浅谈北斗卫星导航系统在工程测量中的研究与应用

浅谈北斗卫星导航系统在工程测量中的研究与应用

吴龙彪

吴龙彪

广州绘宇智能勘测科技有限公司510665

摘要：随着导航接收机性能及数据处理技术的不断发展，北斗卫星导航系统的实时测量技术将在工程测量中得到更为广泛的应用。本文分析了北斗卫星导航系统概述，重点介绍了北斗卫星导航系统在公路测量中的应用。

关键词：北斗卫星导航系统；工程测量；研究；应用

一、北斗卫星导航系统概述

北斗卫星导航系统是由空间端、地面端和用户端组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具有短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度优于20m，授时精度优于100ns。空间段由35颗卫星组成，包括5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星。5颗静止轨道卫星定点位置为东经58.75°、80°、110.5°、140°、160°，中地球轨道卫星运行在3个轨道面上，轨道面之间为相隔120°均匀分布。至2012年底北斗亚太区域导航正式开通时，已为正式系统在西昌卫星发射中心发射了16颗卫星，其中14颗组网并提供服务，分别为5颗静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星（均在倾角55°的轨道面上），4颗中地球轨道卫星（均在倾角55°的轨道面上）。地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。用户端由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯“格洛纳斯”（GLONASS）、欧盟“伽利略”（GALILEO）等其他卫星导航系统兼容的终端组成。

北斗卫星导航系统基于三球交会原理。若空间上存在三个已知点，亦知第四点到该三点的距离，则该点必然位于三个以已知点为球心、已知距离为半径的球面交汇点上。早期的北斗试验系统使用有源定位方式，设备通过卫星发送信号给地面中心，地面中心解算坐标再把结果传回给设备；北斗二代卫星导航系统则保留了有源、无源方式实现卫星定位。采用无源定位时，用户设备至少要接收4颗卫星导航信号，通过设备终端设备独立完成位置解算。

2012年12月27日，北斗系统空间信号接口控制文件正式版1.0正式公布，北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。2013年12月27日，正式发布《北斗系统公开服务性能规范（1.0版）》和《北斗系统空间信号接口控制文件（2.0版）》系统文件。为促进北斗卫星导航系统在测绘领域的应用，国家测绘地理信息局于3月6日下发了《国家测绘地理信息局关于北斗卫星导航系统推广应用的若干意见》，为北斗卫星导航系统在测绘领域的应用提供了政策支撑。

二、北斗卫星导航系统中RTK技术的分析

1.RTK技术基本原理

RTK（RealTimeKinematic）技术是GPS实时载波相位差分的简称，是一种GPS与数据传输技术相结合，实时解算并进行数据处理，在1－2秒时间内得到高精度位置信息的技术。RTK系统主要由基准站接收机、数据链及移动接收机三部分组成。通常是利用2台以上的RTK接收机同时接收卫星信号，其中一台安置在已知点上作为基准点，另一台用来测量未知坐标点，称为移动站。基准站根据该点的准确坐标可求出卫星的距离改正数，并将其发送给移动站；移动站根据距离改正数来修正其定位结果，从而提高了定位精度，保证了实时提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果达到厘米级精度。

2.RTK技术相较于传统的测量技术，其主要优点体现在以下几方面：

（1）自动化、集成化程度高，测量精度更高

RTK测量系统中的移动站通过内置的软件控制系统进行操作，无需人工干预即可完成各种测量工作，即节约了人工成本，又减少了因人工参与而带来的误差，保证了测量精度。

（2）对测量作业条件要求更低

随着山区公路建设需求的日益增大，应用RTK技术能够更轻松地满足测量需求。RTK技术不要求两点点满足光学通视，只要求满足电磁通视和对天基本通视即可，即应用RTK技术，受通视条件、能见度、气候、季节等因素的影响和限制较小，对于传统测量方法，由于地形复杂、地物障碍造成的难通视地区，应用RTK技术均可轻松地解决。

（3）定位精度高、数据安全可靠、没有误差积累

不同于全站仪等仪器，全站仪在多次搬移后，存在误差累积的状况，搬移次数越多，误差越大；RTK技术不存在这一问题，只要满足RTK基本工作条件，在一定作业半径范围内，其测量平面精度和高程精度均能满足测量需求。

（4）数据处理能力强、作业效率高

相较于传统测量方法中，多人参与，多次搬移站点等情况，应用RTK技术，在满足测量条件情况下，仅需一人操作即可完成测量，且移动站在搬移过程中即可获得测量结果坐标或进行坐标放样，数据输入、存储、处理、转换能力强，信号以电磁波的形式与其它测量仪器进行通信，极大地提升了测量工作的效率。

三、北斗卫星导航系统在公路测量中的应用

1.在公路勘测方面的应用

公路勘测工作路线长、作业强度大，虽然早已采用电子全站仪等先进测绘仪器，但受通视和作业环境影响，效率并不高，大大延长了设计勘察周期。相对于传统测量方法，北斗导航系统有以下特点：（1）定位精度高，不受环境和距离长短的限制，适合地形条件复杂、互不通视的地区；（2）对于山区公路建设，通过北斗RTK技术可完成高精度的高程测量；（3）通过运用北斗RTK技术，可实时获得测量点的空间三维坐标，适合线路、桥梁、隧道等工程的勘测，并可直接进行实地实时放样、中桩测量和点位测量基础。

2.在公路变形监测方面的应用

传统北斗RTK技术在实施过程需要在测站区域架设基准站，初始时间较长，并且测量误差受距离影响大，基线长度越大，误差越大。为克服传统RTK技术的不足，通过构建网络RTK来进行误差修正，使得测量不受基准站和移动站之间的距离限制，通过在测量区域范围内建立多个均匀分布的连续观测基准站，对观测数据进行融合，可用于公路的变形监测。

3.在公路施工放样中的应用

施工放样要求通过一定方法采用仪器把人为设计好的点位在工程实地进行标定。常规放样方法，通常需要多次对目标位置进行移动，并且需要点位间通视情况良好，效率较低，工程成本较大。采用实时RTK测量时，只需将中桩点坐标输入到RTK电子手簿中，系统软件就会自动定出放样点的点位。由于每个点测量都是独立完成的，不会产生累计误差，各点放样精度基本相等。高等级公路的路线主要由直线、缓和曲线、圆曲线构成。放样时，只要先输入各主控点桩号，然后输入起终点的方位角、直线段与缓和曲线的距离、圆曲线的半径，这样就可很轻松地进行放样，而且一切工作均由RTK电子手簿完成。目前，基于北斗RTK技术，已能够实现公路施工过程的点、直线、曲线放样等操作，通过定位三维坐标直接完成施工放样，精度很高，同时提高了施工效率。

四、结论

北斗卫星导航系统是我国自主发展的卫星导航系统，在工程测量各个领域有着广泛的应用前景。文章在介绍北斗卫星导航系统组成、原理及发展现状的基础上，重点对北斗RTK技术原理及其在公路测量领域中的应用情况进行了分析。

参考文献：

[1]谭述森．北斗系统导航定位报告体制与工程技术[J]．导航定位学报，2013，（3）：1-5.

[2]苏健．浅析中国“北斗”二代卫星导航系统应用现状[J]．数字通信世界，2013，2：31-33.

[3]刘基余．GPS卫星导航定位原理与方法[M]．2版．北京：科学出版社，2008．

[4]张恒．浅述ＲＴＫ测量技术在道路测量中的应用[J]．全球定位系统，2013，38（3）；76-78.