不同測(cè)地型GNSS接收機(jī)在峽谷區(qū)控制測(cè)量數(shù)據(jù)分析

楊昆侖，趙軍平，嚴(yán)亞敏

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710001）

0 引言

GNSS（Global Navigation Satellite System）可以為用戶提供高精度定位、測(cè)速和授時(shí)服務(wù),具有高精度、全天候、高效率、多功能、易操作、應(yīng)用廣等優(yōu)點(diǎn)。目前廣泛應(yīng)用于軍事、經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域,成為人們不可或缺的工具。目前應(yīng)用最廣的GNSS主要有美國研制的 GPS（Global Positioning System,全球定位系統(tǒng)）、俄羅斯的 GLONASS （Global Navigation Satellite System,全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）、我國自主研制的BDS（Bei Dou Navigation Satellite System和歐盟的 Galileo（伽利略）、以及相關(guān)的增強(qiáng)系統(tǒng),如日本的準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（Quasi-Zenith Satellite System；縮寫：QZSS）等。近幾年新生產(chǎn)的GNSS接收機(jī)設(shè)備支持五星十六頻。五星指：BDS、GPS、Glonass、Galileo、QZSS；十六頻包括：BDS 5個(gè)頻率,GPS 3個(gè)頻率,Glonass 2個(gè)頻率,Galileo 3個(gè)頻率,QZSS 3個(gè)頻率。

GNSS接收機(jī)按用途可分為導(dǎo)航型接收機(jī)、授時(shí)型接收機(jī)、測(cè)地型接收機(jī),測(cè)地型接收機(jī)主要用于精密大地測(cè)量和精密工程測(cè)量。這類儀器主要采用載波相位觀測(cè)值進(jìn)行相對(duì)定位,定位精度高。常見的測(cè)地型接收機(jī)為一體機(jī),如中海達(dá)V60、華測(cè)i90、天寶R8等；另一種測(cè)地型接收機(jī)是帶有扼流圈天線的分體機(jī),扼流圈天線可以抑制或者減弱多路徑衛(wèi)星信號(hào),讓接收機(jī)接收比較完美的衛(wèi)星直接信號(hào),提高測(cè)量精度。常用的GNSS扼流圈天線有HXCCGX601A、C220GR、TRIMBLE ZEPHYR等。目前GNSS測(cè)量技術(shù)已在工程測(cè)量領(lǐng)域廣泛使用,但在高山峽谷地區(qū)采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量難以保障,為了提高測(cè)量精度,案例項(xiàng)目中使用了測(cè)地型一體機(jī)華測(cè)i90和測(cè)地型華測(cè)P5配套HXCCGX601A天線分體機(jī)進(jìn)行了控制網(wǎng)數(shù)據(jù)采集,兩型接收機(jī)均支持五星十六頻,靜態(tài)測(cè)量標(biāo)稱精度相同,本文對(duì)兩組觀測(cè)數(shù)據(jù)從原始觀測(cè)數(shù)據(jù)單點(diǎn)定位離散度、基線解算精度及網(wǎng)平差精度等多方面進(jìn)行了比較。

1 概況

該項(xiàng)目位于秦嶺腹地,距離山口約40 km,測(cè)區(qū)內(nèi)山大溝深,地勢(shì)險(xiǎn)要,幾乎無手機(jī)信號(hào),目前該水庫設(shè)計(jì)階段為項(xiàng)建階段,需測(cè)繪1∶2000數(shù)字地形圖。依據(jù)本項(xiàng)目地形地貌及工作內(nèi)容情況,控制網(wǎng)布設(shè)為四等GNSS三維控制網(wǎng),高程采用基于省級(jí)似大地水準(zhǔn)面精化模型的精化高程[1]。目前陜西省似大地水準(zhǔn)面精化模型精度為±4.1 cm[2]。

在樞紐區(qū)、庫區(qū)及其它工程建設(shè)范圍附近共布設(shè)控制點(diǎn)8個(gè),點(diǎn)位見圖1,其中P1和P5點(diǎn)布設(shè)于山頂,衛(wèi)星可見數(shù)量較多,衛(wèi)星觀測(cè)條件較好,其余控制點(diǎn)均布設(shè)于峽谷底部道路邊,可見衛(wèi)星數(shù)量少,觀測(cè)條件非常差。

圖1 控制點(diǎn)布設(shè)點(diǎn)位圖

2 GNSS控制網(wǎng)觀測(cè)

外業(yè)觀測(cè)采用靜態(tài)相對(duì)定位模式,使用8套接收機(jī)一次觀測(cè)完成。圖2為GNSS控制網(wǎng)圖,GNSS網(wǎng)測(cè)量精度要求見表1。

表1 GNSS網(wǎng)測(cè)量精度要求

圖2 GNSS控制測(cè)量網(wǎng)圖

2.1 接收機(jī)主要參數(shù)

