“數(shù)字貴州”B、C、E級(jí)GPS控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理與分析

馬 琴

(國(guó)家測(cè)繪局大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理中心，陜西西安710054)

一、引 言

50年代國(guó)家測(cè)繪局、總參測(cè)繪局布設(shè)的一、二等三角鎖(網(wǎng))，在貴州省境內(nèi)的點(diǎn)遭受了各種自然和人為因素的破壞，已不能滿足貴州省的國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)需求。為此，應(yīng)用GPS技術(shù)建立新一代高精度的控制網(wǎng)，同時(shí)聯(lián)測(cè)部分舊的一、二、三等三角點(diǎn)和水準(zhǔn)點(diǎn)，以更新改造原有GPS網(wǎng)點(diǎn)。其主要目的是將國(guó)家空間坐標(biāo)基準(zhǔn)框架建設(shè)與地方測(cè)繪基礎(chǔ)控制網(wǎng)建設(shè)以及精化區(qū)域大地水平面工作相結(jié)合，建立與全國(guó)高精密的三維地心坐標(biāo)框架(A、B級(jí)GPS網(wǎng))相一致的三維地心坐標(biāo)系統(tǒng)及全國(guó)統(tǒng)一的平面基本控制網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有平面基礎(chǔ)控制點(diǎn)的改造，確定現(xiàn)有平面基礎(chǔ)控制網(wǎng)與全國(guó)平面基本控制網(wǎng)之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供及時(shí)、可靠的地理信息數(shù)據(jù)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，從而為貴州省高速發(fā)展交通建設(shè)和“數(shù)字城市”、“數(shù)字貴州”建設(shè)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)，滿足貴州省經(jīng)濟(jì)發(fā)展和基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)建設(shè)的需要。

二、項(xiàng)目概況、內(nèi)容、要求及實(shí)施過程

1．貴州GPS網(wǎng)概況

貴州省位于東經(jīng) 103°25'～ 109°45'、北緯24°37'～29°13'之間，東靠湖南，南鄰廣西，西接云南，北連四川和重慶，東西長(zhǎng)約595 km，南北相距約509 km。貴州GPS網(wǎng)由812點(diǎn)組成，覆蓋面積達(dá)176 167 km2。最長(zhǎng)邊為198．6 km，最短邊為0．1 km，大部分在0．1～48．4 km之間，平均邊長(zhǎng)為16．8 km(由于貴州地處山區(qū)，交通不便，所以C級(jí)網(wǎng)的平均邊長(zhǎng)超過規(guī)范規(guī)定的15 km)。

2．項(xiàng)目?jī)?nèi)容

將原有貴州省C級(jí)GPS網(wǎng)進(jìn)行擴(kuò)測(cè)，同時(shí)對(duì)E級(jí)GPS點(diǎn)加密。內(nèi)容包括原A、B級(jí)GPS網(wǎng)點(diǎn)，總參一、二級(jí)點(diǎn)，周邊的地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)工程點(diǎn)，Ⅰ、Ⅱ等國(guó)家三角點(diǎn)，可利用的一、二等水準(zhǔn)點(diǎn)，2000國(guó)家GPS控制網(wǎng)點(diǎn)，新埋設(shè)的C級(jí)GPS點(diǎn)，原來E級(jí)點(diǎn)和陸態(tài)網(wǎng)點(diǎn)等，共計(jì)812點(diǎn)。

3．基本精度要求

基線結(jié)果的評(píng)價(jià)通常以基線的誤差來衡量，GPS網(wǎng)相鄰點(diǎn)間弦長(zhǎng)精度按《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》(GB/T 18314—2001)規(guī)定執(zhí)行，即

式中，σ為標(biāo)準(zhǔn)差;a為固定誤差;b為比例誤差系數(shù);d為相鄰點(diǎn)間距離。對(duì)于C級(jí)網(wǎng)，a≤10mm，b≤5mm。

