前言：传统的大地测量通常依赖于地面测量设备，如经纬仪、水准仪等，这些设备虽然能够提供较高精度的测量结果，但受地形、气候等因素影响较大，施工效率较低。而北斗卫星导航定位系统的出现，则为大地测量工程提供了新的技术方法，这项技术不仅能够提供全球范围的定位和授时服务，还具有区域增强和短报文通信功能，这些功能为大地测量工程提供了更多的可能性。因此，深入分析北斗卫星导航定位系统在大地测量工程中的应用具有十分重要的现实意义。

1.北斗卫星导航定位系统的组成及功能

1.1北斗卫星导航定位系统的组成

我国自主研发的北斗卫星系统于2000年正式投入使用，该系统主要由用户终端系统、地面中心控制系统、空间部分组成，具体如图1。在北斗卫星导航定位系统中空间段部分主要包含30颗非静止轨道卫星、5颗静止轨道卫星、21颗中圆地球轨道卫星；而地面段主要承担数据的传输、发送等任务，其作为北斗系统的中枢，包含了监测站、主控站等地面设施。而用户端则是由GPS、伽利略等卫星系统与北斗用户端共同组成的用户终端。该技术在运行过程中，能够为用户提供高精度的定位、导航、授时等服务^[1]。

该系统主要包含以下特点：首先，北斗系统在空间段采用了三种轨道卫星组成的混合星座，这与其他导航系统相比，具有更强的遮挡能力，这一特点在低纬度上有着更加明显的体现。其次，北斗系统提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。随着“北斗”地基增强系统提供服务，它可提供米级、亚米级、分米级，甚至厘米级的服务。最后，北斗系统创新融合了导航与通信能力，具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务五大功能。2020年，北斗系统正式向全球提供服务，为全球用户提供服务，空间信号精度将优于0.5米；全球定位精度将优于10米，测速精度优于0.2米/秒，授时精度优于20纳秒；亚太地区定位精度将优于5米，测速精度优于0.1米/秒，授时精度优于10纳秒，整体性能大幅提升。

图1 北斗卫星组成图

1.2北斗卫星导航定位系统的功能

（1）实时导航。北斗卫星导航系统能够为移动物体提供连续的位置信息和导航指引。这就能够为我国境内的各种交通工具提供更加准确地导航服务，在物体移动过程中系统会通过卫星提供实时的定位数据，以便对运动物体的移动路径进行准确描述。（2）快速定位。该系统能够在短时间内为用户提供精准的位置信息，这个功能在大地测量、应急救援等领域有着重要价值。比如利用北斗系统对地质灾害进行预警和检测，能够有效帮助用户进行快速决策，并组织有效的救援工作。（3）精确授时。这项功能能够为用户提供一个高精度的时间同步服务，比如在电网运行过程中，利用精确授时功能能够确保各电力设备、传感器和控制系统的时间同步，优化电力传输和分配，提高电网的稳定性和可靠性。而在通信领域，借助这项功能则能够显著提升数据传输的准确性和网络运行效率。（4）在北斗卫星导航定位系统中，位置报告功能主要是实现定期或者按需向指定接收端发送位置信息，比如在矿山开采测量过程中，工作人员可以在矿井中安装北斗接收器，这样一来工作人员就可以通过北斗卫星系统对矿山开采活动进行监测。（5）短报文通信服务。这项功能主要是为了实现用户在无其他通信手段的情况下，通过北斗卫星实现短报文的双向传输。比如当用户处于没有信号的地区，手机无法向外发送信息，就可以采用这个功能向外界进行通信^[2]。

2.北斗卫星导航定位系统在大地测量工程中应用的可行性

北斗卫星导航定位系统的基本工作原理与其他导航定位系统类似，主要采用空间距离交汇算法。将定位设备固定在特定位置，接收机在接收到北斗卫星信号后，并依托卫星接收其它相关信息，对数据误差进行修正，以确保位置信息的高精度。而在大地测量过程中，工作人员需要通过建立有效的测量基准来对地球表面的尺寸和形状进行确定，而测量基准点则是通过对已有的坐标和高程地点对位置进行确定，在这个过程中就可以应用北斗卫星导航定位系统来实现，通过北斗系统，工作人员能够在测量过程中快速得到测量点的三维坐标，以便对方位角和距离进行确定。在传统大地测量中采用的测量方法包含三角测量、测角测量、水准测量等，这种方法需要根据不同的测量精度进行合理的选择，而北斗卫星系统则可以进一步提升整体的测量精度。此外，与其他定位系统相比，当前常见的4大卫星导航系统都已经实现了全球覆盖，但是在中国境内北斗系统卫星分布密度更高，这就能够实现比其他导航更加精准的定位服务。并且我国研制的北斗系统还具有更好的兼容性，能够对其他三个导航系统的信号进行接收，这样一来就可以进一步提升大地测量的精度^[3]。

3.北斗卫星导航定位系统在大地测量工程中的应用

3.1地面点位测量中的应用

地面点位的测量就是通过测绘手段得到地面点的位置信息。北斗定位系统的定位原理是通过测量已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据来确定接收机的具体位置。具体来说，接收机通过接收卫星发射的信号，测量信号的传播时间，然后根据信号在空间中的传播速度与传播时间的乘积计算出卫星与接收机之间的距离。接收机通过接收至少四颗卫星的信号，就可以利用三角定位原理来确定自身的位置。北斗卫星定位系统接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离。北斗卫星定位系统接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息。北斗卫星定位系统接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。按定位方式，北斗卫星定位系统定位分为单点定位和相对定位。在北斗卫星定位系统观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度大大提高。

