敖 軍

（1.廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510500）

惠州市高精度三維GPS控制網(wǎng)的建立與數(shù)據(jù)處理

敖 軍1

（1.廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510500）

介紹了惠州市高精度三維GPS控制網(wǎng)的概況，討論了利用GAMIT軟件處理控制網(wǎng)的基線解算方案和利用GLOBK軟件進行網(wǎng)平差的方案。統(tǒng)計分析了基線中各分量的精度、同步觀測環(huán)閉合差、異步觀測環(huán)閉合差、復測基線的長度差以及網(wǎng)平差后的點位精度。結果表明，該網(wǎng)能夠滿足相關規(guī)范與設計要求。

高精度GPS控制網(wǎng)；基線解算；網(wǎng)平差；GAMIT/GLOBK

由于歷史、技術原因，整個惠州市測繪基準不統(tǒng)一，惠州市三縣四區(qū)以及市直各相關部門一直沿用各自的測繪基準，導致相關基礎地理信息數(shù)據(jù)難以統(tǒng)一和共享使用，造成項目重復建設和資源浪費，也給各部門間數(shù)據(jù)共享帶來了不便。根據(jù)《惠州市基礎測繪中長期規(guī)劃（2010-2020）》的要求，為了提高現(xiàn)有測繪體系的精度，實現(xiàn)惠州市統(tǒng)一測繪基準，在全惠州市范圍內建立高精度的三維控制網(wǎng)已迫在眉睫[1]。本文詳細探討了惠州市高精度三維GPS控制網(wǎng)的建立與數(shù)據(jù)解算。

1 控制網(wǎng)概況

惠州市高精度GPS控制網(wǎng)建設內容包括CORS網(wǎng)、框架網(wǎng)（GPS-B級網(wǎng)）和基本網(wǎng)（GPS-C級網(wǎng)）。

CORS網(wǎng)由惠州市境內已建成的10個CORS站和周邊的8個CORS站組成。已建成的18個CORS站在西北部分布較密，東南部較稀疏，平均邊長約為40 km[2]?？蚣芫W(wǎng)由全市范圍內12個新布設的框架點構成，通過這些點，可以更好地控制東部山區(qū)與南部沿海區(qū)域，提高控制網(wǎng)整體精度。以高精度GPS框架點為基礎，在全市范圍內均勻布設203個基本點構成基本網(wǎng)。

GPS框架網(wǎng)采用12臺GPS接收機同時進行觀測，觀測過程中CORS站點正常運行，并得到同步觀測數(shù)據(jù)。觀測時GPS接收機連續(xù)觀測3個時段，每個時段23 h?；揪W(wǎng)的同步圖形之間采用邊連式GPS網(wǎng)，用8 臺GPS接收機同步觀測，每個時段16 h[3]。

2 控制網(wǎng)基線處理

本次惠州市高精度GPS控制網(wǎng)基線處理采用GAMIT（Ver 10.5）軟件，該軟件處理雙差觀測值時采用最小二乘算法進行參數(shù)估算，可以確定地面站的三維坐標和空中飛行物定軌，在利用精密星歷的情況下基線解算精度可以達到10-9，是目前最出色的GPS軟件之一，我國A、B級GPS網(wǎng)的基線解算也是采用該軟件處理[4]。

基線處理時首先處理CORS網(wǎng)基線，然后處理框架網(wǎng)（B級網(wǎng)）基線，最后處理基本網(wǎng)（C級網(wǎng)）基線。因為采用IGS精密星歷，CORS網(wǎng)的處理的軌道精度達到了0.05 m[5]。為提高CORS網(wǎng)精度，引入了USUD、BJFS、WUHN、LHAZ、URUM、KIT3、TNML、POL2、SHAO、SUWN共10個全球跟蹤站，并在控制網(wǎng)基線解算時將這些國際永久跟蹤站作為約束條件[6-7]。

框架網(wǎng)、基本網(wǎng)的基線處理方法與CORS網(wǎng)的處理方法大致相同，不同之處在于框架網(wǎng)和基本網(wǎng)的起算點坐標為CORS網(wǎng)坐標；框架網(wǎng)的歷元間隔為30 s，基本網(wǎng)的歷元間隔為20 s，都不處理衛(wèi)星軌道誤差。

2.1 基線解算的主要模型和參數(shù)

