不同测地型GNSS接收机在峡谷区控制测量数据分析

杨昆仑，赵军平，严亚敏

（陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710001）

0 引言

GNSS（Global Navigation Satellite System）可以为用户提供高精度定位、测速和授时服务,具有高精度、全天候、高效率、多功能、易操作、应用广等优点。目前广泛应用于军事、经济、生产和生活的各个领域,成为人们不可或缺的工具。目前应用最广的GNSS主要有美国研制的 GPS（Global Positioning System,全球定位系统）、俄罗斯的 GLONASS （Global Navigation Satellite System,全球导航卫星系统）、我国自主研制的BDS（Bei Dou Navigation Satellite System和欧盟的 Galileo（伽利略）、以及相关的增强系统,如日本的准天顶卫星系统（Quasi-Zenith Satellite System；缩写：QZSS）等。近几年新生产的GNSS接收机设备支持五星十六频。五星指：BDS、GPS、Glonass、Galileo、QZSS；十六频包括：BDS 5个频率,GPS 3个频率,Glonass 2个频率,Galileo 3个频率,QZSS 3个频率。

GNSS接收机按用途可分为导航型接收机、授时型接收机、测地型接收机,测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位,定位精度高。常见的测地型接收机为一体机,如中海达V60、华测i90、天宝R8等；另一种测地型接收机是带有扼流圈天线的分体机,扼流圈天线可以抑制或者减弱多路径卫星信号,让接收机接收比较完美的卫星直接信号,提高测量精度。常用的GNSS扼流圈天线有HXCCGX601A、C220GR、TRIMBLE ZEPHYR等。目前GNSS测量技术已在工程测量领域广泛使用,但在高山峡谷地区采集的数据质量难以保障,为了提高测量精度,案例项目中使用了测地型一体机华测i90和测地型华测P5配套HXCCGX601A天线分体机进行了控制网数据采集,两型接收机均支持五星十六频,静态测量标称精度相同,本文对两组观测数据从原始观测数据单点定位离散度、基线解算精度及网平差精度等多方面进行了比较。

1 概况

该项目位于秦岭腹地,距离山口约40 km,测区内山大沟深,地势险要,几乎无手机信号,目前该水库设计阶段为项建阶段,需测绘1∶2000数字地形图。依据本项目地形地貌及工作内容情况,控制网布设为四等GNSS三维控制网,高程采用基于省级似大地水准面精化模型的精化高程[1]。目前陕西省似大地水准面精化模型精度为±4.1 cm[2]。

在枢纽区、库区及其它工程建设范围附近共布设控制点8个,点位见图1,其中P1和P5点布设于山顶,卫星可见数量较多,卫星观测条件较好,其余控制点均布设于峡谷底部道路边,可见卫星数量少,观测条件非常差。

图1 控制点布设点位图

2 GNSS控制网观测

外业观测采用静态相对定位模式,使用8套接收机一次观测完成。图2为GNSS控制网图,GNSS网测量精度要求见表1。

表1 GNSS网测量精度要求

图2 GNSS控制测量网图

2.1 接收机主要参数

华测i90为测地型一体化GNSS接收机,主要用于工程测量,P5为测地型分体式GNSS接收机,主要用于高精度GNSS测量。两种接收机均支持五星十六频,静态测量精度相同,见表2。

表2 接收机主要参数

2.2 外业观测

控制网分别采用了华测i90和P5 GNSS接收机进行了独立观测,观测时长均超过4 h,观测主要技术要求见表3。

表3 GNSS控制网观测技术要求

外业数据采集结束后,对两种接收机观测数据从单点定位离散图和跟踪卫星图进行了对比,,仅列出P1、P2点,其中P1点卫星观测条件较高,P2点观测条件差,图3为单点定位离散图比较详图,仅列出P1、P2点。

图3 两种接收机测站单点定位离散图

单点定位离散图表明带有扼流圈天线的P5分体机单点定位能力强于i90一体机；测站跟踪卫星图表明两种接收机锁定卫星数量及跟踪卫星能力基本相同。

2.3 数据处理

使用华测自带后处理软件CGO（CHC Geomatics Office）解算基线[3],CGO软件是上海华测导航技术有限公司完全自主研发的第二代全功能 GNSS 数据后处理软件。该软件采用全新的数据解算引擎,具有高效的解算引擎,优越的自动化及长时间解算,自由组合的 GPS、GLONASS、BDS 多卫星定位系统数据解算模式,静态、快速静态和动态后处理（PPK） 等多种作业方式。可兼容天宝、科傻基线解算文件,具有精密星历 SP3下载与处理模块,符合国家最新 GPS 控制测量规范、国内外多种 NGS天线认证与实现自动化识别,多种报告输出（ 平差处理报告、基线处理报告、网图报告、闭合环报告、项目总结报告等） ,拥有自主配置的平差检验报告,符合国际化、行业化标准、全新的坐标转换和 RINEX 转换模块,精细的操作日志记录（提供相邻点间的基线解算水平和垂直精度),实时了解当前操作与后期回放等多种先进的功能模块,是工程应用的主流GNSS数据后处理软件。

