3.2 卫星定位测量

表2　卫星定位测量控制网的规格与构成

3.2.2 相邻点的基线长度中误差公式中的固定误差A和比例误差系数B，与接收机厂家给出的精度公式（a+b×10^-6×D）中的a、b含义相似。厂家给出的公式与本条公式（3.2.2）是两种类型的精度计算公式，应用上各有特点。基线长度中误差公式主要应用于控制网的设计和外业观测数据的检核，按本标准表3.2.1取值。
3.2.3 对卫星定位测量控制网外业观测精度的评定，要求按异步环的实际闭合差进行统计计算。这里采用全中误差的计算方法，来衡量控制网的实际观测精度，网的全中误差不得超过基线长度中误差的理论值。
3.2.4 卫星定位测量控制网布设技术要求的说明。
    1 卫星定位测量控制网的设计是一个综合设计的过程，首先要明确工程项目对控制网的基本精度要求，然后才能确定控制网或首级控制网的基本精度等级。最终精度等级的确立还需考虑测区现有测绘资料的精度情况、计划投入的接收机的类型、标称精度和数量、定位卫星的健康状况和所能接收的卫星数量，同时还要兼顾测区的道路交通状况和避开强烈的卫星信号干扰源等。
    2 由于卫星定位测量所获得的是空间基线向量或三维坐标向量，属于相应的空间坐标系（如GPSWGS-84坐标系），故要求将其转换至国家坐标系或地方独立坐标系方能使用。为了实现这种转换，便要求联测若干个旧有控制点以求得坐标转换参数，故规定联测2个以上高等级国家平面控制点、国家连续运行基准站点或地方坐标系的高等级控制点。卫星定位测量控制网的观测数据与区域内国家连续运行基准站点进行联合解算，是获取2000国家大地坐标系坐标成果的重要途径。本次修订增加了联测国家连续运行基准站点的要求。
    3 对控制网内的长边，宜构成大地四边形或中点多边形的规定，主要是为了保证控制网进行约束平差后坐标精度的均匀性，也是为了减少尺度比误差的影响。
    4 《07规范》编写组对m·n环组成的连续网形进行了研究（2003年），结果见表3。

表3　控制网最简闭合环的边数分析

续表3

    从表3中可以看出，3条边的网型、4条边n=m≥2的网型、5条边n=m≥3的网型、6条边无限大的网型都能达到要求。8条边、10条边的网型规模不管多大均无法满足网的平均可靠性指标为1/3的要求。故规定卫星定位测量控制网中构成闭合环或附合路线的边数以6条为限值。简言之，如果异步环中独立基线数太多，将导致这一局部的相关观测基线可靠性降低。
    5 由于卫星定位测量过程中，要受到各种外界因素的影响，有可能产生粗差和各种随机误差。因此，要求由非同步独立观测边构成闭合环或附合路线，就是为了对观测成果进行质量检查，以保证成果可靠并恰当评定精度。
    在一些标准和专业教科书中，各有观测时段数、施测时段数、重复设站数、平均重复设站数、重复测量的最少基线数、重复测量的基线占独立确定的基线总数的百分数等不同概念和技术指标的规定，且在观测基线数的计算中均涉及网点数、接收机台数、平均重复设站数、平均可靠性指标等四项因素，工程应用上也显得比较繁琐、条理不清。
    《07规范》编写组组研究认为：控制网的工作量与接收机台数不相关（2003年）。
    若采用符号：N_P——网点数；K_i——接收机台数；N_r——平均重复设站数。
    全网总的站点数为N_P×N_r；全网的观测时段数为；K_i台接收机观测一个时段的独立观测基线数为K_i-1条。则全网的独立观测基线数为：

