老撾北斗CORS系統建設與應用

楊忠祥 劉鴻飛 喬忠誠 周定杰 安劍英

(1. 云南旅游職業學院, 云南 昆明 650221；2. 云南省測繪工程院 云南 昆明 650033)

0 引言

北斗導航衛星系統(Beidou navigation satellite system,BDS)是中國正在實施的自主發展和運行的全球衛星導航系統[1-3],是國際上具有全球性定位能力的第三個衛星導航系統。中國“一帶一路”戰略規劃的實施以及中國-東盟自由貿易區建設推進,中老合作不斷朝著寬領域、縱深化的方向發展[4]。隨著老撾交通設施、通信設施、礦產資源開采等基礎設施建設的推進,對地理空間信息的需求量急劇增加。亟須建立衛星導航定位連續運行基準站系統(continu-ously operating reference stations, CORS),為導航與位置服務、精密衛星定軌、地質災害監測等商用領域提供了越來越多的應用價值。這些領域的發展對精確定位提出了更高的要求[5-8]。 CORS系統現已廣泛應用于測繪地理信息、地震形變監測、規劃建設等多個行業。

鑒于此,本文通過已建成的9個老撾基準站與國際GNSS服務組織(International GNSS Service,IGS)站、國內CORS聯測數據進行解算,獲取其高精度位置信息,并對有、無北斗信號條件下對CORS站定位精度影響進行測試分析,為老撾境內實現實時、高精度、快速、便捷的導航與位置服務奠定基礎。

1 總體思路

本文選取現已建設完成的9個CORS站與國際IGS站、國內CORS站聯測數據進行解算,運用同步環、異步環、基線重復性等指標評價解算結果的精度與可靠性,并進行應用測試分析。考慮到老撾國內發展現狀和CORS站建設需求,多數省會城市面積較小,國內森林覆蓋面積大,發達區域主要集中于湄公河沿線一帶,CORS系統建設采用“網絡+單基站”形式更加有利于老撾國家綜合衛星定位服務系統的建成及后期運行維護。

2 國家大地基準和處理策略

2.1 大地基準概況

老撾WGS-84地心坐標基準由一等、二等全球導航衛星系統(global navigation satellite system,GNSS)控制網維持,其對應的參考框架為ITRF96,參考歷元為1989.9。老撾國家大地基準為Lao 97坐標系,屬于參心坐標系,同樣由分布于全國一等、二等GNSS控制點維持。Lao 97坐標系對應的空間坐標與WGS-84坐標存在3個平移量。Lao 97坐標系采用橫軸墨卡托統一3°帶投影,從東經180°至西經180°劃分為60個帶,每個帶的東西跨度為6度。取每個投影點的中央經線作為中央子午線,投影坐標橫軸加常數為5 000 000,中央子午線比例因子取0.999 6。

2.2 數據聯測

為保證框架網數千千米基線解算的精度,引入中國境內IGS全球跟蹤站BJFS(北京房山)、SHAO(上海)等作為起算坐標,基線解算采用IGS精密星歷,將IGS站與已建老撾CORS站、聯測控制點同步觀測數據進行聯合處理,獲得IGS站與CORS站、CORS站間、CORS站與聯測控制點的基線解。

3 算列分析及應用測試

3.1 數據來源

為獲取CORS站精確位置信息,聯測5個老撾國家一等、二等控制點,并對有、無北斗信號條件下對CORS站定位精度影響進行測試分析,本文選取9個已建成CORS站共20 d的數據。數據時長約為24 h,數據采樣間隔為10 s,數據質量良好。CORS基準站及聯測控制點分布如圖1所示。部分CORS站及聯測站所使用GNSS接收機及天線信息如表1所示。數據處理時GAMIT軟件采用網解(即全組合解),同步環閉合差在基線解算時已經進行分配。

