星站差分定位在区域重力调查中的应用探究

摘 要：在我国西部沙漠和高山地区开展区域重力调查工作时，由于国家控制点较为稀缺，甚至一些地方缺乏控制点。在这个复杂环境下，传统的测量技术往往难以解决重力点定位的问题。而引入星站差分定位这一新技术可成功地克服这一困境。通过详细介绍星站差分定位的基本原理，并结合野外项目实例对比试验数据的精度，该文展示该技术可在平面和高程方向上的测量精度，分别为±0.504 m和±0.156 m。这些结果不仅满足1∶250 000区域重力调查规范的精度要求，还验证星站差分定位在精度和定位准确性方面的卓越性，以及提高野外工作效率的显著优势。综合分析近年来的野外实测数据，该研究总结星站差分定位在区域重力调查中的优点和缺点，并为今后在该领域采用星站差分定位提供有益的参考，有望在未来的区域地质研究中发挥关键作用。

关键词：星站差分；重力点定位；对比分析；测量精度；野外项目实例

中图分类号：P228 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）24-0006-04

Abstract： When the regional gravity survey is carried out in the desert and alpine areas of western China， due to the scarcity of national control points， some areas even lack control points. In this complex environment， the traditional measurement technology is often difficult to solve the problem of gravity point location. The introduction of the new technology of satellite-based differential positioning has successfully overcome this dilemma. By introducing the basic principle of satellite station differential positioning in detail， and comparing the accuracy of test data with field projects， this paper shows the measurement accuracy of this technique in plane and elevation direction， which is ±0.504 meters and ±0.156 meters respectively. These results not only meet the accuracy requirements of the 1∶250 000 regional gravity survey specification， but also verify the excellence of satellite station differential positioning in accuracy and positioning accuracy， as well as the significant advantages of improving field work efficiency. Based on the comprehensive analysis of the field measured data in recent years， this study summarizes the advantages and disadvantages of satellite station differential positioning in regional gravity survey， and provides a useful reference for the application of satellite station differential positioning in this field in the future. It is expected to play a key role in regional geological research in the future.

Keywords： satellite-based differential positioning; gravity point location; comparative analysis; measurement accuracy; field project example

在区域重力调查中，调查工作通常在几千甚至上万平方千米的工作区域开展，随着重力调查精度的不断提升，对重力测点的定位精度要求也日益提高。在重力勘探中，采用网络实时动态测量定位技术（CORS）服务是一种常见的方法，该服务覆盖CORS服务范围内的区域，相较于传统全球定位系统（GPS）作业，具有范围广、精度高、野外单机作业的优势[1]。然而，在无CORS服务的区域内通常用快速静态测量，这种方法需要在野外架设基站且需要数分钟至几十分钟的定位观测，由于它不能够对数据质量进行实时监控，在进行数据处理的时候软件参数的设置和基线质量的评定又和处理人员的工作经验有关，因此快速静态的测量结果往往都带有或大或小的定位误差[2]。而在西北沙漠、高山地区开展区域重力调查工作，工作区域范围大且无CORS定位服务的环境下无法采用以上方法。因此引用卫星实时差分的高精度定位方法（以下统称为星站差分）来完成区域重力调查的定位工作，目前该方法已独立成为一种新的全球导航卫星系统（GNSS）定位方法，无须自己设置地面参考站也能实行单机作业，定位不受距离的限制，施工灵活，能够实时监控测量数据的质量[3]，因此，星站差分方法能够提供非常精确和可靠的测量结果，为区域重力调查的定位工作提供了一种高效的解决方案。