以下将以公路测量为例阐述北斗卫星导航在地面测量中的具体应用。在公路工程中由于公路勘测线路较长，整体工作强度较高，因此虽然工作人员采用的先进的电子全站仪等仪器，也会受到作业环境的影响，无法对地面点位进行精准定位。而借助北斗系统，工作人员可以突破传统测量手段中距离和环境的限制，在互不通视的地区对施工区域点位进行测量，同时，借助北斗中的RTK技术，工作人员能够快速活动地面点位的空间三维坐标，这就大幅提升了桥梁、隧道、线路等工程的勘测效率，并且能够进行实时的放样。此外，在公路工程施工放样过程中，如果采用常规的放样方法，则需要工作人员对目标位置进行多次移动，并且只能在互通情况较好的状态下进行，这种放样方法就导致公路工程成本大幅提升。而借助北斗系统中的RTK技术，工作人员只需要将测量点位的经纬度坐标输入系统中，北斗系统就会对放样点进行自动定位，并且由于系统对于放样点的定位都是独立进行的，因此不会产生累积误差，各点的放样精度能够有效满足公路工程放样需求。

3.2重力场测量中的应用

地球重力主要反映了地球物质的空间分布以及地球的旋转运动，可以说重力场不仅决定了地表海洋物质的分布，还决定了地球的形状、大小等参数。因此对重力场的测量对于我国各个领域都有着重要意义。而传统的测量方法中受到国家经济状况、地形等因素影响，导致测量精度较低，这就导致我国对于重力场测量陷入了被动局面。而北斗卫星定位系统的全面应用，则为重力场测量提供了有效支持。这个系统中包含了多种卫星，不同的卫星能够为重力场测量提供不同的支持，比如通过重力卫星能够帮助技术人员构建多个纯卫星重力场以及超高阶重力场模型，这就能够有效提升我国重力场测量的精度。同时，在北斗卫星系统的帮助下，我国还在珠峰地区实施了航空重力测量工作，这就为我国的重力场测量工作提供了更加有效的帮助^[5]。

在实际应用过程中，借助北斗卫星定位系统能够通过对重力场的实际测量实现对地质灾害的准确预测。工作人员可以借助卫星实现对地球重力场变化的实时检测，这样一来当我国境内某个区域重力场突然发生变化之后，就代表该区域即将出现地质灾害，在接收到重力场变化信息之后，工作人员就可以通过通讯技术实现对区域内人员的预警，以便切实保障人民群众的生命财产安全。

3.3地面变形监测中的应用

在传统的地面变形监测过程中，工作人员往往只能通过手动的方式对地面变形情况进行统计，而北斗卫星系统则能够用于无人值守自动化检测系统，对地面的变形情况进行实时检测，以便为工作人员提供有效的工作依据。

比如在某隧道工程中，由于需要穿过市内的繁华路段，因此需要确保施工过程中隧道不会出现异常沉降，并能够在沉降发生之后对其进行合理维护。而传统的检测方法效率过于低下，可能当发现沉降时已经无法挽回。而借助北斗卫星导航定位系统，工作人员可以借助卫星提供的精准线路信息，构建有限差分模型，在施工之前对施工区域的地表状态进行综合分析，并且在隧道工程开始之后，对施工区域地表进行实时监测，通过每天与原始数据进行对比，在实地地表上对沉降结果进行计算，这样一来就可以对施工过程中可能出现的沉降进行合理控制，一旦发现不合理的沉降趋势就可以采用支护手段进行加强防护，进而提升工程施工效率的同时保障施工安全。同时，工作人员在隧道中加装定位系统，借助北斗定位系统中的精准定位功能，能够对不同区域的沉降数值进行精准表示，这样一来工作人员就可以对重点区域进行精准防护。此外，工作人员借助北斗卫星系统，还可以根据地面变形监测数据反馈，制定有效的预警系统，当施工区域出现异常之后，系统会在分析之后将预警信息快速上报给技术人员，以便技术人员快速制定解决方案，避免施工过程中发生安全事故。

总结：北斗卫星导航系统的应用为大地测量工程带来了革命性的变化。其高精度定位、全球覆盖、多频多模等特点，使得大地测量工程在数据采集、处理和应用方面有了显著的提升。北斗系统不仅提高了测量数据的精度和可靠性，还大幅提升了工程效率，节约了人力和物力资源。未来，相关人员的研究重点应该集中在提升系统的自动化水平，并对数据处理算法进行优化，以便充分发挥北斗卫星系统在大地测量工程中的作用。

参考文献：

[1]刘敏. 北斗卫星导航定位系统在大地测量工程中的价值及实践[J]. 电脑爱好者（普及版）（电子刊）,2022(6):4307-4308.

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[4]蔡亲青,朱锋,陈曦,等. 高度角与信噪比混合的GNSS随机模型精化及其对RTK定位性能的影响[J]. 全球定位系统,2023,48(1):24-31.

[5]陈雄川,蒋光伟,程传录. BDS/GPS实时钟差估计及其精度分析[J]. 合肥工业大学学报（自然科学版）,2022,45(10):1379-1384,1399-1399.