2.3.1 基线精度比较

两种接收机观测数据分别导入CGO软件,修改测站点名和天线高度后,配置基线处理参数,选择五种卫星系统,高度角设置为30°,大气对流层改正模型选择标准Saastamoinen模型,电离层改正模型选择Klobuchar模型,配置完主要参数后进行基线解算,共组成独立观测基线28条,所有基线均一次性解算合格。从基线三维精度因子PDOP和基线均方根误差RMS方面进行了比较,见图4、图5。P5接收机观测的基线三维精度因子PDOP和基线均方根误差RMS均强于i90接收机。

图4 基线PDOP比较图

图5 基线RMS比较图

2.3.2 闭合环精度比较

基线解算通过后,统计闭合环情况,由于本项目采用8套接收机一次观测完成,因此只有同步环,共构成三边同步环21个。从同步环分量闭合差和全长闭合差方面进行了对比,图6、图7、图8分别为同步环分量闭合差比较图,图9为同步环全长闭合差比较图。表4为同步环分量闭合差和全长闭合差分区间统计表。

表4 两组同步环闭合差统计表

图6 同步环分量闭合差（Wx）比较

图7 同步环分量闭合差（Wy）比较

图8 同步环分量闭合差（Wz）比较

图9 同步环分量闭合差（Ws）比较

图6～图9中,接收机i90同步环分量闭合差和全长闭合差少数小于P5接收机观测数据,以下是同步环闭合差分区间统计表。

华测P5接收机观测数据的同步环分量及全长闭合差在1/3限差以内的占比80%以上,相比华测i90接收机,同步环闭合差精度提高明显。

2.3.3 网平差精度比较

基线网内符合精度检校完成后,导出基线向量文件,使用CosaGPS软件进行三维无约束平差和二维约束平差[4]。三维无约束平差对基线向量质量的检查一般通过分析三维基线向量三个分量的残差、最弱点点位误差、最弱边相对中误差等来判断。平差主要精度指标见表5。

表5 GNSS网平差主要精度指标统计表

两种接收机观测数据网平差精度均满足规范[5]要求,三维无约束平差的三维基线向量残差均小于3倍基线长度中误差σ（基线中误差为固定误差,b为比例误差,D为基线长度）,图10～图12为三维基线向量残差对比图。

图10 三维基线向量残差（Vdx）比较

图11 三维基线向量残差（Vdy）比较

图12 三维基线向量残差（Vdz）比较

两组观测数据三维基线向量三个分量残差中P5接收机小于i90接收机的占总基线数的30%。

表6为两种GNSS接收机观测数据平差后控制点平面坐标和大地高比较表,两组基线网平差时约束点及成果相同。

表6 平差后平面坐标和大地高比较表

8个控制点中平面坐标差值最大为2.4 cm,大地高最大差值为3.2 cm,本次布设的GNSS控制网作为水库勘测设计阶段的测图控制网,其平面点位中误差和高程中误差允许值为±5 cm[5],两种接收机观测成果差值小于限差（2倍中误差）,因此,两种接收机观测控制网的坐标和高程成果均满足技术要求。

3 结论

通过对两种测量型GNSS接收机进行了简要介绍,在某水利枢纽勘测设计阶段控制网测量时分别进行了独立观测,首先,通过接收机单点定位离散图,跟踪卫星图,对两种接收机测站接收数据进行了比较,两种测量型GNSS接收机在测站接收卫星方面,数量基本相同,但一体机i90单点定位离散度较高,分体机P5离散度底,精度较高。其次通过基线解算后的PDOP和RMS等方面进行了比较,P5型接收机观测基线的基线均方根误差RMS和PDOP明显优于i90接收机。再次通过基线解算后环闭合差方面进行了比较,P5型接收机观测同步环闭合差明显小于i90型接收机。最后,通过网平差后点位中误差、边长相对中误差等方面进行了比较,并对网平差后平面坐标和大地高进行了比较,其中两型接收机观测数据网平差的点位中误差和边长相对中误差差别不大,P5型略优于i90型,平面坐标差值最大为2.4 cm,大地高差值最大为3.2 cm,均满足规范要求,可作为控制网测量成果值。

i90型一体化GNSS接收机与P5型分体式GNSS接收机静态测量标称精度相同,但在复杂的高山峡谷地形条件下,呈现出了不同的测量精度。因此,建议高山峡谷及其它不利观测条件下优先选择带扼流圈天线的分体式GNSS接收机观测。