北斗衛星發射場系統GNSS控制網的優化設計

付崇偉,趙五小,邢偉

(61206部隊,天津 300140)

北斗衛星發射場系統GNSS控制網的優化設計

付崇偉,趙五小,邢偉

(61206部隊,天津 300140)

北斗導航衛星發射場系統GNSS控制網是為北斗衛星發射提供高精度的位置基準、射向基準及軌道測控基準,本文針對發射場系統GNSS控制網建立技術特點,以控制網觀測的效率性、可靠性、經濟性、精度性為優化設計指標,分別從控制基準優化選取、網形結構設計以及優化精度估算等方面對實施方案進行了優化設計,并通過實際作業驗證該優化設計方法的科學性和可操作性。

北斗導航衛星;發射場系統;GNSS控制網;優化設計

0 引 言

我國新一代北斗導航衛星陸續發射升空,標志著建立全球衛星導航系統的開始。衛星發射場是發射航天器的特定場區,一般有航天器與運載器的裝配與測試廠房、推進劑存儲與加注設備、發射塔架、通訊設備以及測控設備等,這些共同組成了航天發射場系統[1],發射場系統大地控制網不同于常規的大地控制網,主要區別有三點,第一點是常規大地控制網是建立在局部地區之上,而北斗衛星發射場系統大地控制網是根據需要在全國范圍內布設;第二點是常規大地控制網是滿足測圖和工程建設的需要,而北斗衛星發射場系統大地控制網則是滿足北斗衛星發射、測控和軌道維持的需要;第三點是前者坐標系一般是建立局部或地方坐標系,而后者則要求為全球坐標系。基于上述原因,GNSS測量技術是建立北斗衛星發射場系統大地控制網的一種比較理想的測量手段[2]。

在大范圍和復雜環境條件下,建立滿足北斗衛星發射場系統特殊技術要求的GNSS控制網,必須要投入大量的人力、物力和財力,為使GNSS控制網測量工作更高效、更有序,以實現更大效益,為此,本文在GNSS測量方法建立控制網基礎上,對發射場系統GNSS控制網的實施方案進行了優化設計,文中從優化設計的原則、控制基準選取、網形布設、精度估算等方面進行了闡述,并通過實際測量作業驗證了該優化設計方案的可行性。

1 控制網優化設計的原則

北斗衛星發射場系統GNSS控制網優化設計總的原則是:在滿足發射場系統精度要求和可靠性前提下,盡量減少人力、物力、時間及經費的消耗。評價控制網優化設計標準有以下幾點指標:

1) 效率指標:在GNSS網中,點位數、接收機數和平均設站次數確定后,完成該網所需的理論最少觀測時間可以確定。當按照某具體布網方式和作業方式進行測量時,完成整網觀測時間與理論最少觀測時間有所差異,理論最少觀測時間與設計的觀測時間的比值即為效率指標[3]。

2) 可靠性指標:可靠性指標是用來描述GNSS網抵抗粗差影響的能力[3],要求網中具有一定的多余觀測,如三角觀測三個角,導線或水準觀測形成閉合環,使控制網具有較高的自檢能力,避免粗差出現。

3) 經濟性指標:經濟性指標主要由控制網點數、接收機數、觀測基線數和測區交通條件決定,觀測的基線數量是影響經濟性指標最重要的因素。

4) 精度指標:精度指標是分析GNSS控制網優化設計質量的主要標準,也是評價優化設計成敗的關鍵,控制網的精度一般用未知參數的方差或協方差來描述[4]。

2 控制網基準的優化設計

根據GNSS網基線解算原理可知,基線固定點的誤差會對基線解算結果影響很大,在GNSS網約束平差時,已知基準選取不當,會使整個GNSS網產生扭曲[5]。因此,必須對GNSS網的位置基準進行優化設計,GNSS控制網的基準優化設計原則:網中有國家級或其它高等級控制GNSS點如國際IGS基準站、國家連續運行基準站、地殼運動觀測站,優先采用這些點的坐標值作為網的位置解算基準;網中無已知數據,則采用網中長時間觀測點的測量成果作為網的位置解算基準。

按照這條原則,發射場系統GNSS網根據發射點、技術廠房、測控設備位置分布情況,選取國際IGS基準站LHAS、KUNM、WUHN、BJFS四個站作為整個網的位置基準。網點的選埋參照《全球定位系統(GPS)測量規范》(GB/T 18314-2009)中要求,布設B級點13個組成首級控制網,在此基礎上布設C級點11個實現對首級控制網的加密,目的是便于發射點和設備點聯測,整個網共設計24個點。具體點位設計分布如圖1所示。

圖1 GNSS控制網點位設計布設示意圖

3 控制網的網形優化設計

北斗衛星發射場系統GNSS控制網的建立是圍繞發射中心區、技術測試廠房區、發射首區、飛行測控區四個部分進行布設控制點,結構關系如圖2所示,而且選取國際IGS基準站作為網的基準,因此,網形結構的優化設計原則:基于國際IGS基準站同步觀測基礎上,各分區同步觀測,控制網必須是全面連續網,邊長控制在10～30 km的范圍內,個別地區根據發射場系統的需要,適當調整邊長的范圍。為了使控制網與全國GNSS網、國家常規大地控制網之間緊密銜接,布網時要充分利用場區內已有的國家GNSS網點和一、二等天文大地控制網點[5]。同時為了建立強有力的圖形結構和增加一定數量的多余基線觀測量,各分區控制網采用點邊混連式布網方式進行結合[6]。

