基于北斗技术的大型灌区工程GNSS控制网平差＊

叶达忠，陈耿，丁林磊，乐文强，肖增华，叶德权

（1.广西壮族自治区水利电力勘测设计研究院有限责任公司，广西 南宁 530023；2.广西南宁水利电力设计院有限公司，广西 南宁 530023）

0 引言

本文的研究项目为广西桂西北治旱龙江河谷灌区，该项目地处石山区和滇桂黔石漠化片区，是集革命老区、少数民族地区、大石山区、贫困地区和水库淹没影响区“五区一体”的地区，被列入国家“十四五”水安全保障规划。工程开发任务为农业灌溉及城乡供水，保障区域经济社会用水安全，为保障区域粮食生产安全、巩固扶贫攻坚成果、实现乡村振兴创造条件。

项目规划在龙江河谷构建一个大型现代化灌区，总规划灌溉面积为5.5万hm2，其中自流灌溉面积为4.9万hm2、提水灌溉面积为0.6万hm2。拟新建输水干管5条（全长约181.66 km），支管28条，分支管15条，总长201.4 km；总干渠首设计流量为5m³/s。灌区位于东经107°36′～109°00′，北纬24°06′～25°12′，平均高程为250 m，属于3°带第36带区域，测区交通不便，山区地形为喀斯特地貌，植被茂盛，通视困难，属于复杂地区类别。

为获得高精度灌区整体GNSS控制网，国内行业做法通常是在随机软件导出基线解算，再导入武汉大学CosaGNSS卫星导航系统求解网平差结果。这种方式的不足之处是随机软件与CosaGNSS需要转换和衔接，并且后者不具备导入高程模型的功能，因此获得的高程平差不理想。本项目基于我国北斗卫星导航系统技术，根据项目特点和难点，利用“天宝”GNSS后处理系统Trimble Business Center（以下简称TBC），结合国内行业规范《水利水电工程测量规范》［1］，进行平差计算。这种方式能较好地利用高程模型且较好地结合和利用了我国的北斗卫星导航的同步卫星技术以及多星座非同步卫星的先进技术。

1 数据采集

通过对广西桂西北治旱龙江河谷灌区控制网图进行分析发现，Ⅰ南柳74（C154）、万里山小学（C299）、民族小学（C179）等一批C级GPS控制点可以作为本项目控制网平面坐标起算点数据；水准网拟采用Ⅰ南柳74、Ⅰ南柳78、Ⅰ南柳80、Ⅲ奇庚31、Ⅲ英德14、Ⅱ金浮1基等国家高等级水准点作为水准网起算点。测量技术设计书编写及测量作业的依据为《工程测量通用规范》（GB55018）、《工程测量标准》（GB50026）、《水利水电工程测量规范》（SL197）。项目的首要任务是在工程区域内建立四等、五等GNSS平面控制网［2-3］。

为更好地应用北斗卫星导航技术，首先，要确保卫星接收机兼容北斗导航卫星，如使用南方SOUTH S86-2013GNSS接收机。其次，若采用非随机后处理解算软件，则必须确认Rinex数据转换器使用3.02以上的版本，保证含有北斗星座卫星信号。采集流程为数据采集—基线解算—网平差（包括自由平差及约束平差）—精度评定［4-5］。

2 网平差后处理参数设置

本项目采用TBC进行网平差后处理，在此之前还需要对相应的参数进行设置。

2.1 基线处理设置

打开项目后，在工程设置中的“基线处理”和“卫星”中勾选“北斗”。依据参考文献［1］中的“表4.2.1”“公式（4.2.6-1）”“公式（4.2.6-2）”计算基线长度中误差和重复基线差值限差［1，3］：

其中：σ为相应基线长度的中误差；三等、四等σ值为31.6mm，可取值3 cm；a2为相应等级控制网的固定误差；b为相应等级控制网的比例误差；D为平均边长；ds为重复基线测量的差值。

