北斗在山区高速公路静态控制测量中的精度分析

曹久慧，张超，喻国荣

（1.中交三航局第三工程有限公司，江苏 南京 210011；2.东南大学，江苏 南京 210096）

0 引言

中国北斗卫星导航系统（简称BDS）是我国自主建设，独立运行并与世界其他卫星导航系统相兼容的全球卫星导航系统。系统于2012年12月27日正式向亚太大部分地区提供连续无源定位、导航、授时等服务[1]。系统目前在轨工作卫星14颗，包括5颗地球静止轨道（GEO）、5颗倾斜地球同步轨道（IGSO）和4颗中圆地球轨道（MEO）卫星[2-4]。

北斗卫星的空间分布与GPS卫星空间分布有较大不同，另外，对于亚太地区的观测者，北斗系统卫星星座具有更加高效的利用率[5]，且BDS系统卫星全部具备三频功能，理论定位精度优于GPS。

我国国土幅员辽阔，东西部自然环境、经济发展程度差异明显，依据北斗卫星星座的空间分布，对北斗卫星的DOP值和可见星数进行分析，可知在我国低纬度地区卫星可见性优于高纬度地区和西部地区[6-7]，因此，BDS能否在西部山地险峻、林木高大、地形复杂、控制测量和施工放样具有较大困难的地区发挥优势，是需要关注的重要问题。

自上世纪80年代以GPS为主的卫星定位技术应用于测绘以来，卫星定位技术以其高精度、高效率及易跨障碍等诸多优势在工程控制测量中被广泛应用。GPS控制测量技术是目前高等级公路、高速铁路和大型桥梁等交通工程建设中控制测量不可或缺的重要技术手段。

目前关于北斗系统的测量精度报道，主要来自于大学、科研院所等科研机构，其结论多从科研角度得出。研究北斗系统高等级控制测量应用，论证北斗系统工程应用精度、效率，尚需要更多的工程实践。

因此，本文结合贵州道新高速工程项目，对北斗系统在贵州山区复杂地形条件和观测环境中高等级控制测量的可行性与精度进行分析，并与GPS静态控制测量精度进行对比。

1 控制网设计

1.1 工程概况

道新高速公路和溪至流河渡段位于贵州高原北部向四川盆地过渡的斜坡地带，是大娄山脉的东南段，海拔高程大致为550～1 000 m，地形高低差异明显；树木丛生、交通不便，常规测量方法施行起来难度极大，采用BDS/GPS卫星定位技术实现高速公路的控制测量、定线测量、便道测量等，提高作业效率。

1.2 基准设计

以接收机1 d连续观测的单点定位坐标作为BDS/GPS基线解算的位置基准。

1.3 网形设计

道新高速公路和溪至流河渡段路线总长约25 km，共布设25个控制点，呈南北线状分布，以三角形、大地四边形等结构强度较好的图形形式布设测量控制网，网形及各点位的分布如图1所示，网中最长边长为9 067.181 m，最短边长为229.222 m，平均边长为2 370.486 m。

图1 静态控制测量网Fig.1 Static control surveying net

1.4 数据采集

利用BDS/GPS双系统接收机进行外业数据采集，具体要求以不低于GB/T 18314—2009《全球定位系统（GPS）测量规范》D级网的观测要求施行，同时采集了北斗静态和GPS静态数据，地面点的仪器高在观测前和观测后各量取3次。

2 精度分析

基线处理与网平差采用中海达HGO静态数据处理软件进行解算。控制网所有观测时段共有78条基线，分别采用单BDS与单GPS观测数据单独解算，并与BDS+GPS联合解算进行对比。BDS与GPS基线解算结果在NEU三个方向上之差如图2所示。

图2 BDS与GPS基线解算结果对比Fig.2 Resultscontrast of baselinesresolved with BDSand GPS

由图2可以看出，BDS与GPS基线解算结果之差在NEU三个方向上差的最大值依次为3.6 cm、6.0 cm、4.2 cm。

图3是78条BDS与GPS基线解算结果3个方向坐标差值统计直方图。

从图3中可以看出，BDS与GPS基线解算在3个方向上的差值基本服从正态分布，再将78条基线3个方向上的差值求和得：N方向0.9 mm；E方向：0.6 mm；U方向：0.6 mm；由此可见，BDS与GPS基线解算结果之间并无明显的系统性偏差。

每一条基线解算精度统计如图4所示，可以看出在山区特殊观测环境下BDS与GPS的基线解算精度总体上相当，北斗与GPS联合解算精度要明显优于BDS与GPS单独解算。

采用中海达静态数据处理软件HGO进行网平差，以GPS171、GPS179、GPS199三个D级网点坐标进行约束平差，平面坐标采用西安80坐标系统，中央子午线经度为107°30′，抵偿投影面高程为650 m。不同系统约束平差中误差均值见表1。

图3 BDS与GPS基线解算结果比较直方图统计Fig.3 Histogram statistic of the results contrast of baselines resolved with BDSand GPS

图4 基线解算精度对比Fig.4 Contract of baselineresolving precision

表1 不同系统约束平差中误差均值Table 1 Mean error of the constrained adjustment in different systems

3 结语

本文结合贵州道新高速公路和溪至流河渡段工程，沿路线布设了包含25个点的线状控制网，并采用了BDS/GPS双系统接收机按照D级网的观测要求观测采集了原始静态数据。利用中海达静态数据处理软件对静态网78条基线进行解算，根据解算结果得知，BDS在贵州山区高海拔、地势起伏大、遮挡比较严重的环境下，基线解算基本能够达到平面N方向3.6 cm、E方向6.0 cm，高程U方向4.2 cm，与GPS相当；北斗系统定位结果相比GPS没有系统偏差；北斗与GPS联合解算精度要明显优于BDS与GPS单独解算。北斗在贵州山区特殊观测环境下静态控制测量能够达到平面3.6 mm、高程6.6 mm的精度，与GPS相当，平面精度基本能够满足工程应用的需要。