星站差分应用于远海岛礁控制测量的可行性分析

万家欢,蒋其伟,王玉峰,王春瑞,宗敬文,公茂军

(1.92292部队,山东 青岛 266405;2.中国石油大学,山东 青岛 266500)

0 引 言

远海岛礁由于距离大陆较远，一般距离在几百公里以上，在进行地形测量时，前期的控制测量难以通过传统的GPS静态相对测量完成，需要寻求新的定位方式或技术[1]。精密单点定位(PPP)是远海岛礁控制测量中常用的一种技术，利用长时间观测的GPS定位数据再辅以精密星历文件进行解算可以获得符合地形测量精度要求的控制点坐标[2-3]。但是精密星历在观测时间12天之后才会发布，在测量任务紧急特别是远海岛礁测量受海况影响较大的情况下，需要及时获得控制点的坐标并尽快施测才能按期完成任务。因此对于测量时限紧张的任务，需要寻找其他符合测量规范精度要求的控制测量技术。

在分析PPP定位技术的基础上，介绍了STARFIRE星站差分技术，对其具体测量技术流程及数据处理方法进行了阐述。利用长时间观测的星站差分数据获得了控制点的坐标，将其与PPP定位结果进行了比较。实测数据表明星站差分技术用于控制测量具有一定的可行性，其测量成果符合测量规范要求，在远海岛礁等地情特殊的区域可以替代PPP用于快速控制测量，有效提高作业效率。

1 远海岛礁控制测量方法

1.1 精密单点定位

PPP这一概念首先由美国喷气推进实验室的Zumberge等人于1997年提出，并给予实现。它是一种利用卫星精密星历和卫星钟钟差数据以及双频码和载波相位观测值，采用非差模型进行定位的方法。PPP的精度在很大程度上依赖于精密星历和卫星钟钟差的精度，IGS所提供的优于5 cm的GPS卫星精密轨道和优于0.1 ns的精密卫星钟钟差数据为PPP的出现奠定了基础[4]。

与相对定位相比，PPP具有不受测站间观测距离限制、能直接获得测站坐标、节省作业开支等优点。由于远海岛礁离陆地距离远，无法利用相对定位的方式进行控制测量，因此在远海岛礁上，PPP成为主要的低等级控制测量方法。一般在海测中，其控制测量精度可作为C等级点，但是高精度的精密星历文件在观测时间12天之后才能从IGS官网上获得，因此PPP定位技术的时效性较差，其应用也受到一定的限制[5]。

1.2 星站差分技术

STARFIR系统的GPS 地面基站网络，由美国国家宇航局与美国喷气动力试验室共同建立并维护。通过对地面基站的数据处理后注入国际海事卫星，再向全球范围发布双频GPS差分信号，供用户实时定位测量。由于采用卫星代替RTK地面基准站，因此又称之为“星站差分”。它是目前世界上第一个可以提供三维实时定位高精度星基差分系统，其水平精度优于10 cm .这种基于GPS网络的星链技术，代表着高精度GPS发展的主要方向之一[6-7]。

2 星站差分数据采集及处理流程

2.1 星站差分数据采集方法

采用C-Nav2050 GPS进行星站差分定位，其数据采集及处理流程如下。

1)接线：ANT接天线、COM1接PC、POWER接电源。

2)上电、开机：将电脑打开后再与接收机相连，然后再打开接收机。

3)打开C-Setup控制软件：新建一个设备，Device Type选C-Nav3050，Device Name设置为GPS天线序列号。

4)连接：设置PC端口，如果不知道接收机的设置选择Auto Band.等待GPS信号，GPS信号指示灯变为绿色，设备自动采集并存储在默认路径下，连续采集12 h.

2.2 数据处理流程

采用系统自带的BLHAverage软件对采集到的差分数据进行粗差剔除。

载入观测到的测站差分数据，点位的水平和垂直分布如图1和图2所示，其中图1为某测站差分数据的点位水平分布图，图2为某测站差分数据的点位垂直分布图。从图1、2可以看出，水平点位的误差分布收敛性比较好，垂直点位的误差变化比较大，基本不收敛，不能作为后续高程起算依据。选择剔除粗差的方法收敛后，将大于3点剔除，得到测站坐标。

图1 水平点位分布图

图2 垂直点位分布图

3 星站差分与精密单点定位的精度对比分析

按照上述数据处理流程，在某远海5个岛礁上进行了实地测量比对，按照技术设计书，岛礁的测图比例尺为1∶1000，平面控制点坐标精度为0.1 m.在5个岛礁上共布设了15个控制点，每个控制点PPP的观测时间为连续12 h，星站差分的测量时间也为12 h.

以PPP测量结果为真值，将PPP解算出的数据和星站差分的数据进行高斯投影，计算二者的平面坐标差值，表1示出了15个控制点星站差分的X向误差、Y向误差和点位误差。其中X向最大误差绝对值为0.027 m，Y向最大误差绝对值为0.052 m，点位最大误差为0.057 m.

表1 星站差分与PPP精度对比

图3给出了X、Y点位误差分布图，从图中可以看出，点位误差主要分布在[0,4 cm]区间，整体误差分布比较均匀，这表明星站差分定位单点定位值是可靠的。按照测量规范的要求，本次测图的平面控制精度要求为0.1 m，星站差分的精度符合测量规范要求，可以作为测图控制点使用[8]。

图3 星站差分定位误差分布

4 结束语

STARFIR星站差分系统应用了最先进的多基站、星链算法，采用该系统可以获得高精度的定位结果。利用软件对12 h的星站差分定位数据进行处理，剔除大于3误差的点后，其平面坐标的精度可达cm级，获得的点位坐标能够作为控制测量成果使用。在远海岛礁等地情特殊的区域，无法进行相对定位且测绘任务时间紧急的情况下，利用STARFIR星站差分技术可以替代PPP来快速提供符合精度要求的控制点坐标，能够有效提高作业效率，确保按期完成测绘任务。

[1]刘焱雄,周兴华,张卫红,等.GPS 精密单点定位精度分析[J].海洋测绘,2005,25(1):44-46.

[2]邱中军,陈景平,房 颖,等.精密单点定位及其精度分析[J].测绘工程,2011,20(6):35-37.

[3]张小红,刘经南.基于精密单点定位技术的航空测量应用实践[J].武汉大学学报·信息科学版,2006,31(1):20-22.

[4]ZUMBERGE J F,HEFLIN M B,JEFFERSON D C,etal.Precise Point Positioning for the efficient and robust analysis of GPS data from large networks[J].Journal of Geophysical Research,1997,102(B3):5 005-5 017.

[5]IGS.静态精密单点定位指南[OL].(2011-06-01).http://igscb.jpl.nasa.gov/components/prods_cb.html.

[6]熊 刚,束焕然,廖七一,等.STARFIRETM-RTG星基差分实时精密单点定位原理、测试与应用[J].全球定位系统,2006,31(5):32.

[7]杜 强,陆秀平,肖振坤,等.基于StarFire星站差分GPS系统的精密静态解研究[J].海洋测绘,2011(5):4-5.

[8]马晓萍,肖国雄,兀 伟,等.GB/T 20257.1-2007,国家基本比例尺地图图式第1部分:1:500 1:1000 1:2000地形图图式[S].北京：中国标准出版社,2007.