北斗在山區(qū)高速公路靜態(tài)控制測量中的精度分析

曹久慧，張超，喻國榮

（1.中交三航局第三工程有限公司，江蘇 南京 210011；2.東南大學，江蘇 南京 210096）

0 引言

中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（簡稱BDS）是我國自主建設(shè)，獨立運行并與世界其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)相兼容的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。系統(tǒng)于2012年12月27日正式向亞太大部分地區(qū)提供連續(xù)無源定位、導航、授時等服務(wù)[1]。系統(tǒng)目前在軌工作衛(wèi)星14顆，包括5顆地球靜止軌道（GEO）、5顆傾斜地球同步軌道（IGSO）和4顆中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星[2-4]。

北斗衛(wèi)星的空間分布與GPS衛(wèi)星空間分布有較大不同，另外，對于亞太地區(qū)的觀測者，北斗系統(tǒng)衛(wèi)星星座具有更加高效的利用率[5]，且BDS系統(tǒng)衛(wèi)星全部具備三頻功能，理論定位精度優(yōu)于GPS。

我國國土幅員遼闊，東西部自然環(huán)境、經(jīng)濟發(fā)展程度差異明顯，依據(jù)北斗衛(wèi)星星座的空間分布，對北斗衛(wèi)星的DOP值和可見星數(shù)進行分析，可知在我國低緯度地區(qū)衛(wèi)星可見性優(yōu)于高緯度地區(qū)和西部地區(qū)[6-7]，因此，BDS能否在西部山地險峻、林木高大、地形復雜、控制測量和施工放樣具有較大困難的地區(qū)發(fā)揮優(yōu)勢，是需要關(guān)注的重要問題。

自上世紀80年代以GPS為主的衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用于測繪以來，衛(wèi)星定位技術(shù)以其高精度、高效率及易跨障礙等諸多優(yōu)勢在工程控制測量中被廣泛應(yīng)用。GPS控制測量技術(shù)是目前高等級公路、高速鐵路和大型橋梁等交通工程建設(shè)中控制測量不可或缺的重要技術(shù)手段。

目前關(guān)于北斗系統(tǒng)的測量精度報道，主要來自于大學、科研院所等科研機構(gòu)，其結(jié)論多從科研角度得出。研究北斗系統(tǒng)高等級控制測量應(yīng)用，論證北斗系統(tǒng)工程應(yīng)用精度、效率，尚需要更多的工程實踐。

因此，本文結(jié)合貴州道新高速工程項目，對北斗系統(tǒng)在貴州山區(qū)復雜地形條件和觀測環(huán)境中高等級控制測量的可行性與精度進行分析，并與GPS靜態(tài)控制測量精度進行對比。

1 控制網(wǎng)設(shè)計

1.1 工程概況

道新高速公路和溪至流河渡段位于貴州高原北部向四川盆地過渡的斜坡地帶，是大婁山脈的東南段，海拔高程大致為550～1 000 m，地形高低差異明顯；樹木叢生、交通不便，常規(guī)測量方法施行起來難度極大，采用BDS/GPS衛(wèi)星定位技術(shù)實現(xiàn)高速公路的控制測量、定線測量、便道測量等，提高作業(yè)效率。

1.2 基準設(shè)計

以接收機1 d連續(xù)觀測的單點定位坐標作為BDS/GPS基線解算的位置基準。

1.3 網(wǎng)形設(shè)計

道新高速公路和溪至流河渡段路線總長約25 km，共布設(shè)25個控制點，呈南北線狀分布，以三角形、大地四邊形等結(jié)構(gòu)強度較好的圖形形式布設(shè)測量控制網(wǎng)，網(wǎng)形及各點位的分布如圖1所示，網(wǎng)中最長邊長為9 067.181 m，最短邊長為229.222 m，平均邊長為2 370.486 m。

圖1 靜態(tài)控制測量網(wǎng)Fig.1 Static control surveying net

1.4 數(shù)據(jù)采集

利用BDS/GPS雙系統(tǒng)接收機進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，具體要求以不低于GB/T 18314—2009《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》D級網(wǎng)的觀測要求施行，同時采集了北斗靜態(tài)和GPS靜態(tài)數(shù)據(jù)，地面點的儀器高在觀測前和觀測后各量取3次。

2 精度分析

基線處理與網(wǎng)平差采用中海達HGO靜態(tài)數(shù)據(jù)處理軟件進行解算。控制網(wǎng)所有觀測時段共有78條基線，分別采用單BDS與單GPS觀測數(shù)據(jù)單獨解算，并與BDS+GPS聯(lián)合解算進行對比。BDS與GPS基線解算結(jié)果在NEU三個方向上之差如圖2所示。

圖2 BDS與GPS基線解算結(jié)果對比Fig.2 Resultscontrast of baselinesresolved with BDSand GPS

由圖2可以看出，BDS與GPS基線解算結(jié)果之差在NEU三個方向上差的最大值依次為3.6 cm、6.0 cm、4.2 cm。

圖3是78條BDS與GPS基線解算結(jié)果3個方向坐標差值統(tǒng)計直方圖。

從圖3中可以看出，BDS與GPS基線解算在3個方向上的差值基本服從正態(tài)分布，再將78條基線3個方向上的差值求和得：N方向0.9 mm；E方向：0.6 mm；U方向：0.6 mm；由此可見，BDS與GPS基線解算結(jié)果之間并無明顯的系統(tǒng)性偏差。

每一條基線解算精度統(tǒng)計如圖4所示，可以看出在山區(qū)特殊觀測環(huán)境下BDS與GPS的基線解算精度總體上相當，北斗與GPS聯(lián)合解算精度要明顯優(yōu)于BDS與GPS單獨解算。

采用中海達靜態(tài)數(shù)據(jù)處理軟件HGO進行網(wǎng)平差，以GPS171、GPS179、GPS199三個D級網(wǎng)點坐標進行約束平差，平面坐標采用西安80坐標系統(tǒng)，中央子午線經(jīng)度為107°30′，抵償投影面高程為650 m。不同系統(tǒng)約束平差中誤差均值見表1。

圖3 BDS與GPS基線解算結(jié)果比較直方圖統(tǒng)計Fig.3 Histogram statistic of the results contrast of baselines resolved with BDSand GPS

圖4 基線解算精度對比Fig.4 Contract of baselineresolving precision

表1 不同系統(tǒng)約束平差中誤差均值Table 1 Mean error of the constrained adjustment in different systems

3 結(jié)語

本文結(jié)合貴州道新高速公路和溪至流河渡段工程，沿路線布設(shè)了包含25個點的線狀控制網(wǎng)，并采用了BDS/GPS雙系統(tǒng)接收機按照D級網(wǎng)的觀測要求觀測采集了原始靜態(tài)數(shù)據(jù)。利用中海達靜態(tài)數(shù)據(jù)處理軟件對靜態(tài)網(wǎng)78條基線進行解算，根據(jù)解算結(jié)果得知，BDS在貴州山區(qū)高海拔、地勢起伏大、遮擋比較嚴重的環(huán)境下，基線解算基本能夠達到平面N方向3.6 cm、E方向6.0 cm，高程U方向4.2 cm，與GPS相當；北斗系統(tǒng)定位結(jié)果相比GPS沒有系統(tǒng)偏差；北斗與GPS聯(lián)合解算精度要明顯優(yōu)于BDS與GPS單獨解算。北斗在貴州山區(qū)特殊觀測環(huán)境下靜態(tài)控制測量能夠達到平面3.6 mm、高程6.6 mm的精度，與GPS相當，平面精度基本能夠滿足工程應(yīng)用的需要。