    由于网的必要观测基线数为：N_P-1（此处仅以自由网的情形讨论）。
    则多余独立观测基线数为：

    网的平均可靠性指标为：

    可将式（8）转换为：

    工程控制网通常取1/3为网的可靠性指标，即有：

    故规定全网独立观测基线总数，不少于必要观测基线数的1.5倍。必要观测基线数为网点数减1。作业时，要求准确把握以保证控制网的可靠性。
    6 由于实时动态RTK作业对基准站点位的选择有具体要求，所以在布设首级控制网时，要考虑基准站点位的分布和观测条件的满足。
3.2.5 关于控制点点位的选定。
    1 卫星定位测量控制网的点位之间原则上不要求通视，但考虑到在使用其他测量仪器对控制网进行加密或扩展时的需要，故提出控制网布设时，每个点至少与1个以上的相邻点通视。
    稳固是选点埋石的基本要求，点位埋设后不能发生移动、松动。方便观测、加密和扩展是对选点位置通视条件和位置的规定，尽量选择多方向通视，并有增设点位空间的区域。
    2 卫星高度角的限制主要是为了减弱对流层对定位精度的影响，由于随着卫星高度的降低，对流层影响越显著，测量误差随之增大。因此，卫星高度角一般都规定大于15°。
    定位卫星信号本身很微弱，为了保证接收机能够正常工作及观测成果的可靠性，需避开周围的电磁波干扰源。电磁波干扰无处不在，只有强烈的干扰信号会对卫星信号产生影响，抗干扰的能力与接收机的性能质量有关。如果接收机同时接收来自卫星的直接信号和很强的反射信号，这样会造成解算结果不可靠或出现错误，这种影响称为多路径效应。为了减少观测过程中的多路径效应，特提出控制点位要远离强烈反射卫星接收信号的物体。本次修订进一步明确了对信号干扰源或反射源的距离要求。
    3 符合要求的原有控制点指满足卫星定位测量的外部环境条件、满足网形和点位要求的旧有控制点。
3.2.7 关于卫星定位测量控制网作业的基本技术要求。
    （1）卫星定位测量由《07规范》率先提出，之后为多部国家与行业测绘标准采用。卫星定位测量控制网的精度、规格及构成与传统工程控制网一致。卫星定位接收机观测模式的不同，只是各等级控制网的实现方式或路径不同而已，并没有必要刻意划分为“静态网”或者“动态网”。因此，做出本条规定。
    （2）卫星定位根据定位原理的不同分为绝对定位和相对定位，本标准所指的定位方式为相对定位。依据测距的原理，卫星定位划分为伪距法定位和载波相位差分定位。本章的卫星定位特指载波相位差分定位，测地型接收机则主要采用载波相位观测值进行相对定位。
    （3）随着全球卫星导航系统的不断发展完善和不同系统之间的相互合作，卫星定位采用多系统、多星座、多频点进行快速、高效、高可靠性定位成为可能。目前的接收机已经发展成为复合型的卫星导航系统终端且具有良好的兼容性和互通性。任何用户都可以用一个多系统的接收机采集各个系统的数据或者各系统数据的组合来实现导航定位。四大全球卫星导航系统中，我国的北斗系统BDS发射3个频率的载波信号，分别是B1、B2和B3；美国的GPS系统播发3个频率的载波，分别是L1、L2和L5；俄罗斯的GLONASS系统发射2个载波，分别是G1和G2；欧洲的GALILEO系统发射3个频率载波，分别是E1、E5和E6。卫星的信号数据主要包括码伪距、载波相位值、多普勒频移、载噪比、导航电文等。全球卫星导航系统发展应用初期，把只能接收1个载波信号的接收机称为单频接收机，能同时接收2个载波的接收机称为双频接收机，能同时接收3个及以上频率载波信号的接收机称为多频接收机。双频或多频技术可以形成更多观测噪声小、电离层残差小的组合观测量，以此可以建立较为严密的电离层修正模型，通过改正计算，能够消除或减弱电离层折射对观测量的影响，从而获得很高的精度。而旧有的单频接收机，虽然可以利用导航电文提供的参数，对观测量进行电离层影响修正，但由于修正模型尚不完善，故精度较差。本次修订增加了多频或多系统接收机，对相应等级的仪器精度也做了适当调整，仪器精度提高后更容易满足相应等级控制网的观测要求。
    （4）全球四大卫星导航系统均采用地心坐标系，坐标系的定义与命名方法相同，而实现与维护方法有异。标准名称及缩写分别为：2000中国大地坐标系统China geodetic coordinate system 2000（CGCS2000），美国WGS-84大地坐标系World Geodetic System-84，俄罗斯PZ-90大地坐标系PZ-90 Geodetic System，欧洲Galileo大地参考坐标系Galileo Terrestrial Reference Frame（GTRF）。
    （5）定位卫星有两种星历，即卫星广播星历和精密星历。通常我们直接接收到的星历便是卫星广播星历，它是导航电文中用于确定导航卫星精确位置的预报参数，是一种外推星历或者说预估星历。虽然在定位卫星广播星历中给出了卫星钟差的预报值，但误差较大。可见卫星广播星历的精度相对不高，但通常能满足工程测量的需要。对于有特殊精度要求的工程控制网，例如高精度变形监测网，需采用精密星历处理观测数据，才能获得更高的基线测量精度。精密星历就是指经事后处理得到的导航卫星高精度轨道数据。
    （6）以往工程控制网的静态观测，有静态和快速静态两种作业模式。鉴于快速静态定位对直接观测基线不构成闭合图形，可靠性较差，加之工程应用相对较少，所以，本次修订删去了快速静态的技术要求，改用动态测量模式代替允许在一、二级控制测量中采用。
    （7）观测时段的长度和数据采样间隔的限制，是为了获得足够的数据量，足够的数据量有利于整周未知数的解算、周跳的探测与修复和观测精度的提高。由于接收机的性能和功能在不断提高和完善，对接收时段长度的要求也不尽相同，故本标准不做严格规定。
    （8）卫星定位的精度因子通常包括平面位置精度因子HDOP，高程位置精度因子VDOP，空间位置精度因子PDOP，接收机钟差精度因子TDOP，几何精度因子GDOP等。
    用户接收机普遍采用空间位置精度因子（又称图形强度因子）PDOP值，来直观地计算并显示所观测卫星的几何分布状况。其值的大小与观测卫星的高度角以及观测卫星在空间的几何分布变化有关。所测卫星高度角越小，分布范围越大，PDOP值越小。实际观测中，为了减弱大气折射的影响，卫星高度角不能过低。
    中国卫星导航系统管理办公室于2013年12月发布《北斗卫星导航系统公开服务性能规范（1.0版）》中规定了PDOP可用性指标的要求，见表4。

