星站差分系统在远海岛礁测量中的应用

崔 嘉，刘 亮

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456；2.天津水运工程勘察设计院天津市水运工程测绘技术重点实验室，天津 300456）

海洋是人类可持续发展的重要战略空间，是当今世界各国赢得竞争优势的战略制高点。我国是一个拥有300万km2主张管辖海域、1.8万多km大陆海岸线的海洋大国[1]。建设海洋强国事关国家安全和长远发展，建设美丽中国离不开美丽海洋。我国岛礁数量多、分布广，准确获取岛礁地理信息数据可为海洋国土管理提供基础数据。

目前岛礁测量主要采用GPS RTK技术；但在远离陆地的海域，往往缺少控制资料，利用GPS RTK测量方法作业周期长、工作量大。星站差分系统可在无基础控制区域获得很高的定位精度，现已广泛应用于地形、水运、水利等测量工作中，将该技术用于岛礁测量可大大节省控制测量的时间，提高测量效率。

1 星站差分系统

星站差分系统最初主要用于农业，随着技术的不断发展，其应用领域扩展到土地调查、海上定位、GIS等诸多方面。目前，市场上已得到广泛应用的星站差分系统包括StarFire、VeriPos和OmniStar，本文以StarFire为例进行介绍。

1999年美国NAVCOM公司建立了StarFire网络的广域差分系统，可提供全世界范围内的GPS差分信号，且定位精度可达dm级，具备非常高的可靠性。StarFire网络的可靠信号发布覆盖了从北纬76°到南纬76°的地面区域范围，定位精度不受区域范围影响。StarFire星站差分系统分为全球参考站、数据处理中心、注入站、地球同步卫星和用户站5个部分[2-4]。

StarFire星站差分系统在全球范围内布设了28个双频参考站，能全天候收集世界各地的差分信息。数据处理中心收到这些差分信息后，通过计算处理，得到差分改正数；然后通过地球同步卫星实时地将这些改正数传播到全球的用户站。用户站同时接收GPS差分信号和来自地球同步卫星的改正数，从而实现实时的高精度定位[5-6]。星站差分系统的工作原理如图1 所示。

图1 星站差分系统的工作原理

2 系统在远海岛礁测量中的应用

2.1 远海岛礁测量现状

岛礁具有特殊的地理环境，测量难度大，常规的测量方法效率很低。随着测绘科技的快速发展，目前应用于岛礁测量的主要技术手段包括GPS RTK技术、三维激光扫描技术和遥感技术等。 GPS RTK技术是常规的地形测量手段，在近海岛礁测量中应用广泛，但其控制测量时间长，依赖基站信号，无法用于远海区域；三维激光扫描技术可快速获取岛礁的点云数据，但其依赖基础控制，对于地形复杂的岛礁，测站选址困难；遥感技术可用于远海岛礁或无法登陆的岛礁，但受影像分辨率和重访周期的限制，很难实现高精度实时测量。

2.2 星站差分系统应用于远海岛礁测量

远海岛礁大多处于无控制网的区域，如何获得高精度的测量数据是测量难点。采用传统测量技术，需建立控制网后才能开展碎部测量，费时费力、成本较高。星站差分系统可在全球范围内获得高精度的差分改正信号，既可提供实时的点位坐标，又可及时知道点位坐标的精度，能极大提高工作效率。星站差分系统SF-3050的StarFire差分定位精度为：水平＜5 cm，垂直＜10 cm。根据GB 17501-1998《海洋工程地形测量规范》[7]和JTS 131-2012《水运工程测量规范》[8]的限差规定，采用星站差分系统能满足1∶1 000比例尺远海岛礁地形测量的要求。

远海岛礁测量作业中，在无基础控制资料和GPS基准站的条件下，基于星站差分系统，测绘人员利用星站差分接收机便可获取被测物体的高精度空间坐标。因此，星站差分系统可用于岛礁岸线测量、资源调查、工程建设等领域。

2.3 星站差分系统在无控制区域测量中的优势

我国大部分岛礁往往缺少基础控制资料，采用传统测量手段进行测量时，首先需进行控制测量建立控制网，其工作量大、作业过程繁琐、测图周期长，特别是在远离大陆的海域，建立控制网难度较大，极大地降低了外业测量的工作效率。星站差分系统通过地球同步卫星直接获得准确的改正信息[9-10]，信号范围分布广；采用RTG 模式，可突破RTK工作距离的限制，也无需建立基准站，可实时获得高精度的定位信息。

