BDS/GPS工程控制网质量分析

周建营,陈国恒,陈梅森

(广东省国土资源测绘院,广东 广州 510500)

0 引 言

随着卫星导航定位技术的迅速发展,我国在测绘地理信息产业的工程领域已进入集全球定位系统(GPS)、格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)、北斗卫星导航系统(BDS)和伽利略卫星导航系统(Galileo)的全球卫星导航系统(GNSS)时代,其中BDS的建设发展起到了重要作用. 在2012年,我国完成了北斗二号系统(BDS-2)5颗地球静止轨道(GEO)卫星、5颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星、4颗中圆地球轨道(MEO)卫星的发射组网,这种星座在低纬度地区及林区、城市交接区、山川峡谷区性能突出[1]. 按照目前BDS“三步走”的发展战略,2020年将建成北斗三号系统(BDS-3),且在卫星星座、信号设计等方面相较于BDS-2均有了很大改进[2],这将为测绘生产工程控制网的建立提供多一种卫星系统的选择,而不需仅依靠GPS单星系统. 部分文献利用香港连续运行参考站(CORS)或Multi-GNSS Experiment(MGEX)项目的观测数据进行BDS解算分析[3-5],一定程度上为BDS工程控制网数据处理提供参考. 而对于实际测绘生产工程控制网,各测站的地理环境复杂,观测条件相对较差. 文献[6]以新疆地区某水利工程GNSS框架网7个控制点为例,比较分析了BDS和GPS的数据处理结果,试验说明BDS可满足该网的建设需要,但综合比较后还是以GPS作为最终应用成果;文献[7]对高速铁路基础平面控制网(CPI)进行BDS/GPS单独系统的解算,结果表明BDS各项指标的精度可用于高速铁路测量控制网的建立.

本文以广东省域内某工程控制网为例,通过BDS/GPS单星系统的数据处理,分别从观测数据质量情况、基线解算与平差精度、坐标结果差异性等指标,分析比较BDS/GPS单星系统下的建立情况,验证了BDS单星系统建立工程控制网的可行性.

1 工程控制网情况

本文选取的控制网位于广东沿海地区,该网按GNSS-B级的级别要求建立[8]. 工程区域布设了26个控制点,以边连式的观测方式分成两个同步环,观测时间为2019年第208-210天和第214-216天,接收机同步采集BDS/GPS数据,同时联合工程区域周边19个GDCORS站一并进行数据处理. 控制网点位布设如图1所示.

图1 控制网布设示意图

为了客观评价BDS/GPS单星系统的数据质量情况、基线解算与平差精度、坐标结果差异性等各项指标,本次实例处理流程均保持一致. 针对BDS/GPS多星观测数据的rinex3.0格式采用G-Nut/Anubis和RTKLIB进行数据质量情况分析[9-10];广播星历和精密星历均采用混合星历产品;数据处理采用GAMIT/GLOBK 10.7,基线解算sittbl.表中JMGT站设置为0.05,0.05,0.05,历元间隔为30 s,卫星截至高度角为10°,采用对流层延迟估计,海潮模型采用FES2004,其它参数均为默认模式[11]. 平差计算以JMGT、FKGT、ZQGT、YJGT、GTCH、ZHGT共6个GDCORS站作为CGCS2000坐标起算基准.

2 数据分析与比较

2.1 数据质量情况

首先以其中一个测站B109为例,输出全天各时段的可观测卫星情况如图2所示.

图2 可观测卫星情况

从图2来看,测站能接收到的GPS卫星(代码为G)为32颗,BDS卫星(代码为C)为30颗,其中BDS同时接收了BDS-2和BDS-3卫星,可观测卫星数BDS与GPS相差不大.

再对所有观测站点进行数据质量检查,分别从卫星截至高度角>10°时的预期观测值数量(Exp>10)、卫星截至高度角>10°时的实际观测值数量(Hav>10)、数据利用率(Ratio)、周跳比情况(o/slps、CSR)、多路径误差值(mp1、mp2、mp6、mp7)等各项指标进行统计. 考虑各测站均为连续观测,此处仅列出26个控制点测站其中一天的质量分析情况,如图3所示.

(a)观测值数量与数据利用率

(b)周跳比情况

(c)多路径误差值图3 质量检查情况

由图3(a)可知,各测站的数据可利用率均大于80%,符合相关要求. 其中80%～85%的有7个测站,最低值为B056,数据可利用率80.9%;85%～90%的有15个测站;大于90%的有4个测站,最高值为B099,数据可利用率91.16%. 周跳比情况以CSR值来评定[12],由图3(b)可知,各测站均小于10,符合相关要求. 其中相对较大的有B056(CSR=7.19)、B106(CSR=9.80)、B109(CSR=9.35). 多路径误差值(mp)一般认为小于50 cm即代表测站观测条件良好,若mp值越小,说明多路径效应影响越小[13]. 本次工程控制网BDS对应的多路径频率索引分别为mp2、mp6和mp7,其中测站B072、B113可接收3个频率,其余测站可接收2个,GPS对应的多路径频率索引分别为mp1和mp2. 由图3(c)可知,测站中BDS的多路径效应影响总体小于GPS,所有测站的BDS多路径误差值均小于50 cm,符合相关要求,有22个测站的GPS多路径误差值均小于50 cm,有4个测站的GPS多路径误差值大于50 cm,分别为B056、B106、B109、B111.

