星站差分定位在區域重力調查中的應用探究

摘 要：在我國西部沙漠和高山地區開展區域重力調查工作時，由于國家控制點較為稀缺，甚至一些地方缺乏控制點。在這個復雜環境下，傳統的測量技術往往難以解決重力點定位的問題。而引入星站差分定位這一新技術可成功地克服這一困境。通過詳細介紹星站差分定位的基本原理，并結合野外項目實例對比試驗數據的精度，該文展示該技術可在平面和高程方向上的測量精度，分別為±0.504 m和±0.156 m。這些結果不僅滿足1∶250 000區域重力調查規范的精度要求，還驗證星站差分定位在精度和定位準確性方面的卓越性，以及提高野外工作效率的顯著優勢。綜合分析近年來的野外實測數據，該研究總結星站差分定位在區域重力調查中的優點和缺點，并為今后在該領域采用星站差分定位提供有益的參考，有望在未來的區域地質研究中發揮關鍵作用。

關鍵詞：星站差分；重力點定位；對比分析；測量精度；野外項目實例

中圖分類號：P228 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）24-0006-04

Abstract： When the regional gravity survey is carried out in the desert and alpine areas of western China， due to the scarcity of national control points， some areas even lack control points. In this complex environment， the traditional measurement technology is often difficult to solve the problem of gravity point location. The introduction of the new technology of satellite-based differential positioning has successfully overcome this dilemma. By introducing the basic principle of satellite station differential positioning in detail， and comparing the accuracy of test data with field projects， this paper shows the measurement accuracy of this technique in plane and elevation direction， which is ±0.504 meters and ±0.156 meters respectively. These results not only meet the accuracy requirements of the 1∶250 000 regional gravity survey specification， but also verify the excellence of satellite station differential positioning in accuracy and positioning accuracy， as well as the significant advantages of improving field work efficiency. Based on the comprehensive analysis of the field measured data in recent years， this study summarizes the advantages and disadvantages of satellite station differential positioning in regional gravity survey， and provides a useful reference for the application of satellite station differential positioning in this field in the future. It is expected to play a key role in regional geological research in the future.

Keywords： satellite-based differential positioning; gravity point location; comparative analysis; measurement accuracy; field project example

在區域重力調查中，調查工作通常在幾千甚至上萬平方千米的工作區域開展，隨著重力調查精度的不斷提升，對重力測點的定位精度要求也日益提高。在重力勘探中，采用網絡實時動態測量定位技術（CORS）服務是一種常見的方法，該服務覆蓋CORS服務范圍內的區域，相較于傳統全球定位系統（GPS）作業，具有范圍廣、精度高、野外單機作業的優勢[1]。然而，在無CORS服務的區域內通常用快速靜態測量，這種方法需要在野外架設基站且需要數分鐘至幾十分鐘的定位觀測，由于它不能夠對數據質量進行實時監控，在進行數據處理的時候軟件參數的設置和基線質量的評定又和處理人員的工作經驗有關，因此快速靜態的測量結果往往都帶有或大或小的定位誤差[2]。而在西北沙漠、高山地區開展區域重力調查工作，工作區域范圍大且無CORS定位服務的環境下無法采用以上方法。因此引用衛星實時差分的高精度定位方法（以下統稱為星站差分）來完成區域重力調查的定位工作，目前該方法已獨立成為一種新的全球導航衛星系統（GNSS）定位方法，無須自己設置地面參考站也能實行單機作業，定位不受距離的限制，施工靈活，能夠實時監控測量數據的質量[3]，因此，星站差分方法能夠提供非常精確和可靠的測量結果，為區域重力調查的定位工作提供了一種高效的解決方案。