与传统的RTK GPS、PPK GPS相比，星站差分系统具有的优势为：

1）精度高、速度快。星站差分系统无需逐级控制，无需电台发射差分数据，作业覆盖范围广。初始化成功后，定位精确度可小于15 cm；且随着时间的延长，其定位精度可减少到5 cm[11-12]。

2）技术领先、集成度高。星站差分系统拥有标准的数据接口和丰富的扩展功能，具备RTK、静态后处理、动态后处理多种工作模式。

3）高效便捷。星站差分接收机轻便、操作简单，外业可单机独立测量，无需建立本地基准站，可有效减轻劳动强度，提高工作效率。

3 实验结果与分析

3.1 工程实验

星站差分系统对于解决远海测量具有RTK、PPK无法比拟的优势，本文借助星站差分系统在某岛礁开展了相关工作。为了验证星站差分系统用于岛礁测量的可行性，本文分别利用GPS RTK与星站差分系统两种方式共同作业，进行地形点坐标采集。测量实验区域位置示意如图2所示。

图2 实验区域位置示意图

实验区地势较平坦，接收机上空无遮挡、无电磁干扰，测量时天气晴朗、微风。实验分别在上午、中午、下午等多个时段进行测试，星站差分系统最快能在10 min以内，最慢约为30 min完成收敛过程，达到0.1 m的定位精度。

3.2 结果分析

在测量数据中随机选取了10组坐标数据进行对比分析，坐标系为WGS84，投影采用高斯3°带，中央经线为123°（E），高程系统采用WGS84椭球高。对比结果如表1所示，可以看出，两种方式获取的数据在X方向的最大较差绝对值为0.057 m，均方差为0.037 m；Y方向的最大较差绝对值为0.046 m，均方差为0.029 m；高程的最大较差绝对值为0.094 m，均方差为0.073 m；3个方向的较差均值都小于0.02 m。根据GB 17501-1998《海洋工程地形测量规范》[7]规定，海岸地形测量图上地物点相对于邻近图根点的点位中误差，一般地区小于或等于图上0.8 mm，居民区小于或等于图上0.6 mm。因此，本次实验结果证明了星站差分系统可满足1∶1 000比例尺的岛礁测量要求。

由上述分析可知，利用星站差分系统进行远海岛礁测量能获得较高的精度，但在应用中也存在一些需要注意的问题。

1）星站差分系统依赖卫星信号，在密林或陡崖区域测量时，需时常查看仪器状态，一旦发生卫星信号失锁的情况，需要马上停止采集。重新锁定卫星信号后，不能急于测量，需待精度满足测量要求时再实施测量。

2）星站差分系统所采集的坐标为WGS84大地坐标，根据项目要求，若要提供其他坐标系统的测绘成果，测量人员则需在已知控制点上进行测量，求取坐标转换参数，再将星站差分系统接收的坐标转换到工程应用的坐标系中。

3）在隧道、桥洞等信号遮蔽区域，若能间断接收到RTK信号，则可利用星站差分系统的RTK+RTG联合工作测量模式。当RTK信号中断时，采用RTG方式继续测量，其能在15 min内维持cm级的测量精度。

表1 GPS RTK测量坐标与星站差分系统测量坐标对比/m

4）星站差分系统的主要误差影响因素包括多路径效应和电磁波干扰。测量时，应避免水面反射造成的多路径效应；应远离高压电线、信号发射塔等强电磁波干扰地物。测量员还应避免操作不当引起的粗差，多关注仪器状态，不可在未收敛时进行测量。

4 结 语

本文通过测量实验与数据分析，证明了星站差分系统在无控制区域进行快速测量的可行性，在远海岛礁测量中具有很高的实用价值。星站差分系统能满足远海岛礁测量的相关规范要求，相较于传统测量方法，在远离大陆的无控制海域，星站差分系统优势明显，能大幅减轻测量人员的劳动强度，充分发挥快速和高精度定位的特点，大大提高海域测量的工作效率。随着星站差分技术的不断发展，定位精度的逐步提高，星站差分系统将在远海岛礁测量中发挥更大的作用，其在海洋测绘中其他领域的应用也会越来越广泛。