BDS/GPS工程控制網質量分析

周建營,陳國恒,陳梅森

(廣東省國土資源測繪院,廣東 廣州 510500)

0 引 言

隨著衛星導航定位技術的迅速發展,我國在測繪地理信息產業的工程領域已進入集全球定位系統(GPS)、格洛納斯衛星導航系統(GLONASS)、北斗衛星導航系統(BDS)和伽利略衛星導航系統(Galileo)的全球衛星導航系統(GNSS)時代,其中BDS的建設發展起到了重要作用. 在2012年,我國完成了北斗二號系統(BDS-2)5顆地球靜止軌道(GEO)衛星、5顆傾斜地球同步軌道(IGSO)衛星、4顆中圓地球軌道(MEO)衛星的發射組網,這種星座在低緯度地區及林區、城市交接區、山川峽谷區性能突出[1]. 按照目前BDS“三步走”的發展戰略,2020年將建成北斗三號系統(BDS-3),且在衛星星座、信號設計等方面相較于BDS-2均有了很大改進[2],這將為測繪生產工程控制網的建立提供多一種衛星系統的選擇,而不需僅依靠GPS單星系統. 部分文獻利用香港連續運行參考站(CORS)或Multi-GNSS Experiment(MGEX)項目的觀測數據進行BDS解算分析[3-5],一定程度上為BDS工程控制網數據處理提供參考. 而對于實際測繪生產工程控制網,各測站的地理環境復雜,觀測條件相對較差. 文獻[6]以新疆地區某水利工程GNSS框架網7個控制點為例,比較分析了BDS和GPS的數據處理結果,試驗說明BDS可滿足該網的建設需要,但綜合比較后還是以GPS作為最終應用成果;文獻[7]對高速鐵路基礎平面控制網(CPI)進行BDS/GPS單獨系統的解算,結果表明BDS各項指標的精度可用于高速鐵路測量控制網的建立.

本文以廣東省域內某工程控制網為例,通過BDS/GPS單星系統的數據處理,分別從觀測數據質量情況、基線解算與平差精度、坐標結果差異性等指標,分析比較BDS/GPS單星系統下的建立情況,驗證了BDS單星系統建立工程控制網的可行性.

1 工程控制網情況

本文選取的控制網位于廣東沿海地區,該網按GNSS-B級的級別要求建立[8]. 工程區域布設了26個控制點,以邊連式的觀測方式分成兩個同步環,觀測時間為2019年第208-210天和第214-216天,接收機同步采集BDS/GPS數據,同時聯合工程區域周邊19個GDCORS站一并進行數據處理. 控制網點位布設如圖1所示.

圖1 控制網布設示意圖

為了客觀評價BDS/GPS單星系統的數據質量情況、基線解算與平差精度、坐標結果差異性等各項指標,本次實例處理流程均保持一致. 針對BDS/GPS多星觀測數據的rinex3.0格式采用G-Nut/Anubis和RTKLIB進行數據質量情況分析[9-10];廣播星歷和精密星歷均采用混合星歷產品;數據處理采用GAMIT/GLOBK 10.7,基線解算sittbl.表中JMGT站設置為0.05,0.05,0.05,歷元間隔為30 s,衛星截至高度角為10°,采用對流層延遲估計,海潮模型采用FES2004,其它參數均為默認模式[11]. 平差計算以JMGT、FKGT、ZQGT、YJGT、GTCH、ZHGT共6個GDCORS站作為CGCS2000坐標起算基準.

2 數據分析與比較

2.1 數據質量情況

首先以其中一個測站B109為例,輸出全天各時段的可觀測衛星情況如圖2所示.

圖2 可觀測衛星情況

從圖2來看,測站能接收到的GPS衛星(代碼為G)為32顆,BDS衛星(代碼為C)為30顆,其中BDS同時接收了BDS-2和BDS-3衛星,可觀測衛星數BDS與GPS相差不大.

再對所有觀測站點進行數據質量檢查,分別從衛星截至高度角>10°時的預期觀測值數量(Exp>10)、衛星截至高度角>10°時的實際觀測值數量(Hav>10)、數據利用率(Ratio)、周跳比情況(o/slps、CSR)、多路徑誤差值(mp1、mp2、mp6、mp7)等各項指標進行統計. 考慮各測站均為連續觀測,此處僅列出26個控制點測站其中一天的質量分析情況,如圖3所示.

(a)觀測值數量與數據利用率

(b)周跳比情況

(c)多路徑誤差值圖3 質量檢查情況

由圖3(a)可知,各測站的數據可利用率均大于80%,符合相關要求. 其中80%～85%的有7個測站,最低值為B056,數據可利用率80.9%;85%～90%的有15個測站;大于90%的有4個測站,最高值為B099,數據可利用率91.16%. 周跳比情況以CSR值來評定[12],由圖3(b)可知,各測站均小于10,符合相關要求. 其中相對較大的有B056(CSR=7.19)、B106(CSR=9.80)、B109(CSR=9.35). 多路徑誤差值(mp)一般認為小于50 cm即代表測站觀測條件良好,若mp值越小,說明多路徑效應影響越小[13]. 本次工程控制網BDS對應的多路徑頻率索引分別為mp2、mp6和mp7,其中測站B072、B113可接收3個頻率,其余測站可接收2個,GPS對應的多路徑頻率索引分別為mp1和mp2. 由圖3(c)可知,測站中BDS的多路徑效應影響總體小于GPS,所有測站的BDS多路徑誤差值均小于50 cm,符合相關要求,有22個測站的GPS多路徑誤差值均小于50 cm,有4個測站的GPS多路徑誤差值大于50 cm,分別為B056、B106、B109、B111.