圖2 GNSS測量控制網結構示意圖

4 控制網優化的精度估算

GNSS網在網形確定后,根據作業接收機標稱精度可以估算網中控制點的精度,精度估算是衡量控制網優化設計的指標,GNSS網精度估算原則:根據計劃的觀測量,由點位精度與觀測值先驗精度的函數關系,列出其誤差方程的系數矩陣A,給定各觀測值的先驗精度后,可以得出權矩陣P,組成未知數法方程的系數陣N[3]

N=ATPA，

(1)

(2)

在點位精度估算時為簡化權陣計算,假定各基線邊之間隨機獨立,基線分量之間隨機獨立。

則有:

(3)

式中,MΔX,MΔY,MΔZ為基線邊各分量的先驗中誤差。設定GNSS控制網基線邊的觀測中誤差為

MΔX=MΔY=MΔZ=0.005+1 ppm·D,

(4)

式中:D為基線邊長;σ0為單位權中誤差,按下式計算:

σ0=0.005+1 ppm·D,

(5)

按此原則進行網中點位精度估算,取網中24點,計劃施測26條獨立邊,按概略坐標計算,得到單位權中誤差為0.032 m,點位坐標分量最大值為0.023 m,最小值0.010 m,平均值為0.015 m.

5 控制網的測量實施

根據優化設計原則,GNSS網作業投入8臺GNSS雙頻接收機,均采用扼徑圈天線,作業中分成2個組。控制網中B級點位,在IGS基準站同步觀測基礎上,同一區域實時同步觀測,每點觀測不少于3個時段,每時段長度為23 h[7-8]。某觀測時段內,若有效觀測數據量少于20 h或有效時段數據的采用率低于80%時,均加測1個時段。C級點位在B級點控制下進行觀測,每點觀測時段數不少于3個,每時段長度≥4 h[7-8]。

控制網B級點測量數據處理以高精度IGS精密星歷的高精度坐標作為起算值,使用Gamit軟件進行基線解算,采用與Gamit配套的Globk軟件解算出各點對應于觀測歷元的高精度坐標和多時段觀測數據的整體平差,數據處理適當約束極移、UT1參數,衛星軌道約束5 cm.并將計算結果歸算到2000中國大地坐標系,歷元為2000.0. C級點數據處理使用Pinnacle軟件,分區進行數據處理,選擇鄰近的同步觀測的B級點作控制。

北斗衛星發射場系統GNSS控制網的觀測數據處理采用整體聯合平差,各分量平均中誤差mX為0.005 m,mY為0.011 m,mZ為0.009 m,坐標各分量結果精度統計如表1所示。

表1 空間直角坐標分量中誤差統計

6 結束語

本文提出了使用效率指標、可靠性指標、經濟性指標和精度指標作為評價優化設計標準,在文中通過對GNSS控制網精度估算和作業測量數據的比較,可發現兩者一致性較好,驗證了優化精度指標的科學性。在控制網基準優化設計中,基于IGS基準站同步觀測模式,實現了作業中集團同步作業模式為單個小組觀測,觀測時間不受約束,不受儀器數量限制,任何時間觀測都可以組成結構良好的同步環,而且在測區內不需要選擇控制點進行觀測[9],節省人力、物力,驗證了優化設計的效率指標、可靠性指標、經濟性指標的可操作性。另外經過了北斗導航衛星歷次發射和地面站測控設備的實踐檢驗,證明北斗衛星發射場系統GNSS控制網優化設計方案方法先進、數學模型正確、質量可靠。

[1] 王俊勤,沈慧群. 航天靶場大地工程測量 [M]. 北京:解放軍出版社,2007:36-38.

[2] 許其風.空間大地測量學[M]. 北京:測繪出版社, 2001:142-148.

[3] 宋力杰.粗差探測理論研究及其在GPS向量網中的應用[M]. 鄭州:解放軍測繪學院,1996:71-74.

[4] 周秋生.測量控制網優化設計[M]. 北京:測繪出版社,1992:88-89.

[5] 呂志平,張建軍,喬書波. 大地測量學基礎[M]. 北京:解放軍出版社,2005:112-113.

[6] 總參謀部測繪導航局. 大地與工程測量[M].北京:解放軍出版社,2012:231-234.

[7] 全球定位系統(GPS)測量規范[S].北京:測繪出版社,2009:7-10.

[8] 劉學杰. 礦區GPS網平差方案優化及精度分析[J].測繪通報,2016(6):64-68.

[9] 劉凱,余代俊,劉威輝. 基于“天地圖四川”的GPS控制網布設[J].全球導航定位,2016,41(2):118-120.

Design and Precision Analysis of the GNSS Control Network of the BeiDou Satellite Launch Site

FU Chongwei,ZHAO Wuxiao,XING Wei

(Troops61206,Tianjin300140,China)

GNSS control network of the launch site of BeiDou navigation satellites is used to provide high precision position reference, high direction reference and high orbit control reference, and is the key to ensure the satellite launch vehicle successfully launched and precisely orbited. design of the measurement and control network should be scientific and precise, and take outside practice feasibility. This article discussed on technical design and measurements implement of GNSS control network, estimated the GNSS accuracy of control network by measurement working, and verified the technology design’s feasibility of Beidou satellite launch site GNSS control network.

BeiDou navigation satellite; launch site; GNSS control network; technical design

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.03.013

2016-10-27

P228.4

A

1008-9268(2017)03-0066-04

付崇偉 (1977-),男,工程師,主要從事大地測量數據采集與分析處理工作。

趙五小 (1976-),男,工程師,主要從事大地測量數據采集與分析處理工作。

邢偉 (1980-),男,工程師,主要從事測繪測量數據管理工作。

聯系人: 付崇偉E-mail: 345841036@qq.com