Application of Beidou Satellite Navigation System in Land Surveying and Mapping Coordinate System Selection

Shu-fang SUN; Yun-yan XU; Feng WANG

doi:10.13718/j.cnki.xsxb.2019.11.015

This paper analyzes the application of Beidou satellite navigation system in the selection of land mapping coordinate system, and the accuracy is compared with that of traditional surveying methods. The research shows that the application of Beidou satellite navigation system can obtain the observation survey with high accuracy, high efficiency and more convenience, so as to calculate the projection deformation, and then judge whether the selection of coordinate system meets the accuracy requirements of land surveying and mapping.

HTML

因为生存需要，人们一直都在对导航定位方式及方法进行探索和研究^[1].目前，从美国GPS之后，我国也自行研发了第三个成熟卫星导航系统，也就是北斗卫星导航系统(BDS).北斗卫星导航系统信号已经覆盖了全球，其不仅被广泛应用到国防军事中，还应用到测绘、渔业、电信、交通运输、水利等方面，具有良好的社会效益及经济效益^[2].

1. 北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统主要包括地面控制中心、客户端、导航通信卫星3个方面，地面控制中心由校正站、计算中心、测轨站、测高站和主控站构成，实现卫星定位导航参数的校正及测量，对卫星运行姿态及轨道进行调控，编制星历，对用户定位修正资料及实现用户定位.该系统35颗卫星在离地面2万多公里的高空上，以固定的周期绕地球运行，使得任意时刻在地面上的任意位置都可以同时观测4颗以上的卫星.由于卫星的位置精确可知，通过接收机对卫星进行观测，测得卫星至接收机的距离.考虑到卫星时钟与接收机时钟之间的误差，卫星定位时有4个未知数，观测点的位置X，Y，Z和钟差.利用距离公式，观测4颗卫星，就可以组成4个方程式，解出观测点的位置，进而实现卫星定位.俄罗斯研发的GLONASS系统因为研发维护经费问题，现代实用性及前景并不良好.欧洲GALILEO系统还处于试验阶段，也并不是成熟导航系统^[3].所以，本文将北斗卫星导航系统和现代使用率较高的美国GPS实现对比，见表 1.

和美国GPS相比，北斗卫星导航系统毫不逊色，是具备快速定位、精密授时、短报文通信等特点的全球卫星导航定位系统，能够使有无自主导航系统问题进行解决，还能够在国土资源等关键部门推广使用.

3. 实验成果检验

3.1. 高程归化及高斯正形投影距离

坐标系属于工作基础，全部测量成果都是将其作为基础，所以坐标系的选择和工程质量具有密切的关系.平面控制测量中，地面长度投影到参考椭球面，再将椭球面长度投影到高斯平面均会引起长度变形.当长度变形不大于2.5 cm/km时，可直接采用高斯正形投影的国家统一3°带平面直角坐标系.此项目首级控制四等卫星定位控制点坐标反算和实地测量相邻点边长之差满足规范要求，高程归化和高斯投影距离改正综合影响小于2.5 cm/km.以如下公式实现验证计算.

其中，ΔD表示地面水平距离投影到椭球面的长度变形，D表示地面水平距离，H表示边长两端点的平均大地高程，R表示平均曲率半径.

假设平均曲率半径设置为6 371 km，归化高程设置为50~2 000 m，椭球体中的边长S投影到高斯平面中，长度也会有变形，设为△S，假设此边2个端点平均坐标为y_m，坐标差为△y，那么

由于$\frac{{{{(\Delta y)}^2}}}{{24{R^2}}}$项很小，趋于0，公式(15)可近似表达为

公式(14)、公式(16)计算出的ΔD、ΔS之和即为检验长度变形是否超限的验证依据.由两公式可以得出只有工程坐标系满足以下条件，才能够被使用：

1) 工程范围在正形高斯投影3°分带中央子午线附近；

2) 工程范围平均高程和国家水准面接近；

3) 使用已知控制点高于首级控制点^[10].

对测区内各边长进行检验，若不能够满足长度变形小于2.5 cm/km，需采用假定坐标系，以确保精度需求得到满足^[11-12].

结合测区每条边两端点的平均大地高和平均y坐标，对照表 3内容，计算结果为长度变形均小于2.5 cm/km，表明该测区国家统一3°带平面直角坐标系能够满足土地测绘需求，在实地测量过程中不需要建立假定坐标系.

