浅谈特殊困难地区的GNSS控制测量及其方法运用

浅谈 特殊困难地区的 GNSS 控制 测量及其方法运用

张祥清

身份证号 :510112****10114412 西藏拉萨 850000

摘要：随着卫星定位导航技术的飞速发展，GNSS测量与定位技术在测绘生产中获得了广泛的应用。本文简要介绍了影响GNSS观测质量的因素，特殊困难地区GNSS控制测量中存在的主要问题以及可以采取的方法和注意事项。

关键词：GNSS；特殊困难地区；控制测量

GNSS测量具有精度高、速度快、全天候、无需通视等特点，能够极大提高测量的精度和效率，但是在岛屿，海上，偏远地区及高山峡谷、植被繁茂地区作业时，容易被环境和地形地貌的限制，可能无法接收地面和网络差分信号，或者导航定位卫星信号遮蔽等情况，给GNSS测量技术手段的运用带来了限制,需要我们积极探索可能的技术补救方法和措施。

1．影响GNSS观测质量的因素

1.1．卫星的观测时间

GNSS接收机在狭窄的区域观测时，观测到卫星的数量和有效时间会减少，卫星的观测时间不足会导致与该颗卫星有关的整周未知数无法准确确定，致使周跳修复不完善。对含有周跳的观测值，视为观测的偶然误差，会严重影响坐标的精度。

1.2．多路径效应

接收机天线如果位于水体、植被、建筑物等反射强烈物体位置附近，接收机收到卫星直接发射的信号的同时，也会接收到其他物体反射来的卫星信号，产生多路径效应。多路径效应属于站星距离误差，其大小取决于反射波的强弱和GNSS天线防御反射波的能力，因此多路径误差主要取决于测站的选择。

1.3．对流层及电离层折射

电离层折射误差是GNSS卫星信号传播时间内的理论距离不等于卫星至接收机间的几何距离产生的误差；而GNSS卫星信号通过对流层时传播的路径发生弯曲导致的测量距离偏差称为对流层折射。对于对流层、电离层折射以及多路径效应影响的判别，都可以通过观测值残差图（图1）来进行。残差图是根据观测值的残差绘制的一种图表，用于判断卫星或某段时间的观测值质量上是否有问题。

图1 残差图

1.4.周跳

GPS接收机在跟踪卫星过程中如果被障碍物遮挡而失锁，在重新锁住信号后会造成周跳。对于周跳，同样可以从值残图上来分析，当在某测站对某颗卫星的观测值中含有未修复的周跳时，与此相关的所有双差观测值的残差会出现显著的整数倍的增大。据拉查佩利的统计，一个周跳对经度、纬度、高程的影响为　Δ_Ｌ＝0.03～0.06m；Δ_B＝0.10～0.18m；Δ_h＝0.14～0.16m。可见，即使只有一个卫星存在一个周跳，也会对成果产生厘米级的误差。

2.特殊困难地区控制测量的主要问题

2.1.控制点布设限制多

如果在高山、深谷、密林地区作业，控制点一般只能根据地形及交通通行情况沿道路、山谷、河流等区域布设,位置受到地形和交通的影响较大。例如在困难地区进行无人接航测地形图测量时，野外控制测量布点时，像控点点位受到航片位置和实地位置的制约，限制了控制点野外施测方案的选择。

2.2.GPS信号干扰因素多

高山、密林、海岛、海上等困难地区受地形条件和控制点位限制，卫星信号受到的干扰或遮蔽都比较严重。此类地区一般沟深林密，雷电、暴雨频繁，天气变化快，卫星有效观测时间、多路径效应、电流层折射等影响观测数据质量的因素大量存在。

2.3.野外施测成本高

此类地区一般或者人烟稀少，经济落后，或者交通困难，路途艰险，野外作业费时，经常需要耗费大量的人力物力，且地理环境复杂，不可预知因素多，安全风险大，完成测量的成本高。