1 儀器原理及試驗數據

1.1 星站差分原理

本項目重力測點的定位工作使用的測量儀器為廣州中海達衛星導航技術股份有限公司旗下的海星達iRTK5X型GNSS接收機星站差分模式，星站差分是一種采用衛星通信網絡發送差分改正數據，從而達到實時高精度差分定位的方法[4]，星站差分定位是在無控制點地區滿足測量定位精度的主要方法。星站差分定位技術的基本原理是差分定位，星站差分系統由參考站、數據中心、地球同步衛星和用戶構成。參考站將跟蹤的衛星信號發送至數據處理中心，數據處理中心利用這些數據生成差分數據，并將差分數據通過衛星或者其他數據播發鏈路發送至用戶，用戶利用差分數據改善定位精度[5]。這種新的作業方式，不需要在測量過程中架設基準站，同時通過采用衛星通信技術擺脫了對網絡和電臺通信的依賴，使用范圍更為廣泛且操作更為便捷[4]，能很好地滿足區域地球物理調查重力點定位的要求，提高工作效率。

1.2 試驗數據

研究測區位于河西走廊地帶的祁連山以北、內蒙古吉蘭泰—巴丹吉林一線以南地區，該區域地貌劃分涵蓋了酒泉盆地、民樂盆地、武威盆地、潮水盆地、雅布賴盆地和巴彥浩特等主要盆地。測區環境多數為沙漠、戈壁及高山區，地勢陡峭，該區域屬于農牧業交錯區，擁有豐富的能源和礦產資源。為查明該區的重力場基本特征與變化規律，構建三維地球物理屬性結構模型與盆地構造格架，為深化重要斷裂空間展布、盆地結構、區域盆山耦合關系、盆地演化及其對成藏成礦等基礎地質問題認識提供重要基礎信息和科學依據，在該區開展1∶250 000區域重力調查工作。

為全面驗證中海達iRTK5X型GNSS接收機星站差分模式在重力測量中的定位精度是否符合規范要求，在項目實施前采取了一系列嚴格的驗證步驟。首先，前往國家認可的檢測中心進行儀器檢測，并取得有效的檢測證書。隨后，對儀器進行試驗精度的對比分析。

本文通過2020—2022三年的試驗數據對比分析中海達iRTK5X型GNSS接收機星站差分定位測量的精度。3年試驗數據對比見表1。試驗方法是將設備在國家大地控制測量點已知點上進行測量，這些控制測量點具有較好的測量試驗對比條件，其坐標系被設置為CGCS2000，然后將測得的數據與已知控制點的坐標數據進行對比，計算縱向直角坐標N、橫向直角坐標E及測點大地高H的差值，并繪制出差值圖如圖1所示，圖1中展示了測量結果的變化趨勢。這一驗證過程旨在確保儀器在實際應用中的定位精度滿足規范要求。

經過3年的試驗數據對比，測量結果的N、E、H值最大值見表2，測量結果與國家大地控制測量點已知點N、E、H值差值均小于0.2 m。根據《項目施工方案》DZ/T 0082—2021《區域重力調查規范》、DZ/T 0153—2014《物化探工程測量規范》和GB/T 18314—2009《全球定位系統（GPS）測量規范》中的精度要求，中海達iRTK5X型GNSS接收機星站差分模式的定位精度均滿足本次1∶250 000區域重力調查精度要求定位工作。

2 應用分析討論

為了完成本項目3年的1∶250 000區域重力調查工作的重力測點的定位工作，采用的測量儀器為中海達iRTK5X型GNSS接收機星站差分模式，和重力測量工作同步進行。為了確保獲得高質量的重力測點平面坐標和高程測量數據，在進行重力測量前，進行了對比試驗以確保RTK儀器測量工作達到規范精度要求。星站差分模式在衛星鎖定以后，對每個測點進行平滑采集，取得由10個讀數平均的固定解。采集坐標要素包括經度、緯度、橫向直角坐標E、縱向直角坐標N及測點大地高H。由于2000重力觀測系統采用的是水準高，因此采集后的大地高H要通過CQG2000轉換為水準高。

