錢家營礦區北斗單基站CORS-RTK 精度檢測分析

戴超

（開灤錢家營礦業分公司，河北 唐山 063301）

1 概 況

北斗衛星導航定位系統（Bei Dou Navigation Satellite System，簡稱BDS）是繼美國GPS、歐盟GLONASS 之后全球第三大較完善的衛星導航系統，由中國自主研發、制造、建設的全球導航衛星系統。該系統于2020 年正式向全球提供導航定位服務，其獨特的傾斜地球同步軌道衛星設計，增強了中國區域的衛星信號，理論上不存在中國版圖內的信號盲區，即使在山林、建（構）筑物等信號遮擋地區也可接收到穩定的衛星信號。

單基站連續運行參考站系統（Continuous Operational Reference System，簡稱CORS）有低成本、方便升級、精度高、可連續運行等優點，目前已廣泛應用于國內外中小城市和廠礦企業，來滿足局部的實時定位服務需求。

開灤錢家營礦區CORS 系統為單基準站CORS系統，升級兼容北斗導航系統后，采用實時動態差分技術（Real-time kinematic，簡稱RTK），可在基準站半徑50 km 范圍內快速獲取厘米級定位服務。傳統的RTK 測量中，只能接收GPS、GLONASS 兩種導航衛星信號，且GPS 在我國中、低緯度山林、建（構）筑物等信號遮擋地區，因鎖定衛星數少RTK 測量很難得到固定解。兼容北斗導航系統（BDS）的CORS 系統進行RTK 測量時，可以接收GPS、GLONASS、BDS 三種導航衛星信號，在小范圍信號遮擋情況下也能得到固定解；同時，使RTK 測量精度、測量效率越來越高，一定程度上減弱了RTK 測量隨移動站到基準站距離的增加而出現的誤差。

本文意在介紹開灤錢家營礦區北斗CORS 系統及測試該系統的RTK 測量在礦山測量中的定位效果及定位精度。

2 開灤錢家營礦區CORS 系統介紹

開灤錢家營礦區CORS 系統于2012 年建設并投入使用，由GPS 基準站、衛星數據處理系統、數據網絡通信系統、數據播發系統、用戶管理系統5 部分組成。

隨著北斗導航系統的建立、運行，衛星定位技術獲得了極大的發展。為更好地滿足礦區生產建設、地形圖更新、地表損害監測、勘查設計及應急搶險等方面的應用，開灤錢家營礦于2020 年對CORS 基站進行升級改造，升級后兼容北斗導航系統，采用SOUTH Net S8+接收機（參數見表1），S8+機型兼容我國北斗、美國GPS 和GLONASS 系統，相比原來的雙星系統，可以更高精度的服務于礦區日常測量的工作。

升級后的CORS 系統采取南方測繪高精度網絡差分實時動態定位NRS 技術方案，該技術方案原始觀測數據來自開灤集團和錢家營礦區的2 個CORS 基站，通過交換機、無線路由器、工控機等網絡設備，使其可以實時與參考站、接收機間傳輸控制、數據信息；應用系統是以位置服務為基礎，由支持協議的設備提供實時定位數據；NRS 的核心組成是數據處理中心，通過CORS 基站采集的原始數據實時解算模糊度和估計網絡參數來建立空間相關誤差區域模型。

3 CORS 系統基準

開灤錢家營礦區CORS 系統采用獨立地方坐標系統，高斯-克呂格正形投影，中央子午線為E118°30′，平面坐標以北京54 坐標系為基準轉換而來，高程系統采用1985 國家高程基準。

平面坐標系統采用布爾莎七參數模型進行轉換，轉換流程：WG-84 空間直角坐標(X，Y，Z)—布爾莎七參數模型—空間直角坐標(X，Y，Z)—大地坐標(B，L)—平面坐標(x，y)。

在高程系統方面，錢家營單基站CORS 系統通過三維約束已知控制點，采用一次多項式擬合法求得未知點高程數據。

根據測繪工程行業標準《全球定位系統城市測量技術規程》，錢家營礦區附近分布國家Ⅱ控制點7 個，如圖1 所示，可建立D 級GPS 控制網，D 級GPS 控制網需滿足表2 規定。