3. 特殊困难地区控制测量的方法选择

3.1.星站差分技术方法

星站差分技术是利用全球分布的GNSS观测网络来跟踪和计算卫星轨道、时钟等误差，并通过通讯卫星播发给用户接收机，实现对于导航卫星系统误差的实时差分处理，可满足海洋、戈壁、沙漠、岛屿等无CORS网络覆盖的困难地区高精度定位需求。星站差分技术可以摆脱对基准站的依赖，单台仪器即可作业，不要求网络信号覆盖，不需接收CORS信号，无需架设主站，地球北纬76度至南纬76度任何区域都能够接收，只需一台具有星站差分功能的GNSS接收机，即可完成测量定位工作。目前各类星站差分服务的都可以提供厘米级的精度水平，部分可以实现平面2cm，高程5cm的精度。随着参考站数量的增加，以及数据处理能力的提升，其数据精度还能够得到进一步的提升。

3.2.增设临时中继基准站的事后差分处理方法

在高山地貌、森林信号遮蔽地区基于基准站作业时，卫星信号接收不稳定，卫星同步时间少，数据质量差，容易导致成果质量不可靠。对于信号遮蔽严重的情况，可在测区周围特别是在流动站受信号遮蔽严重的位置周围高处增设一处或者几处临时基准站，作为流动站和主基准站之间的中继基准站。中继基准站能够大大增加导航卫星信号的同步观测卫星数量，增加同步观测时段时长，利于消除周跳等系统误差，从而确保了观测数据的成果质量正确性和可靠性。

4.特殊困难地区控制测量的注意事项

4.1.完善野外观测方案

困难地区的控制测量，如采用常规控制测量方案实施苦难，可根据环境特点和精度要求，选用星站差分技术，或者采用测区中央增设临时中继基准站的事后差分处理方法。如流动站有多台仪器，应尽量构成同步观测网以提高平差解算强度。特别困难的点位，应考虑通过延长观测时间，增加观测时段，或者增加控制点数量等多种手段来加大测量力度，确保达到预期效果。

4.2.细化出测准备工作

一是要作好设备的检查检验，确保GPS接收机能正常有效的开展工作。二是作好及民工向导、物资等方面的准备。三是细化安全预案，防止野兽攻击以及雷电、落石、泥石流等自然灾害带来的危险。四是对于某些特别困难而对于测量精度又特别高的点位，需要提前进行卫星星历预报。星历预报可以使我们了解最近一段时间内当地卫星的可见卫星数、分布状况，选择最佳的观测时段。图2为卫星可用性图。

图2 卫星可用性图

4.3.精确选择控制点位

控制点选点位置要适应电磁波测量的特点，尽量选择位置开阔地域，远离信号干扰地物，凡是具有强反射的地面和环境都有可能造成GNSS信号发生多路径效应、周跳等问题，都要避免。特别是在高山峡谷、植被繁茂区域，点位的选择余地小，对于信号遮蔽或者影响控制点目标通视，更应该及早事先规划，要事先利用影像或者地形图资料予以分析评估，考虑可能的影响和困难。

4.4细致数据内容处理

处理数据时，首先要注意外业数据的检查，对测站名、点号、测站坐标、天线高内容等进行仔细的检查，避免产生人为误差。同时要做好数据处理基线质量的检验，需要通过对RATIO、RDOP、RMS、同步环闭和差、异步环闭和差等内容的分析，按要求的限差判定基线的质量。如果遇到数据基线质量不合格时，不要急于重测，还可通过对观测数据经过开窗、删星等技术处理，之后通过重新解算，来获取合格的成果。

参考文献：

[1]董大南.GNSS高精度定位原理［M］科学出版社，2018.

[2]李祖锋.GNSS工程控制测量技术与应用［M］中国水利水电出版社，2017.

[3]刘建勋.测绘工程中特殊地形测绘技术方案探讨[J].工程建设与设计，2018(07):92-93.