北斗卫星发射场系统GNSS控制网的优化设计

付崇伟,赵五小,邢伟

(61206部队,天津 300140)

北斗卫星发射场系统GNSS控制网的优化设计

付崇伟,赵五小,邢伟

(61206部队,天津 300140)

北斗导航卫星发射场系统GNSS控制网是为北斗卫星发射提供高精度的位置基准、射向基准及轨道测控基准,本文针对发射场系统GNSS控制网建立技术特点,以控制网观测的效率性、可靠性、经济性、精度性为优化设计指标,分别从控制基准优化选取、网形结构设计以及优化精度估算等方面对实施方案进行了优化设计,并通过实际作业验证该优化设计方法的科学性和可操作性。

北斗导航卫星;发射场系统;GNSS控制网;优化设计

0 引 言

我国新一代北斗导航卫星陆续发射升空,标志着建立全球卫星导航系统的开始。卫星发射场是发射航天器的特定场区,一般有航天器与运载器的装配与测试厂房、推进剂存储与加注设备、发射塔架、通讯设备以及测控设备等,这些共同组成了航天发射场系统[1],发射场系统大地控制网不同于常规的大地控制网,主要区别有三点,第一点是常规大地控制网是建立在局部地区之上,而北斗卫星发射场系统大地控制网是根据需要在全国范围内布设;第二点是常规大地控制网是满足测图和工程建设的需要,而北斗卫星发射场系统大地控制网则是满足北斗卫星发射、测控和轨道维持的需要;第三点是前者坐标系一般是建立局部或地方坐标系,而后者则要求为全球坐标系。基于上述原因,GNSS测量技术是建立北斗卫星发射场系统大地控制网的一种比较理想的测量手段[2]。

在大范围和复杂环境条件下,建立满足北斗卫星发射场系统特殊技术要求的GNSS控制网,必须要投入大量的人力、物力和财力,为使GNSS控制网测量工作更高效、更有序,以实现更大效益,为此,本文在GNSS测量方法建立控制网基础上,对发射场系统GNSS控制网的实施方案进行了优化设计,文中从优化设计的原则、控制基准选取、网形布设、精度估算等方面进行了阐述,并通过实际测量作业验证了该优化设计方案的可行性。

1 控制网优化设计的原则

北斗卫星发射场系统GNSS控制网优化设计总的原则是:在满足发射场系统精度要求和可靠性前提下,尽量减少人力、物力、时间及经费的消耗。评价控制网优化设计标准有以下几点指标:

1) 效率指标:在GNSS网中,点位数、接收机数和平均设站次数确定后,完成该网所需的理论最少观测时间可以确定。当按照某具体布网方式和作业方式进行测量时,完成整网观测时间与理论最少观测时间有所差异,理论最少观测时间与设计的观测时间的比值即为效率指标[3]。

2) 可靠性指标:可靠性指标是用来描述GNSS网抵抗粗差影响的能力[3],要求网中具有一定的多余观测,如三角观测三个角,导线或水准观测形成闭合环,使控制网具有较高的自检能力,避免粗差出现。

3) 经济性指标:经济性指标主要由控制网点数、接收机数、观测基线数和测区交通条件决定,观测的基线数量是影响经济性指标最重要的因素。

4) 精度指标:精度指标是分析GNSS控制网优化设计质量的主要标准,也是评价优化设计成败的关键,控制网的精度一般用未知参数的方差或协方差来描述[4]。

2 控制网基准的优化设计

根据GNSS网基线解算原理可知,基线固定点的误差会对基线解算结果影响很大,在GNSS网约束平差时,已知基准选取不当,会使整个GNSS网产生扭曲[5]。因此,必须对GNSS网的位置基准进行优化设计,GNSS控制网的基准优化设计原则:网中有国家级或其它高等级控制GNSS点如国际IGS基准站、国家连续运行基准站、地壳运动观测站,优先采用这些点的坐标值作为网的位置解算基准;网中无已知数据,则采用网中长时间观测点的测量成果作为网的位置解算基准。

按照这条原则,发射场系统GNSS网根据发射点、技术厂房、测控设备位置分布情况,选取国际IGS基准站LHAS、KUNM、WUHN、BJFS四个站作为整个网的位置基准。网点的选埋参照《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T 18314-2009)中要求,布设B级点13个组成首级控制网,在此基础上布设C级点11个实现对首级控制网的加密,目的是便于发射点和设备点联测,整个网共设计24个点。具体点位设计分布如图1所示。

图1 GNSS控制网点位设计布设示意图

3 控制网的网形优化设计

北斗卫星发射场系统GNSS控制网的建立是围绕发射中心区、技术测试厂房区、发射首区、飞行测控区四个部分进行布设控制点,结构关系如图2所示,而且选取国际IGS基准站作为网的基准,因此,网形结构的优化设计原则:基于国际IGS基准站同步观测基础上,各分区同步观测,控制网必须是全面连续网,边长控制在10～30 km的范围内,个别地区根据发射场系统的需要,适当调整边长的范围。为了使控制网与全国GNSS网、国家常规大地控制网之间紧密衔接,布网时要充分利用场区内已有的国家GNSS网点和一、二等天文大地控制网点[5]。同时为了建立强有力的图形结构和增加一定数量的多余基线观测量,各分区控制网采用点边混连式布网方式进行结合[6]。