圖1 控制點分布Fig.1 Distribution of control points

表2 D 級GPS 控制網的精度要求Table 2 Accuracy requirements of D-level GPS control network

錢家營礦區D 級GPS 控制網包括9 個GPS點，其中7 個已知點，2 個未知點，此次采用邊連式，構成84 個最小同步環和36 條獨立基線，以確保控制網的幾何強度，提高控制網的可靠性。外業觀測使用9 臺SOUTH S86-T 型GPS 接收機，在8個GPS 點上同步進行靜態觀測，有效觀測衛星顆數達到9 顆以上，觀測時段達200 min 以上，確保有效的觀測時間。外業采集靜態觀測數據后，在WGS-84 坐標系下對GPS 靜態觀測數據進行自由網平差和三維約束平差，最終求得錢家營礦區WGS-84 坐標成果。

4 單基站RTK 測量性能檢驗

采用SOUTH 銀河6 GNSS 接收機（實時動態定位精度±8 mm+1 mm/km×d），分別對BDS 和GPS 信號的固定解數、PDOP 值、點位觀測平面誤差進行統計，測試衛星定位效果，并對衛星定位精度采用靜態已知點檢測法檢驗。

4.1 定位效果測試

首先選擇90°、180°、270°信號遮擋的3個墻角點作為待測點，編號A、B、C，如圖2 所示。在相同時段，分別接收BDS、GPS 信號進行RTK 測量，采樣間隔為15 s，實時精度要求Hrms＜0.015 m，Vrms＜0.020 m。

從數據采集統計表3 中得出結論，相同信號遮擋點，在RTK 只接收BDS 信號時，固定解個數更多，尤其在C 點上，接收GPS 信號已經無法鎖定，而接收BDS 信號依然可以得到240 個固定解；接收BDS 信號固定解的PDOP 值均小于接收GPS 信號對應的PDOP 值，同樣在C 點上，當接收GPS信號無法采集數據時，接收BDS 信號固定解的PDOP 值仍控制在3 左右；接收BDS 信號得到的固定解中，在相同信號遮擋點下的點位中誤差小于接收GPS 信號的點位中誤差。

表3 數據統計Table 3 Data statistics table

4.2 定位精度檢驗

靜態檢測方法是CORS 系統定位精度檢測中最常用的方法。本文在CORS 基站所覆蓋區域內選擇已知控制點作為檢測點，將接收機安置在檢測點上，分別接收GPS 和BDS+GPS 信號進行RTK 數據采集，數據采集間隔5 s，再統計采集結果，計算得到外符合精度來檢驗測量精確度，見表4。

表4 外符合精度統計Table 4 Statistical table of external coincidence accuracy

外符合精度（式1）是把已知控制點坐標及高程（X、Y、H）作為真值，計算觀測值與真值的偏差程度，即精確度，反映了RTK 測量成果的實際可信度。

式中：σ 為觀測點的外符合精度；θ 為觀測值與真值之間的差值；N 為每個觀測點測量值的個數。

由表4 數據得出結論。

（1）在50 km 的范圍內，外符合精度與基站距離正相關，可得出RTK 定位精度隨距離增加衰減，且滿足RTK 精度指標，見表5。

表5 RTK 精度指標Table 5 Precision index of RTK

（2）BDS+GPS 模式下，水平方向外符合精度小于2 cm，垂直方向精度小于3 cm；GPS 模式下，水平方向外符合精度小于2 cm，垂直方向精度小于4 cm，可知兼容BDS 的RTK 測量精度更高，衛星信號更穩定。

5 結語

通過對錢家營礦區CORS 系統RTK 測量性能檢驗，BDS+GPS 的RTK 測量精度優于GPS 的測量精度，且在衛星信號受到遮擋時，兼容BDS 的RTK 測量固定解率更高、平面誤差更小。通過以上方案，說明錢家營礦區CORS-RTK 衛星定位效果較好，可為礦區工程測量提供厘米級定位精度的測量數據。