表4　北斗系统服务区内公开服务PDOP可用性指标

    这里的北斗系统公开服务的PDOP可用性是指规定时间内、规定条件下、规定服务区内PDOP值满足PDOP限值要求的时间百分比。
    为了保证观测精度，在卫星高度角大于15°的情况下，规定四等及以上等级限定为PDOP≤6，一、二级限定为PDOP≤8是可行的。
    作业过程中，如受外界条件影响，持续出现观测卫星的几何分布图形很差，即PDOP值不能满足标准的要求时，则要求暂时中断观测并做好记录；待条件满足要求时，再继续观测；如果经过短时等待，依然无法满足要求时，则需要考虑重新布点。
    （9）由于工程控制网边长相对较短（二等网的平均边长也不超过10km），卫星信号在传播中所经过的大气状况较为相似，即同步观测中，经电离层折射改正后的基线向量长度的残差小于1×10^-6。若采用双频或多频接收机，其残差会更小。加之在测站上测定的气象数据有一定局限性，因此，作业时不要求观测相关气象数据。
3.2.8 卫星定位测量作业计划的编制仅限于规模较大的测区，其目的是为了进行统一的组织协调并做到对整个测区状况和天上的卫星运行情况心中有数。编制预报表时所需测区中心的概略经纬度，能够从小比例尺地图上量取并精确至分。小测区则无需进行此项工作。大型工程项目的界定同本标准第3.1.4条。
3.2.9 关于卫星定位测量的测站作业。
    1 接收机预热和静置的目的，是为了让接收机自动搜索并锁定卫星，并对机内的卫星广播星历进行更替，同时也是为了使机内的电子元件运转稳定。随着接收机制造技术的进一步完善，本条对预热和静置的时间不做统一规定，由作业者根据接收机的品牌及性能具体掌握。
    2 关于天线安置对中偏差和天线高量取的规定，主要是为了减少人为误差对测量精度的影响，通常情况下都需满足这一要求。本条只提供了量取天线高的限差要求，由于接收机天线类型的多样化，天线高量取部位不尽相同，因此，作业前需熟悉所使用接收机的操作手册，并严格按手册要求量取。
    5 本次修订进一步明确了作业过程中不得进行接收机关闭又重新启动、改变卫星截止高度角、改变数据采样间隔和改变天线位置等操作，目的是为了确保同步观测的数据量与数据质量，也是为了保证观测计划的有效实施。
    6 由于接收机数据采集的高度自动化，其记录载体不同于常规测量，人们容易忽视数据采集过程的其他操作。如果不严格执行各项操作或人工记录有误，如点名、点号混淆将给数据处理造成麻烦，天线高量错也将影响成果质量，以致造成超限返工。因此，需认真做好测站记录。
3.2.10 随着不同定位系统间的合作融合与发展，不同品牌的接收机终端数据也将彼此兼容和互通，对卫星定位数据处理也将提出更多的要求。数据处理准备是对数据进行平滑滤波检验，剔除粗差，探测周跳，修复观测值。统一数据文件格式并将各类数据文件加工成标准化的文件格式，如星历文件、载波相位和伪距观测文件、测站信息文件等。本条为新增内容。
3.2.11 关于基线的解算。
    （1）基线解算时，起算点在地心坐标系中的坐标精度，将会影响基线解算结果的精度。单点定位是直接获取已知点在地心坐标系中已知坐标的方法。理论计算和试验表明：用30min单点定位结果的平均值作为起算数据，可以满足1×10^-6相对定位的精度要求。
    （2）多基线解算模式和单基线解算模式的主要区别是，前者顾及了同步观测图形中独立基线之间的误差相关性，后者没有顾及。大多数商业化软件基线解算只提供单基线解算模式，在精度上也能满足工程控制网的要求。因此，规定两种解算模式都能采用。