由于研究區域大多分布在西部沙漠和高山地區，而測點坐標定位觀測時間由觀測點的環境決定，對于干擾小、衛星信號強的區域觀測時間甚至能縮短至1～3 min以內；對于山谷地理環境條件下，干擾大、衛星信號弱的區域，觀測時間可能延長至10 min以上。為了保證重力測點的測地工作的數據質量，采取了按3%～5%的比例進行質量檢查，測點質量檢查和重力觀測質量檢查同步進行，采用“一同三不同”檢查方式，對比經度、緯度、橫向直角坐標E、縱向直角坐標N及測點大地高H。先計算單個質檢點的橫向直角坐標E、縱向直角坐標N、測點大地高H與測量點的差值，而后計算所有質檢數據的平面和高程的均方誤差。在研究區域的3年調查中，共完成了7 947個GNSS測點的調查，其中質檢測點為305個，質檢率達到3.84%。所有質檢點的數據均合格，最終測點的平面位置均方誤差為±0.504 m，高程均方誤差為±0.156 m，完全滿足設計和規范的要求。

2.1 星站差分的優點

該方法的優點主要體現在以下幾個方面：一是無須控制點可直接測量，不受區域和距離限制，覆蓋范圍廣；二是無須架設基站采用全球統一坐標系統，一人一機就可以開始作業，操作更為簡便高效；三是抗干擾能力較強，不受常規差分信號頻段干擾，精度相較于傳統方式更高，提高了測量的可靠性；四是單機定位精度可達到厘米級，高精度定位應用于沙漠、戈壁、高山等區域解決了該區域定位難的問題，為高精度定位應用提供了可行性。

2.2 星站差分的缺點

該方法在實際應用中也面臨一些限制：一是受衛星狀況限制，在測量過程中可能會出現衛星失鎖情況，需要等待幾分鐘重新獲得衛星；二是遇到山谷地形條件要獲得厘米級精度的固定解，需要相對較長的等待時間，通常在10～30 min之間；三是初始化時間較長，在中午電離層干擾大的時段，很難獲得固定解定位；四是一些新的星站差分服務商的介入可能會導致差分賬號較之前有所上漲[6]。

3 結論

本文通過介紹了星站差分定位的基本原理、測量工作方法及精度評價方法，綜合分析試驗數據精度與野外項目實例應用，得出結論如下：

1）通過3年的儀器試驗數據對比分析得出，測量結果的N、E、H值與國家大地控制測量點已知點N、E、H值差值均小于0.2 m，遠遠優于設計和規范要求。

2）為了提高區域重力調查定位工作的效率及精度要求，研究區按照規范要求設計平面均方誤差為±1.0 m，高程均方誤差為±0.6 m。統計分析了3年的實測數據與質量檢查數據，最終測點平面位置均方誤差為±0.504 m，高程均方誤差為±0.156 m，遠超過設計精度要求，充分證實了星站差分定位模式精度滿足區域重力調查測量定位的精度要求。

3）星站差分定位模式不需要自己架設基站，不受區域和距離的限制，覆蓋范圍廣，精度可以達到厘米級，抗干擾能力較強，一人一機就可以獨立完成定位測量工作。

4）測點坐標定位觀測時間由觀測點的地理環境條件決定，測點為沙漠、戈壁空曠的地理環境條件下衛星信號強、干擾小，達到固定解觀測時間一般縮短至1～3 min以內；測點為山谷地理環境條件衛星信號弱、干擾大，達到固定解觀測時間可能延長至10 min以上。

參考文獻：

[1] 張小龍，周月，延海濤.CORS RTK定位技術在巢湖地區重力測量中的應用與研究[J]．能源技術與管理，2022，47（5）：176-179.

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[3] 李永海.陸上星站差分服務及其在物探中的應用[J]．物探裝備，2019，29（2）：133-137.

[4] 許宗武，米輝，丁文利.星站差分在熱帶叢林區可控震源項目中的應用[J]．物探裝備，2022，32（1）：25-27.

[5] 王開鋒，盧黎明.Atlas星站差分系統定位性能測試[C]//江蘇省測繪地理信息學會，江蘇省測繪工程院.2017年度江蘇省測繪地理信息學會GPS、大地專業委員會學術年會暨JSCORS技術交流大會論文集.江蘇省測繪工程院;河海大學，2017：2.

[6] 何欣松.StarFire星站差分技術在礦區測量中的應用探討[J].新疆有色金屬，2014，37（1）：10-11.