星站差分系統(tǒng)在遠(yuǎn)海島礁測量中的應(yīng)用

崔 嘉，劉 亮

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456；2.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院天津市水運(yùn)工程測繪技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456）

海洋是人類可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略空間，是當(dāng)今世界各國贏得競爭優(yōu)勢的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。我國是一個(gè)擁有300萬km2主張管轄海域、1.8萬多km大陸海岸線的海洋大國[1]。建設(shè)海洋強(qiáng)國事關(guān)國家安全和長遠(yuǎn)發(fā)展，建設(shè)美麗中國離不開美麗海洋。我國島礁數(shù)量多、分布廣，準(zhǔn)確獲取島礁地理信息數(shù)據(jù)可為海洋國土管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

目前島礁測量主要采用GPS RTK技術(shù)；但在遠(yuǎn)離陸地的海域，往往缺少控制資料，利用GPS RTK測量方法作業(yè)周期長、工作量大。星站差分系統(tǒng)可在無基礎(chǔ)控制區(qū)域獲得很高的定位精度，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于地形、水運(yùn)、水利等測量工作中，將該技術(shù)用于島礁測量可大大節(jié)省控制測量的時(shí)間，提高測量效率。

1 星站差分系統(tǒng)

星站差分系統(tǒng)最初主要用于農(nóng)業(yè)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到土地調(diào)查、海上定位、GIS等諸多方面。目前，市場上已得到廣泛應(yīng)用的星站差分系統(tǒng)包括StarFire、VeriPos和OmniStar，本文以StarFire為例進(jìn)行介紹。

1999年美國NAVCOM公司建立了StarFire網(wǎng)絡(luò)的廣域差分系統(tǒng)，可提供全世界范圍內(nèi)的GPS差分信號，且定位精度可達(dá)dm級，具備非常高的可靠性。StarFire網(wǎng)絡(luò)的可靠信號發(fā)布覆蓋了從北緯76°到南緯76°的地面區(qū)域范圍，定位精度不受區(qū)域范圍影響。StarFire星站差分系統(tǒng)分為全球參考站、數(shù)據(jù)處理中心、注入站、地球同步衛(wèi)星和用戶站5個(gè)部分[2-4]。

StarFire星站差分系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)布設(shè)了28個(gè)雙頻參考站，能全天候收集世界各地的差分信息。數(shù)據(jù)處理中心收到這些差分信息后，通過計(jì)算處理，得到差分改正數(shù)；然后通過地球同步衛(wèi)星實(shí)時(shí)地將這些改正數(shù)傳播到全球的用戶站。用戶站同時(shí)接收GPS差分信號和來自地球同步衛(wèi)星的改正數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的高精度定位[5-6]。星站差分系統(tǒng)的工作原理如圖1 所示。

圖1 星站差分系統(tǒng)的工作原理

2 系統(tǒng)在遠(yuǎn)海島礁測量中的應(yīng)用

2.1 遠(yuǎn)海島礁測量現(xiàn)狀

島礁具有特殊的地理環(huán)境，測量難度大，常規(guī)的測量方法效率很低。隨著測繪科技的快速發(fā)展，目前應(yīng)用于島礁測量的主要技術(shù)手段包括GPS RTK技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)和遙感技術(shù)等。 GPS RTK技術(shù)是常規(guī)的地形測量手段，在近海島礁測量中應(yīng)用廣泛，但其控制測量時(shí)間長，依賴基站信號，無法用于遠(yuǎn)海區(qū)域；三維激光掃描技術(shù)可快速獲取島礁的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，但其依賴基礎(chǔ)控制，對于地形復(fù)雜的島礁，測站選址困難；遙感技術(shù)可用于遠(yuǎn)海島礁或無法登陸的島礁，但受影像分辨率和重訪周期的限制，很難實(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時(shí)測量。