    （3）由于基线长度的不同，观测时间长短和获得的数据量将不同，所以，解算整周期模糊度的能力不同。能获得全部模糊度参数整数解的结果，称为双差固定解；只能获得双差模糊度参数实数解的结果，称为双差浮点解；对于较长的基线，浮点解也不能得到好的结果，只能用三差分相位解，称为三差解。
    基于对工程控制网质量和可靠性的要求，规定基线解算结果需采用双差固定解。
    （4）基线解算的结果需包括基线向量的三维坐标增量、方差-协方差阵和基线长度等信息。
3.3.12 外业观测数据的检核，包括同步环、异步环和重复基线的检核，分别说明如下：
    1 由同步观测基线组成的闭合环称为同步环。同步环闭合差理论上为零，但由于观测时同步环基线间不能做到完全同步，即观测的数据量不同，以及基线解算模型的不完善，即模型的解算精度或模型误差而引起同步环闭合差不为零。因此，需对同步环闭合差进行检验。
    2 由独立基线组成的闭合环称为异步环。异步环闭合差的检验是卫星定位测量控制网质量检核的主要指标，计算公式是按误差传播规律确定的，并取2倍中误差作为异步环闭合差的限差。
    3 重复基线的长度较差也是按误差传播规律确定的，并取2倍中误差作为重复基线的限差。
    以上三项检核计算中σ的取值，按本标准公式（3.2.2）计算。
3.2.13 在异步环检核和重复基线比较检核中，允许舍去超限基线而不予重测或补测，但舍去超限基线后，异步环中所含独立基线边数不能多于6条，若多于6条就需重测。
3.2.15 关于无约束平差的说明。
    1 无约束平差的目的，是为了提供卫星定位网平差后在相应地心坐标系中的三维坐标，同时也是为了检验卫星定位测量控制网本身的精度及基线向量之间有无明显的系统误差和粗差。
    2 无约束平差是在相应的地心坐标系中进行。通常以一个控制点的三维坐标作为起算数据进行平差计算，实为单点位置约束平差或最小约束平差，与完全无约束的亏秩自由网平差是等价的，因此称为无约束平差。
    3 基线向量改正数的绝对值限差的提出，是为了对基线观测量进行粗差检验，即基线向量各坐标分量改正数的绝对值，不得超过相应等级的基线长度中误差σ的3倍。超限时，认为该基线或邻近基线含有粗差，要求采用软件提供的自动方法或人工方法剔除含有粗差的基线，并符合本标准第3.2.13条的规定。
3.2.16 关于约束平差的说明。
    （1）约束平差的目的，是为了获取卫星定位测量控制网在国家或地方坐标系的控制点坐标数据；这里的地方坐标系是指除标准国家坐标系统以外的其他坐标系统，即本标准第3.1.5条第2款～第6款所采用的坐标系统。
    （2）约束平差是以国家或地方坐标系的某些控制点的坐标、边长和坐标方位角作为约束条件进行平差计算。必要时，还需考虑卫星定位测量控制网与地面网之间的转换参数。
    （3）已知条件的约束有强制约束和加权约束两种方式。强制约束是指所有已知条件均作为固定值参与平差计算，不需考虑起算数据的误差，要求起算数据有很好的精度且精度比较均匀。否则，将引起卫星定位网发生扭曲变形，显著降低网的精度。
    加权约束是指考虑所有或部分已知约束数据的起始误差，按其不同的精度加权约束，并在平差时进行适当的修正。定权时，权的大小应与约束值精度相匹配。否则，也会引起卫星定位网的变形，或失去约束的意义。
    平差时，在约束点间的边长相对中误差满足本标准表3.2.1相应等级要求的前提下，如果约束平差后最弱边的相对中误差也满足相应的要求，可以认为网平差结果是合格的。
    （4）对已知条件的约束，有三维约束和二维约束两种模式。三维约束平差的约束条件是控制点的三维大地坐标或三维直角坐标、空间边长、大地方位角，二维约束平差的约束条件是控制点的平面坐标、水平距离和坐标方位角。
