不同測地型GNSS接收機在峽谷區控制測量數據分析

楊昆侖，趙軍平，嚴亞敏

（陜西省水利電力勘測設計研究院,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、測速和授時服務,具有高精度、全天候、高效率、多功能、易操作、應用廣等優點。目前廣泛應用于軍事、經濟、生產和生活的各個領域,成為人們不可或缺的工具。目前應用最廣的GNSS主要有美國研制的 GPS（Global Positioning System,全球定位系統）、俄羅斯的 GLONASS （Global Navigation Satellite System,全球導航衛星系統）、我國自主研制的BDS（Bei Dou Navigation Satellite System和歐盟的 Galileo（伽利略）、以及相關的增強系統,如日本的準天頂衛星系統（Quasi-Zenith Satellite System；縮寫：QZSS）等。近幾年新生產的GNSS接收機設備支持五星十六頻。五星指：BDS、GPS、Glonass、Galileo、QZSS；十六頻包括：BDS 5個頻率,GPS 3個頻率,Glonass 2個頻率,Galileo 3個頻率,QZSS 3個頻率。

GNSS接收機按用途可分為導航型接收機、授時型接收機、測地型接收機,測地型接收機主要用于精密大地測量和精密工程測量。這類儀器主要采用載波相位觀測值進行相對定位,定位精度高。常見的測地型接收機為一體機,如中海達V60、華測i90、天寶R8等；另一種測地型接收機是帶有扼流圈天線的分體機,扼流圈天線可以抑制或者減弱多路徑衛星信號,讓接收機接收比較完美的衛星直接信號,提高測量精度。常用的GNSS扼流圈天線有HXCCGX601A、C220GR、TRIMBLE ZEPHYR等。目前GNSS測量技術已在工程測量領域廣泛使用,但在高山峽谷地區采集的數據質量難以保障,為了提高測量精度,案例項目中使用了測地型一體機華測i90和測地型華測P5配套HXCCGX601A天線分體機進行了控制網數據采集,兩型接收機均支持五星十六頻,靜態測量標稱精度相同,本文對兩組觀測數據從原始觀測數據單點定位離散度、基線解算精度及網平差精度等多方面進行了比較。

1 概況

該項目位于秦嶺腹地,距離山口約40 km,測區內山大溝深,地勢險要,幾乎無手機信號,目前該水庫設計階段為項建階段,需測繪1∶2000數字地形圖。依據本項目地形地貌及工作內容情況,控制網布設為四等GNSS三維控制網,高程采用基于省級似大地水準面精化模型的精化高程[1]。目前陜西省似大地水準面精化模型精度為±4.1 cm[2]。

在樞紐區、庫區及其它工程建設范圍附近共布設控制點8個,點位見圖1,其中P1和P5點布設于山頂,衛星可見數量較多,衛星觀測條件較好,其余控制點均布設于峽谷底部道路邊,可見衛星數量少,觀測條件非常差。

圖1 控制點布設點位圖

2 GNSS控制網觀測

外業觀測采用靜態相對定位模式,使用8套接收機一次觀測完成。圖2為GNSS控制網圖,GNSS網測量精度要求見表1。

表1 GNSS網測量精度要求

圖2 GNSS控制測量網圖

2.1 接收機主要參數

華測i90為測地型一體化GNSS接收機,主要用于工程測量,P5為測地型分體式GNSS接收機,主要用于高精度GNSS測量。兩種接收機均支持五星十六頻,靜態測量精度相同,見表2。

表2 接收機主要參數

2.2 外業觀測

控制網分別采用了華測i90和P5 GNSS接收機進行了獨立觀測,觀測時長均超過4 h,觀測主要技術要求見表3。

表3 GNSS控制網觀測技術要求

外業數據采集結束后,對兩種接收機觀測數據從單點定位離散圖和跟蹤衛星圖進行了對比,,僅列出P1、P2點,其中P1點衛星觀測條件較高,P2點觀測條件差,圖3為單點定位離散圖比較詳圖,僅列出P1、P2點。

圖3 兩種接收機測站單點定位離散圖

單點定位離散圖表明帶有扼流圈天線的P5分體機單點定位能力強于i90一體機；測站跟蹤衛星圖表明兩種接收機鎖定衛星數量及跟蹤衛星能力基本相同。

2.3 數據處理

使用華測自帶后處理軟件CGO（CHC Geomatics Office）解算基線[3],CGO軟件是上海華測導航技術有限公司完全自主研發的第二代全功能 GNSS 數據后處理軟件。該軟件采用全新的數據解算引擎,具有高效的解算引擎,優越的自動化及長時間解算,自由組合的 GPS、GLONASS、BDS 多衛星定位系統數據解算模式,靜態、快速靜態和動態后處理（PPK） 等多種作業方式。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 控制測量規范、國內外多種 NGS天線認證與實現自動化識別,多種報告輸出（ 平差處理報告、基線處理報告、網圖報告、閉合環報告、項目總結報告等） ,擁有自主配置的平差檢驗報告,符合國際化、行業化標準、全新的坐標轉換和 RINEX 轉換模塊,精細的操作日志記錄（提供相鄰點間的基線解算水平和垂直精度),實時了解當前操作與后期回放等多種先進的功能模塊,是工程應用的主流GNSS數據后處理軟件。