表1 測站實驗儀器信息

圖1 CORS基準站分布和聯測控制點分布

3.2 解算可靠性分析

對于GAMIT軟件基線解的同步環檢核,運用驗后標準化均方根誤差(normal-ized root mean square,NRMS)及模糊度固定率檢驗解算結果是否可靠。NRMS值是衡量同步環質量好壞的一個指標,在正常情況下,NRMS值應小于0.5。NRMS值越小,基線解算的精度越高[9-10]。經計算,本文計算21個同步時段,全部NRMS值均小于0.5,最大為0.41,滿足高精度GNSS數據處理的基本要求；聯測(含全球站)50組基線向量重復性統計結果如表2所示,a為GNSS接收機標稱精度中的固定誤差，b為GNSS接收機標稱精度中的比例誤差。由表2可知，其精度已達國家規范中B級GNSS網的精度要求，檢核獨立基線構成的獨立異步環共151個。其中，相對異步環閉合差最大相對精度為0.565 6 mm/km，位置閉合差為0.035 5 m，位置的限差0.251 5 m；絕對異步環閉合差最大相對精度為0.550 3 mm/km，位置閉合差為0.037 8 m，位置的限差0.275 3 m。在異步環檢核中，其閉合差均小于國家規范中關于B級GPS網測量的精度要求。

表2 基線重復性統計

3.3 基站精度分析

本文CORS基準站三維平差采用WGS-84坐標系,其坐標框架為ITRF96,歷元為1 998.9。以聯測的5個老撾國家控制點作為基準并施加系統約束,九個基站點位平差后CORS站的WGS-84坐標精度如圖2所示,三個分量平均值中誤差精度均優于0.01 m,控制點點位精度較高。

圖2 9個CORS基準站點位精度統計

3.4 應用測試

為評估北斗星座參與后在此區域的定位和高程精度,在測試點上,分別采用雙星(GPS+GLONASS)、三星(GPS+GLONASS+BDS)模式采集45個測試數據,記錄初始化時間和衛星狀態數。通過統計分析,坐標的內、外符合精度確定真實作業條件下RTK的實時定位精度[11-12]。部分測試數據統計結果見表3、表4。通過數據統計分析,在雙、三星模式下測試點內、外符合精度在N、E兩個方向上分別優于3 cm、4 cm,其中北斗信號參與后總體內、外符合精度都明顯提高。高程精度方面,分別測試雙星、三星狀態與水準測量結果對比得到平均較差。經統計,雙星模式下高程平均值與水準高程的差值最大為3.583 cm,最小為1.962 cm,高程較差中誤差為±2.79；三星模式下最大差值為2.106 cm,最小為1.055 cm,高程較差中誤差為±1.64。兩種模式下高程測量精度都能有效滿足四等水準測量精度的要求[13],加入北斗信號后,多余觀測值更多,信號更穩定,測量初始化時間更短,測量結果平均值較差更小,其精度更高。

表3 內符合精度及高程平均值較差統計

表4 外符合精度 單位：m

4 結束語

本文介紹了東南亞(老撾)首個北斗衛星導航(LAOCORS)系統建設和老撾國家大地基準控制點應用現狀,將老撾CORS基準站與國際IGS站、國內CORS長基線數據聯測和解算,通過基線解算后NRMS值、重復基線、異步環檢測等指標分析,以及對有、無北斗信號條件下CORS系統的定位應用精度測試。結果表明:①在進行高精度中長基線解算時,老撾CORS基準站水平方向和垂直方向平均值中誤差可達到厘米級定位精度,其相對精度已達到10-8量級。②通過平差和坐標轉換,獲取老撾CORS站高精度坐標,實現與老撾國家坐標基準相統一。③北斗信號參與后,老撾CORS系統三星(BDS、GPS、GLONASS)組合精度和效率明顯高于雙星(GPS、GLONASS),定位精度明顯增強，可提供厘米級RTK定位服務,測量初始化時間以及穩定性、可靠性方面有明顯提高,為國家建設統一地理空間框架,為老撾CORS系統后續的建設和應用奠定了基礎,在工程測量、城市開發建設等領域將發揮重要作用。