3.2. 全站仪测距边长和GPS反算边长的对比

以项目需求，为了使验算精度结果得到保证，使用全站仪对可通视边长进行测量，并且将仪器常数改正、投影改正、倾斜改正及气象改正相互结合.全站仪的技术指标为

1) 往返观测测回数≥2；

2) 边长一侧回读数之间的较差限差≤2 mm；

3) 垂直角观测测回数≥2；

4) 边长测回之间的较差≤3 mm^[13].

通过表 4可以看出，土地测绘四等卫星定位控制点反算边长与全站仪实际测量边长的差都在12.2 mm以下，利用较差计算相对误差，最大值为1/11.2万，均比《工程测量规范》四等导线测距相对中误差限差1/8万要小.以此表示本次测量坐标系的使用精准，也表示了本次工程首级控制网成果较为可靠^[14-15].

4. 结语

本文对北斗卫星导航系统特点和功能进行了分析，该系统属于全新监测系统，能够保证土地测绘的精准性，将其在地理测绘中使用，具有良好的实用性效果.北斗卫星导航系统的应用范围较广、稳定性较高，能够使土地资源测绘管理水平得到提高，在实时测绘过程中，能够为地理测绘提供重要的参考信息，经济价值较高.

Figure (1) Table (4) Reference (15)

Name
	Name cannot be empty!
E-mail
	Mailbox cannot be empty! Mailbox cannot be empty!
Telephone
	Mobile number cannot be empty! Please enter a valid mobile number!
Title

Content
Verification Code

[1]	何国军, 崔红英.浅谈北斗卫星导航系统在测量中的应用[J].测绘与空间地理信息, 2015, 38(9): 111, 114. Google Scholar
[2]	蒋建荣, 曹久慧.北斗导航系统在山区道路施工测量快速定位中的应用[J].工程勘察, 2015, 43(9): 81-84. Google Scholar
[3]	李霖, 邢小雨, 李国忠.北斗导航系统应用于测绘地理信息服务的标准化技术体系分析[J].测绘通报, 2015(3): 6-11. Google Scholar
[4]	魏颖, 丁超营.北斗导航系统应用于测绘地理信息服务的标准化技术体系分析[J].中国标准化, 2017(24): 12-13. doi: 10.3969/j.issn.1002-5944.2017.24.024 CrossRef Google Scholar
[5]	吴盼.北斗卫星导航系统在测绘中的应用及问题研究[J].技术与市场, 2017, 24(12): 74-75. Google Scholar
[6]	王晖, 田奥.靶场测量装备中GPS换装北斗卫星导航系统方案设计[J].海洋测绘, 2015, 35(1): 73-75. doi: 10.3969/j.issn.1671-3044.2015.01.020 CrossRef Google Scholar
[7]	杨元喜.北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J].测绘学报, 2010, 39(1): 1-6. Google Scholar
[8]	谭述森.广义卫星无线电定位报告原理及其应用价值[J].测绘学报, 2009, 38(1): 1-5. doi: 10.3321/j.issn:1001-1595.2009.01.001 CrossRef Google Scholar
[9]	吴盼.北斗卫星导航系统在测绘中的应用及问题研究[J].技术与市场, 2017, 24(12): 74-75. Google Scholar
[10]	赵振洋, 廖和平, 王帅, 等.三峡库区土地生态资产价值新评估——以重庆市巫山县为例[J].西南师范大学学报(自然科学版), 2015, 40(12): 72-77. Google Scholar
[11]	刘伟平, 郝金明, 李建文, 等.一种北斗卫星精密定轨方法[J].测绘科学技术学报, 2013, 30(3): 247-250. doi: 10.3969/j.issn.1673-6338.2013.03.007 CrossRef Google Scholar
[12]	杨伟, 谢德体, 李晓华, 等.基于生态敏感度分区的生态用地整治潜力调查研究——以重庆市巫山县为例[J].西南师范大学学报(自然科学版), 2014, 39(7): 129-137. Google Scholar
[13]	张坤, 黄晶晶, 许自昌, 等.观光农业园区道路系统规划研究[J].西南师范大学学报(自然科学版), 2014, 39(9): 141-148. Google Scholar
[14]	梁军.地理信息测绘服务的北斗导航系统应用分析[J].建设科技, 2017(15): 56-57. Google Scholar
[15]	王东亮.北斗卫星导航定位系统在地质测绘中的应用[J].应用能源技术, 2016(1): 11-13. doi: 10.3969/j.issn.1009-3230.2016.01.004 CrossRef Google Scholar

Message Board

Application of Beidou Satellite Navigation System in Land Surveying and Mapping Coordinate System Selection

Abstract

References

Access History

通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

Article Metrics

Access History

Other Articles By Authors