華測(cè)i90為測(cè)地型一體化GNSS接收機(jī),主要用于工程測(cè)量,P5為測(cè)地型分體式GNSS接收機(jī),主要用于高精度GNSS測(cè)量。兩種接收機(jī)均支持五星十六頻,靜態(tài)測(cè)量精度相同,見表2。

表2 接收機(jī)主要參數(shù)

2.2 外業(yè)觀測(cè)

控制網(wǎng)分別采用了華測(cè)i90和P5 GNSS接收機(jī)進(jìn)行了獨(dú)立觀測(cè),觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)均超過4 h,觀測(cè)主要技術(shù)要求見表3。

表3 GNSS控制網(wǎng)觀測(cè)技術(shù)要求

外業(yè)數(shù)據(jù)采集結(jié)束后,對(duì)兩種接收機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)從單點(diǎn)定位離散圖和跟蹤衛(wèi)星圖進(jìn)行了對(duì)比,,僅列出P1、P2點(diǎn),其中P1點(diǎn)衛(wèi)星觀測(cè)條件較高,P2點(diǎn)觀測(cè)條件差,圖3為單點(diǎn)定位離散圖比較詳圖,僅列出P1、P2點(diǎn)。

圖3 兩種接收機(jī)測(cè)站單點(diǎn)定位離散圖

單點(diǎn)定位離散圖表明帶有扼流圈天線的P5分體機(jī)單點(diǎn)定位能力強(qiáng)于i90一體機(jī)；測(cè)站跟蹤衛(wèi)星圖表明兩種接收機(jī)鎖定衛(wèi)星數(shù)量及跟蹤衛(wèi)星能力基本相同。

2.3 數(shù)據(jù)處理

使用華測(cè)自帶后處理軟件CGO（CHC Geomatics Office）解算基線[3],CGO軟件是上海華測(cè)導(dǎo)航技術(shù)有限公司完全自主研發(fā)的第二代全功能 GNSS 數(shù)據(jù)后處理軟件。該軟件采用全新的數(shù)據(jù)解算引擎,具有高效的解算引擎,優(yōu)越的自動(dòng)化及長(zhǎng)時(shí)間解算,自由組合的 GPS、GLONASS、BDS 多衛(wèi)星定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)解算模式,靜態(tài)、快速靜態(tài)和動(dòng)態(tài)后處理（PPK） 等多種作業(yè)方式。可兼容天寶、科傻基線解算文件,具有精密星歷 SP3下載與處理模塊,符合國家最新 GPS 控制測(cè)量規(guī)范、國內(nèi)外多種 NGS天線認(rèn)證與實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化識(shí)別,多種報(bào)告輸出（ 平差處理報(bào)告、基線處理報(bào)告、網(wǎng)圖報(bào)告、閉合環(huán)報(bào)告、項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告等） ,擁有自主配置的平差檢驗(yàn)報(bào)告,符合國際化、行業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)、全新的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和 RINEX 轉(zhuǎn)換模塊,精細(xì)的操作日志記錄（提供相鄰點(diǎn)間的基線解算水平和垂直精度),實(shí)時(shí)了解當(dāng)前操作與后期回放等多種先進(jìn)的功能模塊,是工程應(yīng)用的主流GNSS數(shù)據(jù)后處理軟件。

2.3.1 基線精度比較

兩種接收機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入CGO軟件,修改測(cè)站點(diǎn)名和天線高度后,配置基線處理參數(shù),選擇五種衛(wèi)星系統(tǒng),高度角設(shè)置為30°,大氣對(duì)流層改正模型選擇標(biāo)準(zhǔn)Saastamoinen模型,電離層改正模型選擇Klobuchar模型,配置完主要參數(shù)后進(jìn)行基線解算,共組成獨(dú)立觀測(cè)基線28條,所有基線均一次性解算合格。從基線三維精度因子PDOP和基線均方根誤差RMS方面進(jìn)行了比較,見圖4、圖5。P5接收機(jī)觀測(cè)的基線三維精度因子PDOP和基線均方根誤差RMS均強(qiáng)于i90接收機(jī)。

圖4 基線PDOP比較圖

圖5 基線RMS比較圖

2.3.2 閉合環(huán)精度比較

基線解算通過后,統(tǒng)計(jì)閉合環(huán)情況,由于本項(xiàng)目采用8套接收機(jī)一次觀測(cè)完成,因此只有同步環(huán),共構(gòu)成三邊同步環(huán)21個(gè)。從同步環(huán)分量閉合差和全長(zhǎng)閉合差方面進(jìn)行了對(duì)比,圖6、圖7、圖8分別為同步環(huán)分量閉合差比較圖,圖9為同步環(huán)全長(zhǎng)閉合差比較圖。表4為同步環(huán)分量閉合差和全長(zhǎng)閉合差分區(qū)間統(tǒng)計(jì)表。