1 仪器原理及试验数据

1.1 星站差分原理

本项目重力测点的定位工作使用的测量仪器为广州中海达卫星导航技术股份有限公司旗下的海星达iRTK5X型GNSS接收机星站差分模式，星站差分是一种采用卫星通信网络发送差分改正数据，从而达到实时高精度差分定位的方法[4]，星站差分定位是在无控制点地区满足测量定位精度的主要方法。星站差分定位技术的基本原理是差分定位，星站差分系统由参考站、数据中心、地球同步卫星和用户构成。参考站将跟踪的卫星信号发送至数据处理中心，数据处理中心利用这些数据生成差分数据，并将差分数据通过卫星或者其他数据播发链路发送至用户，用户利用差分数据改善定位精度[5]。这种新的作业方式，不需要在测量过程中架设基准站，同时通过采用卫星通信技术摆脱了对网络和电台通信的依赖，使用范围更为广泛且操作更为便捷[4]，能很好地满足区域地球物理调查重力点定位的要求，提高工作效率。

1.2 试验数据

研究测区位于河西走廊地带的祁连山以北、内蒙古吉兰泰—巴丹吉林一线以南地区，该区域地貌划分涵盖了酒泉盆地、民乐盆地、武威盆地、潮水盆地、雅布赖盆地和巴彦浩特等主要盆地。测区环境多数为沙漠、戈壁及高山区，地势陡峭，该区域属于农牧业交错区，拥有丰富的能源和矿产资源。为查明该区的重力场基本特征与变化规律，构建三维地球物理属性结构模型与盆地构造格架，为深化重要断裂空间展布、盆地结构、区域盆山耦合关系、盆地演化及其对成藏成矿等基础地质问题认识提供重要基础信息和科学依据，在该区开展1∶250 000区域重力调查工作。

为全面验证中海达iRTK5X型GNSS接收机星站差分模式在重力测量中的定位精度是否符合规范要求，在项目实施前采取了一系列严格的验证步骤。首先，前往国家认可的检测中心进行仪器检测，并取得有效的检测证书。随后，对仪器进行试验精度的对比分析。

本文通过2020—2022三年的试验数据对比分析中海达iRTK5X型GNSS接收机星站差分定位测量的精度。3年试验数据对比见表1。试验方法是将设备在国家大地控制测量点已知点上进行测量，这些控制测量点具有较好的测量试验对比条件，其坐标系被设置为CGCS2000，然后将测得的数据与已知控制点的坐标数据进行对比，计算纵向直角坐标N、横向直角坐标E及测点大地高H的差值，并绘制出差值图如图1所示，图1中展示了测量结果的变化趋势。这一验证过程旨在确保仪器在实际应用中的定位精度满足规范要求。

经过3年的试验数据对比，测量结果的N、E、H值最大值见表2，测量结果与国家大地控制测量点已知点N、E、H值差值均小于0.2 m。根据《项目施工方案》DZ/T 0082—2021《区域重力调查规范》、DZ/T 0153—2014《物化探工程测量规范》和GB/T 18314—2009《全球定位系统（GPS）测量规范》中的精度要求，中海达iRTK5X型GNSS接收机星站差分模式的定位精度均满足本次1∶250 000区域重力调查精度要求定位工作。

2 应用分析讨论

为了完成本项目3年的1∶250 000区域重力调查工作的重力测点的定位工作，采用的测量仪器为中海达iRTK5X型GNSS接收机星站差分模式，和重力测量工作同步进行。为了确保获得高质量的重力测点平面坐标和高程测量数据，在进行重力测量前，进行了对比试验以确保RTK仪器测量工作达到规范精度要求。星站差分模式在卫星锁定以后，对每个测点进行平滑采集，取得由10个读数平均的固定解。采集坐标要素包括经度、纬度、横向直角坐标E、纵向直角坐标N及测点大地高H。由于2000重力观测系统采用的是水准高，因此采集后的大地高H要通过CQG2000转换为水准高。