2.3.1 基線精度比較

兩種接收機觀測數據分別導入CGO軟件,修改測站點名和天線高度后,配置基線處理參數,選擇五種衛星系統,高度角設置為30°,大氣對流層改正模型選擇標準Saastamoinen模型,電離層改正模型選擇Klobuchar模型,配置完主要參數后進行基線解算,共組成獨立觀測基線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方面進行了比較,見圖4、圖5。P5接收機觀測的基線三維精度因子PDOP和基線均方根誤差RMS均強于i90接收機。

圖4 基線PDOP比較圖

圖5 基線RMS比較圖

2.3.2 閉合環精度比較

基線解算通過后,統計閉合環情況,由于本項目采用8套接收機一次觀測完成,因此只有同步環,共構成三邊同步環21個。從同步環分量閉合差和全長閉合差方面進行了對比,圖6、圖7、圖8分別為同步環分量閉合差比較圖,圖9為同步環全長閉合差比較圖。表4為同步環分量閉合差和全長閉合差分區間統計表。

表4 兩組同步環閉合差統計表

圖6 同步環分量閉合差（Wx）比較

圖7 同步環分量閉合差（Wy）比較

圖8 同步環分量閉合差（Wz）比較

圖9 同步環分量閉合差（Ws）比較

圖6～圖9中,接收機i90同步環分量閉合差和全長閉合差少數小于P5接收機觀測數據,以下是同步環閉合差分區間統計表。

華測P5接收機觀測數據的同步環分量及全長閉合差在1/3限差以內的占比80%以上,相比華測i90接收機,同步環閉合差精度提高明顯。

2.3.3 網平差精度比較

基線網內符合精度檢校完成后,導出基線向量文件,使用CosaGPS軟件進行三維無約束平差和二維約束平差[4]。三維無約束平差對基線向量質量的檢查一般通過分析三維基線向量三個分量的殘差、最弱點點位誤差、最弱邊相對中誤差等來判斷。平差主要精度指標見表5。

表5 GNSS網平差主要精度指標統計表

兩種接收機觀測數據網平差精度均滿足規范[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為基線長度）,圖10～圖12為三維基線向量殘差對比圖。

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

兩組觀測數據三維基線向量三個分量殘差中P5接收機小于i90接收機的占總基線數的30%。

表6為兩種GNSS接收機觀測數據平差后控制點平面坐標和大地高比較表,兩組基線網平差時約束點及成果相同。

表6 平差后平面坐標和大地高比較表

8個控制點中平面坐標差值最大為2.4 cm,大地高最大差值為3.2 cm,本次布設的GNSS控制網作為水庫勘測設計階段的測圖控制網,其平面點位中誤差和高程中誤差允許值為±5 cm[5],兩種接收機觀測成果差值小于限差（2倍中誤差）,因此,兩種接收機觀測控制網的坐標和高程成果均滿足技術要求。

3 結論

通過對兩種測量型GNSS接收機進行了簡要介紹,在某水利樞紐勘測設計階段控制網測量時分別進行了獨立觀測,首先,通過接收機單點定位離散圖,跟蹤衛星圖,對兩種接收機測站接收數據進行了比較,兩種測量型GNSS接收機在測站接收衛星方面,數量基本相同,但一體機i90單點定位離散度較高,分體機P5離散度底,精度較高。其次通過基線解算后的PDOP和RMS等方面進行了比較,P5型接收機觀測基線的基線均方根誤差RMS和PDOP明顯優于i90接收機。再次通過基線解算后環閉合差方面進行了比較,P5型接收機觀測同步環閉合差明顯小于i90型接收機。最后,通過網平差后點位中誤差、邊長相對中誤差等方面進行了比較,并對網平差后平面坐標和大地高進行了比較,其中兩型接收機觀測數據網平差的點位中誤差和邊長相對中誤差差別不大,P5型略優于i90型,平面坐標差值最大為2.4 cm,大地高差值最大為3.2 cm,均滿足規范要求,可作為控制網測量成果值。

i90型一體化GNSS接收機與P5型分體式GNSS接收機靜態測量標稱精度相同,但在復雜的高山峽谷地形條件下,呈現出了不同的測量精度。因此,建議高山峽谷及其它不利觀測條件下優先選擇帶扼流圈天線的分體式GNSS接收機觀測。