通过TBC进行验算，四等控制网重复性基线计算应设置为8 ppm，二等应设置为1，三等应设置为4 ppm。

2.2 同步环、异步环设置

异步环各坐标分量闭合差及环线全长闭合差应满足《水利水电工程测量规范》中“公式（4.2.6-3）”的要求［1］。

其中：n为闭合环中的边数；Wx、Wy、Wy为各坐标分量闭合差；W为环线全长闭合差。

经计算（往高精度方向取整），二等、三等、四等异步环的环线全长闭合差限值分别为6mm、15mm、30mm；而同步环的环线全长闭合差限值则取异步环限值的一半。

3 建立区域水准面模型及坐标组

3.1 区域水准面模型

项目位于河谷狭长带状，高程异常较为显著。为提高GNSS高程拟合精度，建立灌区区域精化水准面模型，该区域水准面模型定制为Grid_LongJiang。在EGM2008（1′×1′）的模型上选择EGM2008 Gridmaker，输入灌区区域的边界为东经107.6°～109.0°，北纬24.1°～25.2°；内插方法选择Bi-Quadratic，采样间隔spceing选择1分，然后选择Grid_LongJiang输出文件，组成85×67格网文件。采用二等水准测量，在区域内均匀地布设10个水准点，并进行时长为4 h的GNSS三等同步观测，得到准确的高程异常值，从而对区域模型进行精化。在Coordinate System Manager中导入更新的模型Grid_LongJiang。

3.2 建立恰当的投影带及投影面

本测区中心处于108°30′附近，平均高程为250 m，采用国家标准3度带投影至108°00′00″时，经过计算，每千米投影变形值为0.025m，满足现行《水利水电工程测量规范》中“长度投影变形值小于5 cm/km”的规范要求。但是，龙江河谷灌区东部变形为9.0 cm，超出规范限值5 cm，需要进行投影抵偿。本项目宜采取CGCS2000坐标系、中央子午线108.5°、投影高程面为250m的独立坐标系及任意投影面，使变形值控制在毫米级。

4 平差处理

设置参数后，可以开始灌区GNSS控制网平差计算。为进一步确认是否选择的是北斗卫星导航技术，此时可以打开时段编辑器查找北斗卫星信号时段显示。

4.1 基线处理结果对比分析

在项目平差处理时进行北斗卫星导航技术使用前后的效果对比实验。实验结果证明，采用北斗卫星导航技术后，基线的水平精度、垂直精度、网的X检验都有不同程度的提高，有的精度指标达到2 ppm。最弱基线的相对误差控制在8 ppm以内，小于限差，即25 ppm，符合《水利水电工程测量规范》中“表4.2.1”的技术设计要求。

4.2 同步环、异步环比较

未采用北斗卫星导航技术之前，共有XZ08-XZ09-XZ24、XZ07-XZ08-XZ24、XB01-XB03-XB04、WD05-XB01-XB04等8个同步环闭合差不合格，其中最差的是XZ08-XZ09-XZ24，相对闭合差达到30.261 ppm，采用北斗卫星导航技术之后，只有3个同步环不合格，其中NL80-XZ06-XZ07为最差值，相对闭合差为18.975 ppm。没有利用北斗卫星导航技术的控制网同步闭合环计算详见表1。闭合差最差值为XZ08-XZ09-XZ24，长度闭合差为433.361mm，限差为43.230mm，评定结果为失败。

表1 无北斗技术的控制网同步闭合环计算表

表2 GNSS回线闭合结果（未采用北斗卫星导航技术）

4.3 GNSS回线闭合比较

GNSS回线闭合结果如下：采用北斗卫星导航技术前，有1个回线环XZ08-XZ09-XZ24未通过；采用北斗卫星导航技术后，没有不合格回线环（详见表2、表3）。

表3 GNSS回线闭合结果（采用北斗卫星导航技术）

验算结果为Δ3D/回线闭合环长度=0.433/14.3=30.2 ppm，与参数设计吻合。

5 高程内符合精度

为验证其高程内符合精度，进行自由网平差单点推算比较，加入北斗数据后，基线解、网平差、已知点检核的精度提高效果显著（见表4）。

表4 TBC高程单点拟合推算比较

6 结论

通过龙江河谷灌区GNSS控制网在采用北斗卫星导航技术平差前后实验对比，得出如下结论。

（1）采用北斗卫星信号后的基线处理、同步环、异步环的精度均有提高。

（2）加入北斗卫星导航数据后，对提高同步环精度效果显著。

（3）对于4边、5边等多边环，建议可选择性导出参考。

（4）对于GNSS回线闭合精度、GNSS控制网的内符合精度也有明显的提高。

（5）对于狭长形河谷的地形中的水利工程控制网，采用北斗卫星导航技术和精化模型后，其GNSS高程精度提高效果显著，极具推广价值。