由于研究区域大多分布在西部沙漠和高山地区，而测点坐标定位观测时间由观测点的环境决定，对于干扰小、卫星信号强的区域观测时间甚至能缩短至1～3 min以内；对于山谷地理环境条件下，干扰大、卫星信号弱的区域，观测时间可能延长至10 min以上。为了保证重力测点的测地工作的数据质量，采取了按3%～5%的比例进行质量检查，测点质量检查和重力观测质量检查同步进行，采用“一同三不同”检查方式，对比经度、纬度、横向直角坐标E、纵向直角坐标N及测点大地高H。先计算单个质检点的横向直角坐标E、纵向直角坐标N、测点大地高H与测量点的差值，而后计算所有质检数据的平面和高程的均方误差。在研究区域的3年调查中，共完成了7 947个GNSS测点的调查，其中质检测点为305个，质检率达到3.84%。所有质检点的数据均合格，最终测点的平面位置均方误差为±0.504 m，高程均方误差为±0.156 m，完全满足设计和规范的要求。

2.1 星站差分的优点

该方法的优点主要体现在以下几个方面：一是无须控制点可直接测量，不受区域和距离限制，覆盖范围广；二是无须架设基站采用全球统一坐标系统，一人一机就可以开始作业，操作更为简便高效；三是抗干扰能力较强，不受常规差分信号频段干扰，精度相较于传统方式更高，提高了测量的可靠性；四是单机定位精度可达到厘米级，高精度定位应用于沙漠、戈壁、高山等区域解决了该区域定位难的问题，为高精度定位应用提供了可行性。

2.2 星站差分的缺点

该方法在实际应用中也面临一些限制：一是受卫星状况限制，在测量过程中可能会出现卫星失锁情况，需要等待几分钟重新获得卫星；二是遇到山谷地形条件要获得厘米级精度的固定解，需要相对较长的等待时间，通常在10～30 min之间；三是初始化时间较长，在中午电离层干扰大的时段，很难获得固定解定位；四是一些新的星站差分服务商的介入可能会导致差分账号较之前有所上涨[6]。

3 结论

本文通过介绍了星站差分定位的基本原理、测量工作方法及精度评价方法，综合分析试验数据精度与野外项目实例应用，得出结论如下：

1）通过3年的仪器试验数据对比分析得出，测量结果的N、E、H值与国家大地控制测量点已知点N、E、H值差值均小于0.2 m，远远优于设计和规范要求。

2）为了提高区域重力调查定位工作的效率及精度要求，研究区按照规范要求设计平面均方误差为±1.0 m，高程均方误差为±0.6 m。统计分析了3年的实测数据与质量检查数据，最终测点平面位置均方误差为±0.504 m，高程均方误差为±0.156 m，远超过设计精度要求，充分证实了星站差分定位模式精度满足区域重力调查测量定位的精度要求。

3）星站差分定位模式不需要自己架设基站，不受区域和距离的限制，覆盖范围广，精度可以达到厘米级，抗干扰能力较强，一人一机就可以独立完成定位测量工作。

4）测点坐标定位观测时间由观测点的地理环境条件决定，测点为沙漠、戈壁空旷的地理环境条件下卫星信号强、干扰小，达到固定解观测时间一般缩短至1～3 min以内；测点为山谷地理环境条件卫星信号弱、干扰大，达到固定解观测时间可能延长至10 min以上。

参考文献：

[1] 张小龙，周月，延海涛.CORS RTK定位技术在巢湖地区重力测量中的应用与研究[J]．能源技术与管理，2022，47（5）：176-179.

[2] 刘红江.重力勘探中GPS快速静态定位高程粗差点的判别方法[J]．物探装备，2009，19（6）：398-401.

[3] 李永海.陆上星站差分服务及其在物探中的应用[J]．物探装备，2019，29（2）：133-137.

[4] 许宗武，米辉，丁文利.星站差分在热带丛林区可控震源项目中的应用[J]．物探装备，2022，32（1）：25-27.

[5] 王开锋，卢黎明.Atlas星站差分系统定位性能测试[C]//江苏省测绘地理信息学会，江苏省测绘工程院.2017年度江苏省测绘地理信息学会GPS、大地专业委员会学术年会暨JSCORS技术交流大会论文集.江苏省测绘工程院;河海大学，2017：2.

[6] 何欣松.StarFire星站差分技术在矿区测量中的应用探讨[J].新疆有色金属，2014，37（1）：10-11.