基線求解時，需要考慮以下因素：

1）衛(wèi)星時鐘誤差模型修正（用廣播星歷中的時鐘誤差參數(shù)）；

2）接收機時鐘誤差模型修正（偽距觀測計算的時鐘誤差）；

3）用LC觀測值來消除電離層折射的影響；

4）改正對流層折射用標準大氣模型——Saastamoinen模型，每隔2 h采用分段線性方法估計折射率偏差參數(shù)；

5）GPS接收機天線相位中心的改正，衛(wèi)星和接收機天線相位中心偏差L1、L2利用GAMIT軟件設置；

6）測站坐標的潮汐改正。

7）松弛IGS軌道，處理衛(wèi)星軌道誤差[8-9]。

2.2 基線解算流程

GAMIT解算功能的主要模塊包括ARC、MODEL、SINCLN、DBCLN、CVIEW、CFMRG、SOLVE，各模塊的作用分別為軌道積分、觀測方程的組建、單次差分修復周跳、雙差分修復周跳、人機交互式修復周跳、創(chuàng)建SOLVE模塊需要的文件、根據(jù)雙差觀測值求取參數(shù)。觀測數(shù)據(jù)質量是保證基線解算精度和可靠性的關鍵，因此，在用GAMIT軟件處理時，修正觀測數(shù)據(jù)的周跳和刪除大殘差觀測值是GPS數(shù)據(jù)處理的重要工作。質量較好的數(shù)據(jù)采用AUTCLN模塊自動編輯，質量較差的數(shù)據(jù)采用CVIEW模塊手工編輯[8]。數(shù)據(jù)編輯完成后，生成觀測數(shù)據(jù)文件（X-文件），然后再用這些文件生成觀測方程，計算基線，從而得到各時間段的解。

2.3 基線檢核與結果分析

基線解算質量檢查的內容包括分析基線中各分量的精度、同步觀測環(huán)的閉合差、異步觀測環(huán)的閉合差以及復測基線的長度差[10-11]。

2.3.1 同步環(huán)檢核

同步環(huán)閉合差應滿足：

式中，a 表示固定誤差，單位為mm；b 表示比例誤差系數(shù)，單位為mm/km；s 表示實際平均邊長，單位為km；n 表示閉合環(huán)邊數(shù)。

GAMIT在基線解算時同步觀測環(huán)的閉合差已經進行了分配（GAMIT采用的是全組合解）。對同步環(huán)進行檢核時，NRMS值是判定其精度的一個依據(jù)，一般要求NRMS值小于0.3，不能大于0.5。

在本次惠州市高精度GPS控制網(wǎng)的同步環(huán)檢核中, CORS網(wǎng)計算了9個同步時段，NRMS值全部小于0.3；B級網(wǎng)計算了3個同步時段，NRMS值全部小于0.3；C級網(wǎng)計算了85個同步時段，其中有66個NRMS值小于0.3，18個介于0.3與0.4之間，只有1個大于0.4，為0.475。這表明，GPS控制網(wǎng)的外業(yè)觀測數(shù)據(jù)和基線解算的精度都較高[12]。

2.3.2 異步環(huán)檢核

在GPS網(wǎng)中，必須保證有足夠數(shù)量的異步環(huán)才能確保觀測成果的可靠性并有效地發(fā)現(xiàn)觀測值的粗差。與同步環(huán)閉合差相比，異步環(huán)閉合差對最終數(shù)據(jù)的精度和成果質量更為重要。異步環(huán)閉合差應滿足：

本次惠州市高精度GPS控制網(wǎng)共檢核異步環(huán)669個，其中，具有最大相對異步環(huán)閉合差的環(huán)為C123→C141（0006）C123→ C146（0006）C141→C146（0029），其相對精度為0.668 ppm，X分量的閉合差為0.008 7 m，Y分量的閉合差為-0.0256 m，Z分量的閉合差為-0.007 5 m，位置的閉合差為0.028 m，而分量的限差為0.154 m，位置的限差為0.267 m。由此可見，所有的異步環(huán)均滿足規(guī)范要求[10]。

2.3.3 重復基線檢核

重復基線就是不同觀測時段對同一條基線的觀測結果，重復基線檢核可以檢查在不同時段同一基線的觀測質量，從而剔除粗差。其定義為：

式中，ci是各時段解基線的各分量是相應分量的協(xié)方差；為相應基線分量的加權平均值；R為相應的重復性。

CORS網(wǎng)的重復精度應達到10-8，B、C級網(wǎng)重復基線的長度較差應小于σ，其中σ代表規(guī)范GB/T 18314-2009定義的B、C級網(wǎng)的精度。

表1 基線向量重復性統(tǒng)計表

經分析得出基線處理的精度滿足相關規(guī)范和設計的要求[10]。

3 GPS網(wǎng)平差

3.1 平差的軟件與坐標基準

網(wǎng)平差采用GLOBK軟件。GLOBK的主要作用是對基線解算后的初步處理結果進行后期處理[8]。

本次惠州市高精度GPS三維控制網(wǎng)在ITRF坐標框架下的三維平差基準站有二套，一套為BLGT、CHGT、GDHD、GDLM、GDZJ、GTGT、HYGT、HZGT、ZCHE、TXZH、SWGT 共11個CORS站，采用CGCS2000坐標系，坐標框架為ITRF97，歷元為2000.0[13]；另一套為BLGT、CHGT、GDHD、GDLM、GDZJ、GTGT、HYGT、HZGT、ZCHE、ADGT、HZHY、HZHZ、TCGT、YHGT共14個CORS站，坐標框架為GDCORS。

