基于北斗技術的大型灌區工程GNSS控制網平差＊

葉達忠，陳耿，丁林磊，樂文強，肖增華，葉德權

（1.廣西壯族自治區水利電力勘測設計研究院有限責任公司，廣西 南寧 530023；2.廣西南寧水利電力設計院有限公司，廣西 南寧 530023）

0 引言

本文的研究項目為廣西桂西北治旱龍江河谷灌區，該項目地處石山區和滇桂黔石漠化片區，是集革命老區、少數民族地區、大石山區、貧困地區和水庫淹沒影響區“五區一體”的地區，被列入國家“十四五”水安全保障規劃。工程開發任務為農業灌溉及城鄉供水，保障區域經濟社會用水安全，為保障區域糧食生產安全、鞏固扶貧攻堅成果、實現鄉村振興創造條件。

項目規劃在龍江河谷構建一個大型現代化灌區，總規劃灌溉面積為5.5萬hm2，其中自流灌溉面積為4.9萬hm2、提水灌溉面積為0.6萬hm2。擬新建輸水干管5條（全長約181.66 km），支管28條，分支管15條，總長201.4 km；總干渠首設計流量為5m3/s。灌區位于東經107°36′～109°00′，北緯24°06′～25°12′，平均高程為250 m，屬于3°帶第36帶區域，測區交通不便，山區地形為喀斯特地貌，植被茂盛，通視困難，屬于復雜地區類別。

為獲得高精度灌區整體GNSS控制網，國內行業做法通常是在隨機軟件導出基線解算，再導入武漢大學CosaGNSS衛星導航系統求解網平差結果。這種方式的不足之處是隨機軟件與CosaGNSS需要轉換和銜接，并且后者不具備導入高程模型的功能，因此獲得的高程平差不理想。本項目基于我國北斗衛星導航系統技術，根據項目特點和難點，利用“天寶”GNSS后處理系統Trimble Business Center（以下簡稱TBC），結合國內行業規范《水利水電工程測量規范》［1］，進行平差計算。這種方式能較好地利用高程模型且較好地結合和利用了我國的北斗衛星導航的同步衛星技術以及多星座非同步衛星的先進技術。

1 數據采集

通過對廣西桂西北治旱龍江河谷灌區控制網圖進行分析發現，Ⅰ南柳74（C154）、萬里山小學（C299）、民族小學（C179）等一批C級GPS控制點可以作為本項目控制網平面坐標起算點數據；水準網擬采用Ⅰ南柳74、Ⅰ南柳78、Ⅰ南柳80、Ⅲ奇庚31、Ⅲ英德14、Ⅱ金浮1基等國家高等級水準點作為水準網起算點。測量技術設計書編寫及測量作業的依據為《工程測量通用規范》（GB55018）、《工程測量標準》（GB50026）、《水利水電工程測量規范》（SL197）。項目的首要任務是在工程區域內建立四等、五等GNSS平面控制網［2-3］。

為更好地應用北斗衛星導航技術，首先，要確保衛星接收機兼容北斗導航衛星，如使用南方SOUTH S86-2013GNSS接收機。其次，若采用非隨機后處理解算軟件，則必須確認Rinex數據轉換器使用3.02以上的版本，保證含有北斗星座衛星信號。采集流程為數據采集—基線解算—網平差（包括自由平差及約束平差）—精度評定［4-5］。

2 網平差后處理參數設置

本項目采用TBC進行網平差后處理，在此之前還需要對相應的參數進行設置。

2.1 基線處理設置

打開項目后，在工程設置中的“基線處理”和“衛星”中勾選“北斗”。依據參考文獻［1］中的“表4.2.1”“公式（4.2.6-1）”“公式（4.2.6-2）”計算基線長度中誤差和重復基線差值限差［1，3］：

其中：σ為相應基線長度的中誤差；三等、四等σ值為31.6mm，可取值3 cm；a2為相應等級控制網的固定誤差；b為相應等級控制網的比例誤差；D為平均邊長；ds為重復基線測量的差值。