2.2 基線解算與平差精度

根據上述的數據質量情況,對該26個測站與周邊19個GDCORS站進行BDS/GPS單星系統數據處理. 限于篇幅,本文列出了數據質量較差的B109測站,以及數據質量較好的B099測站較長和較短基線解算統計情況,同時輸出兩個測站的天空及相位殘差圖,如表1和圖4所示.

表1 基線解算統計 m

(a)B109-BDS

(b)B109-GPS

(c)B099-BDS

(d)B099-GPS圖4 天空及相位殘差圖

從表1可知,數據質量較差的B109測站在N、E值上的BDS/GPS差值均為毫米級,而在U的差值上均為厘米級,其中較長基線B109-FKGT的U差值為4.09 cm,較短基線B109-B111的U差值為3.04 cm. 數據質量較好的B099測站在N、E、U值上的BDS/GPS無論是較長基線或較短基線,其差值均為毫米級,差異性不大. 由圖4可知,B109測站天空圖中的正負殘差相較于B099測站更大,表明B109測站受多路徑或水汽影響較大. 從各時段的衛星運動情況來比較,BDS的衛星運動軌跡明顯少于GPS,與可觀測衛星情況不符,從解算結果文件來看,原因是GAMIT/GLOBK10.7目前只解算了BDS-2衛星. 從相位殘差來比較,與GPS相比,BDS的相位殘差紅線波動較大,點位分布較發散. B099測站的相位殘差紅線波動小于B109測站,點位分布更集中,這也證明了B099測站的數據質量是優于B109測站的.

針對BDS/GPS的數據質量差異,對第209天所有測站的N、E、U基線分量進行精度比較,如圖5所示.

圖5 各基線分量精度比較

由圖5可知,各測站基線解算精度比較中,BDS在N、E、U方向的精度均低于GPS,其中BDS的N方向平均精度為4.6 mm,E方向平均精度為6.2 mm,U方向平均精度為32.9 mm;GPS的N方向平均精度為3.7 mm,E方向平均精度為4.4 mm,U方向平均精度為17.2 mm. BDS基線解算精度整體低于GPS.

再以JMGT、FKGT、ZQGT、YJGT、GTCH、ZHGT共6個GDCORS站作為CGCS2000坐標起算基準,合并6天的基線解算結果進行平差計算,比較N、E、U方向的平差精度,如圖6所示.

圖6 平差精度比較

由圖6可知,平差計算中BDS的N方向平均精度為1.74 mm,略低于GPS的N方向平均精度1.39 mm;BDS的E方向平均精度為2.28 mm,略低于GPS的E方向平均精度1.61 mm;BDS的U方向平均精度12.09 mm,低于GPS的U方向平均精度6.25 mm. 整體來看,BDS在N、E、U方向平差精度均低于GPS,其中U方向相對更顯著.

2.3 坐標結果差異性

為進一步比較BDS/GPS單星工程控制網的數據處理差異,本文分別提取平差文件中26個待求測站的CGCS2000三維坐標值,以BDS/GPS坐標較差的絕對值來比較分析其結果的差異性,如圖7所示.

圖7 坐標結果差異

由圖7可知,26個待求測站中BDS/GPS坐標結果在X方向上平均較差為5.8 mm,較差小于10 mm的有22個,10～20 mm的有3個,大于20 mm的有1個,最大較差為B111測站的23.42 mm;Y方向上平均較差為13.51 mm,較差小于1 mm的有11個,10～20 mm的有10個,大于20 mm的有5個,最大較差為B111測站的46.45 mm;Z方向上平均較差為4.41 mm,較差小于10 mm的有23個,10～20 mm的有3個,沒有大于20 mm的測站,最大較差為B054的15.2 mm. 從結果差異性來看,BDS/GPS的坐標結果在X、Z方向的差異相對更小,Y方向的差異相對更大,而且數據質量較差的測站,其坐標結果差異性也相對更大,但無論數據質量如何,這種差異性均為毫米級或者厘米級. 由于只處理了BDS-2衛星,BDS-3暫無法一并進行解算,導致BDS的數據處理衛星數減少了一半,影響了數據處理精度和坐標結果.

3 結束語

本文利用廣東省域內某工程控制網的應用實例,分析比較了BDS/GPS單星系統下的建立情況,得到了以下幾點結論:

1)測站的BDS/GPS數據質量情況大部分良好,其中數據可利用率均大于80%,反映周跳比的CSR值均小于10,所有26個測站的BDS和22個測站的GPS多路徑誤差均小于50 cm,有4個測站的GPS多路徑誤差值大于50 cm,BDS的多路徑效應影響要小于GPS,BDS可見衛星數與GPS相差不大.

2)數據質量較好的測站,BDS/GPS基線解算的各分量值均為毫米級的差異;質量較差的測站,BDS/GPS基線解算的N、E分量值為毫米級的差異,U分量值為厘米級的差異. 整體的數據處理方面,BDS的基線解算與平差精度低于GPS,且在U方向上相對更為顯著.

3)數據質量較好的測站,BDS/GPS得到的坐標結果差異性平均只有毫米級,完全可替代GPS作為工程應用的最終解算成果;在數據質量較差的測站,Z方向上平均為毫米級的差異,X、Y方向上平均為厘米級的差異,可滿足一般工程控制網的要求.

4)由于目前GAMIT/GLOBK 10.7只能處理BDS-2的數據,導致BDS-3衛星數據尚未能有效參與解算,隨著BDS-3的全球組網和相關高精度數據解算程序的更新,BDS的解算精度會進一步提高.