3.2 平差采用的觀測量

平差時采用GAMIT軟件輸出的H-file（包括坐標和坐標之間的全協(xié)方差陣）作為觀測量。其中CORS網(wǎng)有9個H-file，B級網(wǎng)有3個H-file，C級網(wǎng)有85個H-file。

3.3 ITRF坐標框架下的三維無約束平差

三維無約束平差的目的有3個，一是判斷是否存在粗差基線；二是調整各基線觀測值的權；三是確定各點在坐標系下的相對位置關系[14]。

經檢驗發(fā)現(xiàn)，GTGT和GDHD兩點的高程方向與其他站點不兼容，差4～5cm，因此，這2個點不作為框架轉化的基準點，僅作出約束。

3.4 ITRF坐標框架下的三維約束平差

約束整體平差的目的是將CORS網(wǎng)、框架網(wǎng)和基本網(wǎng)作整體平差。將CORS網(wǎng)、框架網(wǎng)、基本網(wǎng)所有解算之后的基線和調整之后的協(xié)方差陣作為觀測量，消除各種誤差，如星歷誤差等引起的控制網(wǎng)在位置和尺度上的偏差。平差完成之后進行結果質量分析，評估控制網(wǎng)的整體精度。

表2 CORS網(wǎng)點位中誤差/m

表3 框架網(wǎng)點位中誤差/m

表4 基本網(wǎng)點位中誤差/m

通過上述精度統(tǒng)計可知，B級、C級網(wǎng)在ITRF坐標框架下的轉換精度指標良好，成果滿足設計要求。

4 結果分析

通過對惠州市GPS控制網(wǎng)的布設、施測、數(shù)據(jù)處理等內容的探討，總結如下：

1）GPS控制點布設滿足觀測條件，控制網(wǎng)結構合理，采用網(wǎng)形連接，能夠滿足所需的精度要求。

2）GPS控制網(wǎng)的基線解算和平差計算分別采用GAMIT軟件和GLOBK軟件，數(shù)據(jù)處理過程正確，模型運用嚴謹，方法恰當。數(shù)據(jù)處理中，結合多種數(shù)據(jù)處理方法，成果精度較高。

3）CORS網(wǎng)基線分量重復性在南北方向上為0.18 mm+0.31×10-8，在東西方向上為 0.95 mm+0.26×10-8，垂直方向上為2.03 mm+0.39×10-8，基線長度方向上為0.81 mm+0.16×10-8；B級網(wǎng)基線分量重復性在南北方向上為0.67 mm+0.1×10-8，在東西方向上為0.84 mm+0.05×10-8，垂直方向上為1.89 mm+0.94×10-8基線長度方向上為0.75 mm+0.22×10-8；C級網(wǎng)基線分量重復性在南北方向上為0.86 mm+0.79×10-8，在東西方向上為1.02 mm+1.35×10-8，垂直方向為5.00 mm+6.39×10-8，基線長度方向上為0.99 mm+1.43×10-8?；€處理精度達到了相關規(guī)范和設計的要求。

4）三維約束平差到CGCS2000框架基準下CORS網(wǎng)坐標分量在X方向上的平均精度為0.000 4 m，在Y方向上的平均精度為0.000 7 m，在Z方向的平均精度為0.000 4 m；B級網(wǎng)點坐標分量在X方向上的平均精度為0.001 0 m，在Y方向上的平均精度為0.002 1 m，在Z方向的平均精度為0.001 1 m；C級網(wǎng)點坐標分量在X方向上的平均精度為0.001 4 m，在Y方向上的平均精度為0.002 9 m，在Z方向的平均精度為0.001 5 m。

5）三維約束平差到GDCORS框架基準下CORS網(wǎng)坐標分量在X方向上的平均精度為0.000 4 m，在Y方向上的平均精度為0.000 7 m，在Z方向的平均精度為0.000 4 m；B級網(wǎng)點坐標分量在X方向上的平均精度為0.001 0 m，在Y方向上的平均精度為0.002 1 m，在Z方向的平均精度為0.001 1 m；C級網(wǎng)點坐標分量在X方向上的平均精度為0.001 4 m，在Y方向上的平均精度為0.002 9 m，在Z方向的平均精度為0.001 5 m。

6）GPS網(wǎng)的三維約束平差結果建立了該地區(qū)在CGCS2000框架及GDCORS框架下的三維大地坐標基準，其中CGCS2000框架下的三維大地坐標基準與ITRF97框架（2000歷元）的基準一致。

5 結 語

高精度控制點坐標為惠州市基礎測繪基準的最終建立打下了堅實的基礎，也可為惠州市高分辨率高精度似大地水準面模型的建立提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

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1672-4623（2016）10-0067-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.10.019

敖軍，工程師，主要從事大地測量的工作及研究。

2016-06-30。