2.2 星站差分系統(tǒng)應(yīng)用于遠(yuǎn)海島礁測量

遠(yuǎn)海島礁大多處于無控制網(wǎng)的區(qū)域，如何獲得高精度的測量數(shù)據(jù)是測量難點(diǎn)。采用傳統(tǒng)測量技術(shù)，需建立控制網(wǎng)后才能開展碎部測量，費(fèi)時(shí)費(fèi)力、成本較高。星站差分系統(tǒng)可在全球范圍內(nèi)獲得高精度的差分改正信號，既可提供實(shí)時(shí)的點(diǎn)位坐標(biāo)，又可及時(shí)知道點(diǎn)位坐標(biāo)的精度，能極大提高工作效率。星站差分系統(tǒng)SF-3050的StarFire差分定位精度為：水平＜5 cm，垂直＜10 cm。根據(jù)GB 17501-1998《海洋工程地形測量規(guī)范》[7]和JTS 131-2012《水運(yùn)工程測量規(guī)范》[8]的限差規(guī)定，采用星站差分系統(tǒng)能滿足1∶1 000比例尺遠(yuǎn)海島礁地形測量的要求。

遠(yuǎn)海島礁測量作業(yè)中，在無基礎(chǔ)控制資料和GPS基準(zhǔn)站的條件下，基于星站差分系統(tǒng)，測繪人員利用星站差分接收機(jī)便可獲取被測物體的高精度空間坐標(biāo)。因此，星站差分系統(tǒng)可用于島礁岸線測量、資源調(diào)查、工程建設(shè)等領(lǐng)域。

2.3 星站差分系統(tǒng)在無控制區(qū)域測量中的優(yōu)勢

我國大部分島礁往往缺少基礎(chǔ)控制資料，采用傳統(tǒng)測量手段進(jìn)行測量時(shí)，首先需進(jìn)行控制測量建立控制網(wǎng)，其工作量大、作業(yè)過程繁瑣、測圖周期長，特別是在遠(yuǎn)離大陸的海域，建立控制網(wǎng)難度較大，極大地降低了外業(yè)測量的工作效率。星站差分系統(tǒng)通過地球同步衛(wèi)星直接獲得準(zhǔn)確的改正信息[9-10]，信號范圍分布廣；采用RTG 模式，可突破RTK工作距離的限制，也無需建立基準(zhǔn)站，可實(shí)時(shí)獲得高精度的定位信息。

與傳統(tǒng)的RTK GPS、PPK GPS相比，星站差分系統(tǒng)具有的優(yōu)勢為：

1）精度高、速度快。星站差分系統(tǒng)無需逐級控制，無需電臺(tái)發(fā)射差分?jǐn)?shù)據(jù)，作業(yè)覆蓋范圍廣。初始化成功后，定位精確度可小于15 cm；且隨著時(shí)間的延長，其定位精度可減少到5 cm[11-12]。

2）技術(shù)領(lǐng)先、集成度高。星站差分系統(tǒng)擁有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口和豐富的擴(kuò)展功能，具備RTK、靜態(tài)后處理、動(dòng)態(tài)后處理多種工作模式。

3）高效便捷。星站差分接收機(jī)輕便、操作簡單，外業(yè)可單機(jī)獨(dú)立測量，無需建立本地基準(zhǔn)站，可有效減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 工程實(shí)驗(yàn)

星站差分系統(tǒng)對于解決遠(yuǎn)海測量具有RTK、PPK無法比擬的優(yōu)勢，本文借助星站差分系統(tǒng)在某島礁開展了相關(guān)工作。為了驗(yàn)證星站差分系統(tǒng)用于島礁測量的可行性，本文分別利用GPS RTK與星站差分系統(tǒng)兩種方式共同作業(yè)，進(jìn)行地形點(diǎn)坐標(biāo)采集。測量實(shí)驗(yàn)區(qū)域位置示意如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)區(qū)域位置示意圖

實(shí)驗(yàn)區(qū)地勢較平坦，接收機(jī)上空無遮擋、無電磁干擾，測量時(shí)天氣晴朗、微風(fēng)。實(shí)驗(yàn)分別在上午、中午、下午等多個(gè)時(shí)段進(jìn)行測試，星站差分系統(tǒng)最快能在10 min以內(nèi)，最慢約為30 min完成收斂過程，達(dá)到0.1 m的定位精度。