通過TBC進行驗算，四等控制網重復性基線計算應設置為8 ppm，二等應設置為1，三等應設置為4 ppm。

2.2 同步環、異步環設置

異步環各坐標分量閉合差及環線全長閉合差應滿足《水利水電工程測量規范》中“公式（4.2.6-3）”的要求［1］。

其中：n為閉合環中的邊數；Wx、Wy、Wy為各坐標分量閉合差；W為環線全長閉合差。

經計算（往高精度方向取整），二等、三等、四等異步環的環線全長閉合差限值分別為6mm、15mm、30mm；而同步環的環線全長閉合差限值則取異步環限值的一半。

3 建立區域水準面模型及坐標組

3.1 區域水準面模型

項目位于河谷狹長帶狀，高程異常較為顯著。為提高GNSS高程擬合精度，建立灌區區域精化水準面模型，該區域水準面模型定制為Grid_LongJiang。在EGM2008（1′×1′）的模型上選擇EGM2008 Gridmaker，輸入灌區區域的邊界為東經107.6°～109.0°，北緯24.1°～25.2°；內插方法選擇Bi-Quadratic，采樣間隔spceing選擇1分，然后選擇Grid_LongJiang輸出文件，組成85×67格網文件。采用二等水準測量，在區域內均勻地布設10個水準點，并進行時長為4 h的GNSS三等同步觀測，得到準確的高程異常值，從而對區域模型進行精化。在Coordinate System Manager中導入更新的模型Grid_LongJiang。

3.2 建立恰當的投影帶及投影面

本測區中心處于108°30′附近，平均高程為250 m，采用國家標準3度帶投影至108°00′00″時，經過計算，每千米投影變形值為0.025m，滿足現行《水利水電工程測量規范》中“長度投影變形值小于5 cm/km”的規范要求。但是，龍江河谷灌區東部變形為9.0 cm，超出規范限值5 cm，需要進行投影抵償。本項目宜采取CGCS2000坐標系、中央子午線108.5°、投影高程面為250m的獨立坐標系及任意投影面，使變形值控制在毫米級。

4 平差處理

設置參數后，可以開始灌區GNSS控制網平差計算。為進一步確認是否選擇的是北斗衛星導航技術，此時可以打開時段編輯器查找北斗衛星信號時段顯示。

4.1 基線處理結果對比分析

在項目平差處理時進行北斗衛星導航技術使用前后的效果對比實驗。實驗結果證明，采用北斗衛星導航技術后，基線的水平精度、垂直精度、網的X檢驗都有不同程度的提高，有的精度指標達到2 ppm。最弱基線的相對誤差控制在8 ppm以內，小于限差，即25 ppm，符合《水利水電工程測量規范》中“表4.2.1”的技術設計要求。

4.2 同步環、異步環比較

未采用北斗衛星導航技術之前，共有XZ08-XZ09-XZ24、XZ07-XZ08-XZ24、XB01-XB03-XB04、WD05-XB01-XB04等8個同步環閉合差不合格，其中最差的是XZ08-XZ09-XZ24，相對閉合差達到30.261 ppm，采用北斗衛星導航技術之后，只有3個同步環不合格，其中NL80-XZ06-XZ07為最差值，相對閉合差為18.975 ppm。沒有利用北斗衛星導航技術的控制網同步閉合環計算詳見表1。閉合差最差值為XZ08-XZ09-XZ24，長度閉合差為433.361mm，限差為43.230mm，評定結果為失敗。

表1 無北斗技術的控制網同步閉合環計算表

表2 GNSS回線閉合結果（未采用北斗衛星導航技術）

4.3 GNSS回線閉合比較

GNSS回線閉合結果如下：采用北斗衛星導航技術前，有1個回線環XZ08-XZ09-XZ24未通過；采用北斗衛星導航技術后，沒有不合格回線環（詳見表2、表3）。

表3 GNSS回線閉合結果（采用北斗衛星導航技術）

驗算結果為Δ3D/回線閉合環長度=0.433/14.3=30.2 ppm，與參數設計吻合。

5 高程內符合精度

為驗證其高程內符合精度，進行自由網平差單點推算比較，加入北斗數據后，基線解、網平差、已知點檢核的精度提高效果顯著（見表4）。

表4 TBC高程單點擬合推算比較

6 結論

通過龍江河谷灌區GNSS控制網在采用北斗衛星導航技術平差前后實驗對比，得出如下結論。

（1）采用北斗衛星信號后的基線處理、同步環、異步環的精度均有提高。

（2）加入北斗衛星導航數據后，對提高同步環精度效果顯著。

（3）對于4邊、5邊等多邊環，建議可選擇性導出參考。

（4）對于GNSS回線閉合精度、GNSS控制網的內符合精度也有明顯的提高。

（5）對于狹長形河谷的地形中的水利工程控制網，采用北斗衛星導航技術和精化模型后，其GNSS高程精度提高效果顯著，極具推廣價值。