星站差分應用于遠海島礁控制測量的可行性分析

萬家歡,蔣其偉,王玉峰,王春瑞,宗敬文,公茂軍

(1.92292部隊,山東 青島 266405;2.中國石油大學,山東 青島 266500)

0 引 言

遠海島礁由于距離大陸較遠，一般距離在幾百公里以上，在進行地形測量時，前期的控制測量難以通過傳統的GPS靜態相對測量完成，需要尋求新的定位方式或技術[1]。精密單點定位(PPP)是遠海島礁控制測量中常用的一種技術，利用長時間觀測的GPS定位數據再輔以精密星歷文件進行解算可以獲得符合地形測量精度要求的控制點坐標[2-3]。但是精密星歷在觀測時間12天之后才會發布，在測量任務緊急特別是遠海島礁測量受海況影響較大的情況下，需要及時獲得控制點的坐標并盡快施測才能按期完成任務。因此對于測量時限緊張的任務，需要尋找其他符合測量規范精度要求的控制測量技術。

在分析PPP定位技術的基礎上，介紹了STARFIRE星站差分技術，對其具體測量技術流程及數據處理方法進行了闡述。利用長時間觀測的星站差分數據獲得了控制點的坐標，將其與PPP定位結果進行了比較。實測數據表明星站差分技術用于控制測量具有一定的可行性，其測量成果符合測量規范要求，在遠海島礁等地情特殊的區域可以替代PPP用于快速控制測量，有效提高作業效率。

1 遠海島礁控制測量方法

1.1 精密單點定位

PPP這一概念首先由美國噴氣推進實驗室的Zumberge等人于1997年提出，并給予實現。它是一種利用衛星精密星歷和衛星鐘鐘差數據以及雙頻碼和載波相位觀測值，采用非差模型進行定位的方法。PPP的精度在很大程度上依賴于精密星歷和衛星鐘鐘差的精度，IGS所提供的優于5 cm的GPS衛星精密軌道和優于0.1 ns的精密衛星鐘鐘差數據為PPP的出現奠定了基礎[4]。

與相對定位相比，PPP具有不受測站間觀測距離限制、能直接獲得測站坐標、節省作業開支等優點。由于遠海島礁離陸地距離遠，無法利用相對定位的方式進行控制測量，因此在遠海島礁上，PPP成為主要的低等級控制測量方法。一般在海測中，其控制測量精度可作為C等級點，但是高精度的精密星歷文件在觀測時間12天之后才能從IGS官網上獲得，因此PPP定位技術的時效性較差，其應用也受到一定的限制[5]。

1.2 星站差分技術

STARFIR系統的GPS 地面基站網絡，由美國國家宇航局與美國噴氣動力試驗室共同建立并維護。通過對地面基站的數據處理后注入國際海事衛星，再向全球范圍發布雙頻GPS差分信號，供用戶實時定位測量。由于采用衛星代替RTK地面基準站，因此又稱之為“星站差分”。它是目前世界上第一個可以提供三維實時定位高精度星基差分系統，其水平精度優于10 cm .這種基于GPS網絡的星鏈技術，代表著高精度GPS發展的主要方向之一[6-7]。

2 星站差分數據采集及處理流程

2.1 星站差分數據采集方法

采用C-Nav2050 GPS進行星站差分定位，其數據采集及處理流程如下。

1)接線：ANT接天線、COM1接PC、POWER接電源。

2)上電、開機：將電腦打開后再與接收機相連，然后再打開接收機。

3)打開C-Setup控制軟件：新建一個設備，Device Type選C-Nav3050，Device Name設置為GPS天線序列號。

4)連接：設置PC端口，如果不知道接收機的設置選擇Auto Band.等待GPS信號，GPS信號指示燈變為綠色，設備自動采集并存儲在默認路徑下，連續采集12 h.

2.2 數據處理流程

采用系統自帶的BLHAverage軟件對采集到的差分數據進行粗差剔除。

載入觀測到的測站差分數據，點位的水平和垂直分布如圖1和圖2所示，其中圖1為某測站差分數據的點位水平分布圖，圖2為某測站差分數據的點位垂直分布圖。從圖1、2可以看出，水平點位的誤差分布收斂性比較好，垂直點位的誤差變化比較大，基本不收斂，不能作為后續高程起算依據。選擇剔除粗差的方法收斂后，將大于3點剔除，得到測站坐標。

圖1 水平點位分布圖

圖2 垂直點位分布圖

3 星站差分與精密單點定位的精度對比分析

按照上述數據處理流程，在某遠海5個島礁上進行了實地測量比對，按照技術設計書，島礁的測圖比例尺為1∶1000，平面控制點坐標精度為0.1 m.在5個島礁上共布設了15個控制點，每個控制點PPP的觀測時間為連續12 h，星站差分的測量時間也為12 h.

以PPP測量結果為真值，將PPP解算出的數據和星站差分的數據進行高斯投影，計算二者的平面坐標差值，表1示出了15個控制點星站差分的X向誤差、Y向誤差和點位誤差。其中X向最大誤差絕對值為0.027 m，Y向最大誤差絕對值為0.052 m，點位最大誤差為0.057 m.

表1 星站差分與PPP精度對比

圖3給出了X、Y點位誤差分布圖，從圖中可以看出，點位誤差主要分布在[0,4 cm]區間，整體誤差分布比較均勻，這表明星站差分定位單點定位值是可靠的。按照測量規范的要求，本次測圖的平面控制精度要求為0.1 m，星站差分的精度符合測量規范要求，可以作為測圖控制點使用[8]。

圖3 星站差分定位誤差分布

4 結束語

STARFIR星站差分系統應用了最先進的多基站、星鏈算法，采用該系統可以獲得高精度的定位結果。利用軟件對12 h的星站差分定位數據進行處理，剔除大于3誤差的點后，其平面坐標的精度可達cm級，獲得的點位坐標能夠作為控制測量成果使用。在遠海島礁等地情特殊的區域，無法進行相對定位且測繪任務時間緊急的情況下，利用STARFIR星站差分技術可以替代PPP來快速提供符合精度要求的控制點坐標，能夠有效提高作業效率，確保按期完成測繪任務。

[1]劉焱雄,周興華,張衛紅,等.GPS 精密單點定位精度分析[J].海洋測繪,2005,25(1):44-46.

[2]邱中軍,陳景平,房 穎,等.精密單點定位及其精度分析[J].測繪工程,2011,20(6):35-37.

[3]張小紅,劉經南.基于精密單點定位技術的航空測量應用實踐[J].武漢大學學報·信息科學版,2006,31(1):20-22.

[4]ZUMBERGE J F,HEFLIN M B,JEFFERSON D C,etal.Precise Point Positioning for the efficient and robust analysis of GPS data from large networks[J].Journal of Geophysical Research,1997,102(B3):5 005-5 017.

[5]IGS.靜態精密單點定位指南[OL].(2011-06-01).http://igscb.jpl.nasa.gov/components/prods_cb.html.

[6]熊 剛,束煥然,廖七一,等.STARFIRETM-RTG星基差分實時精密單點定位原理、測試與應用[J].全球定位系統,2006,31(5):32.

[7]杜 強,陸秀平,肖振坤,等.基于StarFire星站差分GPS系統的精密靜態解研究[J].海洋測繪,2011(5):4-5.

[8]馬曉萍,肖國雄,兀 偉,等.GB/T 20257.1-2007,國家基本比例尺地圖圖式第1部分:1:500 1:1000 1:2000地形圖圖式[S].北京：中國標準出版社,2007.