2.2 基线解算与平差精度

根据上述的数据质量情况,对该26个测站与周边19个GDCORS站进行BDS/GPS单星系统数据处理. 限于篇幅,本文列出了数据质量较差的B109测站,以及数据质量较好的B099测站较长和较短基线解算统计情况,同时输出两个测站的天空及相位残差图,如表1和图4所示.

表1 基线解算统计 m

(a)B109-BDS

(b)B109-GPS

(c)B099-BDS

(d)B099-GPS图4 天空及相位残差图

从表1可知,数据质量较差的B109测站在N、E值上的BDS/GPS差值均为毫米级,而在U的差值上均为厘米级,其中较长基线B109-FKGT的U差值为4.09 cm,较短基线B109-B111的U差值为3.04 cm. 数据质量较好的B099测站在N、E、U值上的BDS/GPS无论是较长基线或较短基线,其差值均为毫米级,差异性不大. 由图4可知,B109测站天空图中的正负残差相较于B099测站更大,表明B109测站受多路径或水汽影响较大. 从各时段的卫星运动情况来比较,BDS的卫星运动轨迹明显少于GPS,与可观测卫星情况不符,从解算结果文件来看,原因是GAMIT/GLOBK10.7目前只解算了BDS-2卫星. 从相位残差来比较,与GPS相比,BDS的相位残差红线波动较大,点位分布较发散. B099测站的相位残差红线波动小于B109测站,点位分布更集中,这也证明了B099测站的数据质量是优于B109测站的.

针对BDS/GPS的数据质量差异,对第209天所有测站的N、E、U基线分量进行精度比较,如图5所示.

图5 各基线分量精度比较

由图5可知,各测站基线解算精度比较中,BDS在N、E、U方向的精度均低于GPS,其中BDS的N方向平均精度为4.6 mm,E方向平均精度为6.2 mm,U方向平均精度为32.9 mm;GPS的N方向平均精度为3.7 mm,E方向平均精度为4.4 mm,U方向平均精度为17.2 mm. BDS基线解算精度整体低于GPS.

再以JMGT、FKGT、ZQGT、YJGT、GTCH、ZHGT共6个GDCORS站作为CGCS2000坐标起算基准,合并6天的基线解算结果进行平差计算,比较N、E、U方向的平差精度,如图6所示.

图6 平差精度比较

由图6可知,平差计算中BDS的N方向平均精度为1.74 mm,略低于GPS的N方向平均精度1.39 mm;BDS的E方向平均精度为2.28 mm,略低于GPS的E方向平均精度1.61 mm;BDS的U方向平均精度12.09 mm,低于GPS的U方向平均精度6.25 mm. 整体来看,BDS在N、E、U方向平差精度均低于GPS,其中U方向相对更显著.

2.3 坐标结果差异性

为进一步比较BDS/GPS单星工程控制网的数据处理差异,本文分别提取平差文件中26个待求测站的CGCS2000三维坐标值,以BDS/GPS坐标较差的绝对值来比较分析其结果的差异性,如图7所示.

图7 坐标结果差异

由图7可知,26个待求测站中BDS/GPS坐标结果在X方向上平均较差为5.8 mm,较差小于10 mm的有22个,10～20 mm的有3个,大于20 mm的有1个,最大较差为B111测站的23.42 mm;Y方向上平均较差为13.51 mm,较差小于1 mm的有11个,10～20 mm的有10个,大于20 mm的有5个,最大较差为B111测站的46.45 mm;Z方向上平均较差为4.41 mm,较差小于10 mm的有23个,10～20 mm的有3个,没有大于20 mm的测站,最大较差为B054的15.2 mm. 从结果差异性来看,BDS/GPS的坐标结果在X、Z方向的差异相对更小,Y方向的差异相对更大,而且数据质量较差的测站,其坐标结果差异性也相对更大,但无论数据质量如何,这种差异性均为毫米级或者厘米级. 由于只处理了BDS-2卫星,BDS-3暂无法一并进行解算,导致BDS的数据处理卫星数减少了一半,影响了数据处理精度和坐标结果.

3 结束语

本文利用广东省域内某工程控制网的应用实例,分析比较了BDS/GPS单星系统下的建立情况,得到了以下几点结论:

1)测站的BDS/GPS数据质量情况大部分良好,其中数据可利用率均大于80%,反映周跳比的CSR值均小于10,所有26个测站的BDS和22个测站的GPS多路径误差均小于50 cm,有4个测站的GPS多路径误差值大于50 cm,BDS的多路径效应影响要小于GPS,BDS可见卫星数与GPS相差不大.

2)数据质量较好的测站,BDS/GPS基线解算的各分量值均为毫米级的差异;质量较差的测站,BDS/GPS基线解算的N、E分量值为毫米级的差异,U分量值为厘米级的差异. 整体的数据处理方面,BDS的基线解算与平差精度低于GPS,且在U方向上相对更为显著.

3)数据质量较好的测站,BDS/GPS得到的坐标结果差异性平均只有毫米级,完全可替代GPS作为工程应用的最终解算成果;在数据质量较差的测站,Z方向上平均为毫米级的差异,X、Y方向上平均为厘米级的差异,可满足一般工程控制网的要求.

4)由于目前GAMIT/GLOBK 10.7只能处理BDS-2的数据,导致BDS-3卫星数据尚未能有效参与解算,随着BDS-3的全球组网和相关高精度数据解算程序的更新,BDS的解算精度会进一步提高.