3.2.17 单基站RTK测量是工程测量普遍采用的作业方式，通常架设一个（或多个）基准站，采用电台或移动通信网络向流动站用户发播差分改正数的测量方式。在流动站和基准站无法正常通信时，允许采用后处理动态测量模式。网络RTK测量作业具有不受距离制约、定位精度均匀、可靠性高等优点。
3.2.18 基于卫星定位实时动态平面控制测量点位精度、相对精度和可靠性的考虑，将其控制测量精度定位于“级”次并划分为一、二级，其点位间距与相对精度取值沿用本标准的精度序列规格并参考导线的要求确定。考虑到边长越短相对精度越低的特点，故点位间距为最小间距和导线平均边长的含义不同。表注的对天通视困难主要是指卫星信号的遮挡比较严重的区域，两点间的边长缩短至2/3后，边长中误差不能低于20mm的要求是为了满足常规工程放样对控制点的要求。
3.2.19 RTK测量的点位精度会受到外界电磁波干扰影响，导致整周模糊度解算可靠性降低。而RTK测设点间又相互独立，为了确保控制点的可靠性，要求进行固定角和固定边复核检查。
3.2.20 动态卫星定位测量设备的选用是依据常见生产厂家的仪器精度指标确定的。
3.2.21 导航定位卫星的空间几何分布状况，对地面定位测量精度影响很大。本条的卫星数是指流动站和基准站的共用卫星数量。
3.2.22 RTK测量每个测设点相互独立，点与点之间没有直接关系，对于因意外产生的粗差无法发现。因此，为提高RTK测量的可靠性，保证仪器各种设置正确，测量过程中要求选择一定数量的已知坐标点进行测量校核，以检查用户站设备的可靠性以及坐标转换参数的准确性。本条规定作业前在测区内或周边校核不少于两个已知点，并记录和计算校核结果；控制点位置偏差依据四等以下控制网最弱边边长中误差（或最弱点点位中误差）不得超过50mm确定，高程的偏差按严于图根高程确定的不大于70mm。通常一、二级工程控制网的高程控制要求进行四等水准测量，这里的高程偏差仅限于校核参考。
3.2.23 单基站RTK控制测量是工程测量单位进行低等级控制的常用作业模式。当测区已有转换参数时，经检核后再直接使用；无转换参数时，需选不少于4个已知点进行校正求取转换参数。
3.2.25 平面位置互差取相应等级控制测量的最弱点点位中误差。
3.2.26 后处理动态测量属于接收机设备早期的一种观测模式，早于实时定位RTK。要求流动站在静止状态下观测进行初始化，是为了获取后续测量的起算数据，且在测量过程中不能失锁。一旦出现失锁，需重新进行初始化。5min初始化时间，是根据多个品牌仪器要求和工程实践经验确立的。
3.2.27 CORS系统是动态的、连续的空间数据参考框架，是一种快速、高精度获取空间信息的重要基础设施。安全、有序和合理使用是系统稳定运行的基础，因此，系统用户需要经过申请、登记、注册并获得系统的授权后方能登陆系统，得到系统提供的服务。
3.2.28 RTK测量时，要求精确对中和量取天线高的目的是因为仪器对中偏差、天线高误差，都会对RTK测量的成果造成影响。
    天线高类型分为斜高和垂高，根据仪器不同需量取的位置有天线相位中心、天线项圈、天线底部等。
3.2.29 RTK控制测量测回间的时间中断间隔是为了完成重新初始化并正确解算整周模糊度的最短时间需要。RTK控制测量的最弱点点位中误差为50mm，单测回的点位中误差为50mm/≈35mm，单测回坐标分量中误差为35mm/≈25mm。因此取测回间的坐标分量较差限值为25mm，测回间的高程较差取高程中误差70mm的1/约为50mm。
3.2.31 RTK测量作业对检核点数量和分布的要求，是为了保证测量成果的可靠性。
    RTK平面控制点采用全站仪进行固定边、固定角及导线法联测检核的技术要求中，测距中误差和测角中误差与相应等级导线测量的精度指标相同，其他相关指标低一级取值。