是一种新的技术，将之运用到各种复杂工程测量中，可以获得较为准确的测量结果，并为工程有效实施提供较为准确的数据支持，所得结果也可以达到毫米和亚毫米的精确度，可以极大满足精确测量实质要求[10]。③较传统技术优势突出。特别是在与GPS 技术相比较，北斗卫星导航定位系统已基本实现亚太地区全面覆盖，可以为工程测量提供高效的通信服务，并且北斗卫星导航定位系统所采用的是三频定位技术，相较于GPS 二频定位精度可以达到2 cm。另外，在偏远地区进行工程测量工作，容易出现信号较弱的情况，对北斗系统进行运用，就可以充分发挥其覆盖范围广和定位精度较高的优势，切实满足不同地区工程测量工作实质需要。

4 结束语

本文是对北斗卫星导航定位系统在大地测量工程中的应用进行分析。随着现代科学技术不断发展，我国自主研发的北斗卫星导航定位系统在各领域中也得到十分广泛的应用，并为新时期开展大地工程测量工作提供有力技术方法支持。实践中，要充分发挥出北斗卫星导航定位系统的工作效率高、定位精度保证等优势，就要在开展工程测量工作之前，对北斗系统组成及工作原理进行细致分析与牢固把握，然后根据地籍测量、工程测量等实际情况及工作要求，深化落实好测量点位选择布置、构建北斗监测网络、组织开展观测活动、加强数据处理分析和重视结果精度检查等工作，以确保测量结果真实准确，并为后续土地开发利用和工程建设施工提供有力信息参考。