表4 兩組同步環(huán)閉合差統(tǒng)計(jì)表

圖6 同步環(huán)分量閉合差（Wx）比較

圖7 同步環(huán)分量閉合差（Wy）比較

圖8 同步環(huán)分量閉合差（Wz）比較

圖9 同步環(huán)分量閉合差（Ws）比較

圖6～圖9中,接收機(jī)i90同步環(huán)分量閉合差和全長(zhǎng)閉合差少數(shù)小于P5接收機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù),以下是同步環(huán)閉合差分區(qū)間統(tǒng)計(jì)表。

華測(cè)P5接收機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)的同步環(huán)分量及全長(zhǎng)閉合差在1/3限差以內(nèi)的占比80%以上,相比華測(cè)i90接收機(jī),同步環(huán)閉合差精度提高明顯。

2.3.3 網(wǎng)平差精度比較

基線網(wǎng)內(nèi)符合精度檢校完成后,導(dǎo)出基線向量文件,使用CosaGPS軟件進(jìn)行三維無約束平差和二維約束平差[4]。三維無約束平差對(duì)基線向量質(zhì)量的檢查一般通過分析三維基線向量三個(gè)分量的殘差、最弱點(diǎn)點(diǎn)位誤差、最弱邊相對(duì)中誤差等來判斷。平差主要精度指標(biāo)見表5。

表5 GNSS網(wǎng)平差主要精度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

兩種接收機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)平差精度均滿足規(guī)范[5]要求,三維無約束平差的三維基線向量殘差均小于3倍基線長(zhǎng)度中誤差σ（基線中誤差為固定誤差,b為比例誤差,D為基線長(zhǎng)度）,圖10～圖12為三維基線向量殘差對(duì)比圖。

圖10 三維基線向量殘差（Vdx）比較

圖11 三維基線向量殘差（Vdy）比較

圖12 三維基線向量殘差（Vdz）比較

兩組觀測(cè)數(shù)據(jù)三維基線向量三個(gè)分量殘差中P5接收機(jī)小于i90接收機(jī)的占總基線數(shù)的30%。

表6為兩種GNSS接收機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)平差后控制點(diǎn)平面坐標(biāo)和大地高比較表,兩組基線網(wǎng)平差時(shí)約束點(diǎn)及成果相同。

表6 平差后平面坐標(biāo)和大地高比較表

8個(gè)控制點(diǎn)中平面坐標(biāo)差值最大為2.4 cm,大地高最大差值為3.2 cm,本次布設(shè)的GNSS控制網(wǎng)作為水庫勘測(cè)設(shè)計(jì)階段的測(cè)圖控制網(wǎng),其平面點(diǎn)位中誤差和高程中誤差允許值為±5 cm[5],兩種接收機(jī)觀測(cè)成果差值小于限差（2倍中誤差）,因此,兩種接收機(jī)觀測(cè)控制網(wǎng)的坐標(biāo)和高程成果均滿足技術(shù)要求。

3 結(jié)論

通過對(duì)兩種測(cè)量型GNSS接收機(jī)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹,在某水利樞紐勘測(cè)設(shè)計(jì)階段控制網(wǎng)測(cè)量時(shí)分別進(jìn)行了獨(dú)立觀測(cè),首先,通過接收機(jī)單點(diǎn)定位離散圖,跟蹤衛(wèi)星圖,對(duì)兩種接收機(jī)測(cè)站接收數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較,兩種測(cè)量型GNSS接收機(jī)在測(cè)站接收衛(wèi)星方面,數(shù)量基本相同,但一體機(jī)i90單點(diǎn)定位離散度較高,分體機(jī)P5離散度底,精度較高。其次通過基線解算后的PDOP和RMS等方面進(jìn)行了比較,P5型接收機(jī)觀測(cè)基線的基線均方根誤差RMS和PDOP明顯優(yōu)于i90接收機(jī)。再次通過基線解算后環(huán)閉合差方面進(jìn)行了比較,P5型接收機(jī)觀測(cè)同步環(huán)閉合差明顯小于i90型接收機(jī)。最后,通過網(wǎng)平差后點(diǎn)位中誤差、邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差等方面進(jìn)行了比較,并對(duì)網(wǎng)平差后平面坐標(biāo)和大地高進(jìn)行了比較,其中兩型接收機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)平差的點(diǎn)位中誤差和邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差差別不大,P5型略優(yōu)于i90型,平面坐標(biāo)差值最大為2.4 cm,大地高差值最大為3.2 cm,均滿足規(guī)范要求,可作為控制網(wǎng)測(cè)量成果值。

i90型一體化GNSS接收機(jī)與P5型分體式GNSS接收機(jī)靜態(tài)測(cè)量標(biāo)稱精度相同,但在復(fù)雜的高山峽谷地形條件下,呈現(xiàn)出了不同的測(cè)量精度。因此,建議高山峽谷及其它不利觀測(cè)條件下優(yōu)先選擇帶扼流圈天線的分體式GNSS接收機(jī)觀測(cè)。