图2 GNSS测量控制网结构示意图

4 控制网优化的精度估算

GNSS网在网形确定后,根据作业接收机标称精度可以估算网中控制点的精度,精度估算是衡量控制网优化设计的指标,GNSS网精度估算原则:根据计划的观测量,由点位精度与观测值先验精度的函数关系,列出其误差方程的系数矩阵A,给定各观测值的先验精度后,可以得出权矩阵P,组成未知数法方程的系数阵N[3]

N=ATPA，

(1)

(2)

在点位精度估算时为简化权阵计算,假定各基线边之间随机独立,基线分量之间随机独立。

则有:

(3)

式中,MΔX,MΔY,MΔZ为基线边各分量的先验中误差。设定GNSS控制网基线边的观测中误差为

MΔX=MΔY=MΔZ=0.005+1 ppm·D,

(4)

式中:D为基线边长;σ0为单位权中误差,按下式计算:

σ0=0.005+1 ppm·D,

(5)

按此原则进行网中点位精度估算,取网中24点,计划施测26条独立边,按概略坐标计算,得到单位权中误差为0.032 m,点位坐标分量最大值为0.023 m,最小值0.010 m,平均值为0.015 m.

5 控制网的测量实施

根据优化设计原则,GNSS网作业投入8台GNSS双频接收机,均采用扼径圈天线,作业中分成2个组。控制网中B级点位,在IGS基准站同步观测基础上,同一区域实时同步观测,每点观测不少于3个时段,每时段长度为23 h[7-8]。某观测时段内,若有效观测数据量少于20 h或有效时段数据的采用率低于80%时,均加测1个时段。C级点位在B级点控制下进行观测,每点观测时段数不少于3个,每时段长度≥4 h[7-8]。

控制网B级点测量数据处理以高精度IGS精密星历的高精度坐标作为起算值,使用Gamit软件进行基线解算,采用与Gamit配套的Globk软件解算出各点对应于观测历元的高精度坐标和多时段观测数据的整体平差,数据处理适当约束极移、UT1参数,卫星轨道约束5 cm.并将计算结果归算到2000中国大地坐标系,历元为2000.0. C级点数据处理使用Pinnacle软件,分区进行数据处理,选择邻近的同步观测的B级点作控制。

北斗卫星发射场系统GNSS控制网的观测数据处理采用整体联合平差,各分量平均中误差mX为0.005 m,mY为0.011 m,mZ为0.009 m,坐标各分量结果精度统计如表1所示。

表1 空间直角坐标分量中误差统计

6 结束语

本文提出了使用效率指标、可靠性指标、经济性指标和精度指标作为评价优化设计标准,在文中通过对GNSS控制网精度估算和作业测量数据的比较,可发现两者一致性较好,验证了优化精度指标的科学性。在控制网基准优化设计中,基于IGS基准站同步观测模式,实现了作业中集团同步作业模式为单个小组观测,观测时间不受约束,不受仪器数量限制,任何时间观测都可以组成结构良好的同步环,而且在测区内不需要选择控制点进行观测[9],节省人力、物力,验证了优化设计的效率指标、可靠性指标、经济性指标的可操作性。另外经过了北斗导航卫星历次发射和地面站测控设备的实践检验,证明北斗卫星发射场系统GNSS控制网优化设计方案方法先进、数学模型正确、质量可靠。

[1] 王俊勤,沈慧群. 航天靶场大地工程测量 [M]. 北京:解放军出版社,2007:36-38.

[2] 许其风.空间大地测量学[M]. 北京:测绘出版社, 2001:142-148.

[3] 宋力杰.粗差探测理论研究及其在GPS向量网中的应用[M]. 郑州:解放军测绘学院,1996:71-74.

[4] 周秋生.测量控制网优化设计[M]. 北京:测绘出版社,1992:88-89.

[5] 吕志平,张建军,乔书波. 大地测量学基础[M]. 北京:解放军出版社,2005:112-113.

[6] 总参谋部测绘导航局. 大地与工程测量[M].北京:解放军出版社,2012:231-234.

[7] 全球定位系统(GPS)测量规范[S].北京:测绘出版社,2009:7-10.

[8] 刘学杰. 矿区GPS网平差方案优化及精度分析[J].测绘通报,2016(6):64-68.

[9] 刘凯,余代俊,刘威辉. 基于“天地图四川”的GPS控制网布设[J].全球导航定位,2016,41(2):118-120.

Design and Precision Analysis of the GNSS Control Network of the BeiDou Satellite Launch Site

FU Chongwei,ZHAO Wuxiao,XING Wei

(Troops61206,Tianjin300140,China)

GNSS control network of the launch site of BeiDou navigation satellites is used to provide high precision position reference, high direction reference and high orbit control reference, and is the key to ensure the satellite launch vehicle successfully launched and precisely orbited. design of the measurement and control network should be scientific and precise, and take outside practice feasibility. This article discussed on technical design and measurements implement of GNSS control network, estimated the GNSS accuracy of control network by measurement working, and verified the technology design’s feasibility of Beidou satellite launch site GNSS control network.

BeiDou navigation satellite; launch site; GNSS control network; technical design

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.03.013

2016-10-27

P228.4

A

1008-9268(2017)03-0066-04

付崇伟 (1977-),男,工程师,主要从事大地测量数据采集与分析处理工作。

赵五小 (1976-),男,工程师,主要从事大地测量数据采集与分析处理工作。

邢伟 (1980-),男,工程师,主要从事测绘测量数据管理工作。

联系人: 付崇伟E-mail: 345841036@qq.com