3.2 結(jié)果分析

在測量數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取了10組坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，坐標(biāo)系為WGS84，投影采用高斯3°帶，中央經(jīng)線為123°（E），高程系統(tǒng)采用WGS84橢球高。對比結(jié)果如表1所示，可以看出，兩種方式獲取的數(shù)據(jù)在X方向的最大較差絕對值為0.057 m，均方差為0.037 m；Y方向的最大較差絕對值為0.046 m，均方差為0.029 m；高程的最大較差絕對值為0.094 m，均方差為0.073 m；3個(gè)方向的較差均值都小于0.02 m。根據(jù)GB 17501-1998《海洋工程地形測量規(guī)范》[7]規(guī)定，海岸地形測量圖上地物點(diǎn)相對于鄰近圖根點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差，一般地區(qū)小于或等于圖上0.8 mm，居民區(qū)小于或等于圖上0.6 mm。因此，本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了星站差分系統(tǒng)可滿足1∶1 000比例尺的島礁測量要求。

由上述分析可知，利用星站差分系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)海島礁測量能獲得較高的精度，但在應(yīng)用中也存在一些需要注意的問題。

1）星站差分系統(tǒng)依賴衛(wèi)星信號，在密林或陡崖區(qū)域測量時(shí)，需時(shí)常查看儀器狀態(tài)，一旦發(fā)生衛(wèi)星信號失鎖的情況，需要馬上停止采集。重新鎖定衛(wèi)星信號后，不能急于測量，需待精度滿足測量要求時(shí)再實(shí)施測量。

2）星站差分系統(tǒng)所采集的坐標(biāo)為WGS84大地坐標(biāo)，根據(jù)項(xiàng)目要求，若要提供其他坐標(biāo)系統(tǒng)的測繪成果，測量人員則需在已知控制點(diǎn)上進(jìn)行測量，求取坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，再將星站差分系統(tǒng)接收的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到工程應(yīng)用的坐標(biāo)系中。

3）在隧道、橋洞等信號遮蔽區(qū)域，若能間斷接收到RTK信號，則可利用星站差分系統(tǒng)的RTK+RTG聯(lián)合工作測量模式。當(dāng)RTK信號中斷時(shí)，采用RTG方式繼續(xù)測量，其能在15 min內(nèi)維持cm級的測量精度。

表1 GPS RTK測量坐標(biāo)與星站差分系統(tǒng)測量坐標(biāo)對比/m

4）星站差分系統(tǒng)的主要誤差影響因素包括多路徑效應(yīng)和電磁波干擾。測量時(shí)，應(yīng)避免水面反射造成的多路徑效應(yīng)；應(yīng)遠(yuǎn)離高壓電線、信號發(fā)射塔等強(qiáng)電磁波干擾地物。測量員還應(yīng)避免操作不當(dāng)引起的粗差，多關(guān)注儀器狀態(tài)，不可在未收斂時(shí)進(jìn)行測量。

4 結(jié) 語

本文通過測量實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析，證明了星站差分系統(tǒng)在無控制區(qū)域進(jìn)行快速測量的可行性，在遠(yuǎn)海島礁測量中具有很高的實(shí)用價(jià)值。星站差分系統(tǒng)能滿足遠(yuǎn)海島礁測量的相關(guān)規(guī)范要求，相較于傳統(tǒng)測量方法，在遠(yuǎn)離大陸的無控制海域，星站差分系統(tǒng)優(yōu)勢明顯，能大幅減輕測量人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，充分發(fā)揮快速和高精度定位的特點(diǎn)，大大提高海域測量的工作效率。隨著星站差分技術(shù)的不斷發(fā)展，定位精度的逐步提高，星站差分系統(tǒng)將在遠(yuǎn)海島礁測量中發(fā)揮更大的作用，其在海洋測繪中其他領(lǐng)域的應(yīng)用也會(huì)越來越廣泛。