對(duì)現(xiàn)有貴州GPS網(wǎng)中符合觀測(cè)條件要求的舊點(diǎn)均加以利用，點(diǎn)名、點(diǎn)號(hào)的編制如表1所示。

表1 GPS點(diǎn)

4．外業(yè)施測(cè)

貴州省GPS測(cè)量控制網(wǎng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作使用15臺(tái)型號(hào)分別為中海達(dá)5800、中海達(dá)6000、中海達(dá)V8和佳瓦特的雙頻GPS接收機(jī)進(jìn)行同步觀測(cè)，并在測(cè)區(qū)內(nèi)進(jìn)行基線解算和檢核工作。數(shù)據(jù)的后處理采用軟件GPSADJ4．0對(duì)GPS網(wǎng)進(jìn)行三維無約束平差，以檢查它們的內(nèi)符合精度。

外業(yè)數(shù)據(jù)采集整理情況如表2所示，整理后采用的外業(yè)觀測(cè)點(diǎn)如表3所示。

表2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集整理情況

表3 擬采用外業(yè)觀測(cè)點(diǎn)

三、GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理與分析

本文采用美國(guó)麻省理工學(xué)院的GAMIT/GLOBK軟件進(jìn)行“逐級(jí)控制”的數(shù)據(jù)處理。以國(guó)家GPS連續(xù)運(yùn)行站及2000國(guó)家大地控制點(diǎn)為基準(zhǔn)，采用精密星歷或廣播星歷，首先進(jìn)行GPS B級(jí)網(wǎng)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理，然后進(jìn)行GPSC級(jí)網(wǎng)點(diǎn)、E級(jí)網(wǎng)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理。

1．GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)整理

主要包括各種外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)和其他已有數(shù)據(jù)的收集整理、粗差剔除、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)精度估算與統(tǒng)計(jì)分析及質(zhì)量評(píng)估。

2．?dāng)?shù)據(jù)預(yù)處理

主要包括4項(xiàng)內(nèi)容：① GPS衛(wèi)星軌道方程的標(biāo)準(zhǔn)化;②時(shí)鐘多項(xiàng)式的擬合;③初始整周模糊度的預(yù)估和整周跳變的發(fā)現(xiàn)和修復(fù);④觀測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)化：將觀測(cè)值文件、星歷文件、測(cè)站控制信息文件統(tǒng)一使用標(biāo)準(zhǔn)格式，以便用統(tǒng)一的后處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

依據(jù)外業(yè)觀測(cè)手簿，將同一天的觀測(cè)資料放在一起進(jìn)行檢查與整理，以GPS年積日為單位整理觀測(cè)數(shù)據(jù)，并將原始觀測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RINEX格式數(shù)據(jù)，統(tǒng)一編點(diǎn)號(hào)，準(zhǔn)備天線相位中心改正表。之后由GAMIT軟件按照天線類型、天線高，統(tǒng)一將觀測(cè)值歸算至標(biāo)石標(biāo)志面。

3．采用基準(zhǔn)

采用坐標(biāo)系包括WGS-84大地坐標(biāo)系、2000國(guó)家大地坐標(biāo)系、1980西安大地坐標(biāo)系以及1954北京坐標(biāo)系;高程基準(zhǔn)為1985國(guó)家高程基準(zhǔn);時(shí)間系統(tǒng)為北京時(shí)間。

4．GPS 基線解算

首先基于2000國(guó)家大地坐標(biāo)系獲取先驗(yàn)坐標(biāo)，設(shè)置主要參數(shù)，進(jìn)行均方根殘差Nrms統(tǒng)計(jì);然后進(jìn)行重復(fù)基線統(tǒng)計(jì)，A、B級(jí)GPS網(wǎng)同一基線不同時(shí)段的較差應(yīng)滿足限差要求，其限差按式(1)計(jì)算。

基線精度處理后應(yīng)計(jì)算基線的Δx分量、Δy分量、Δz分量及邊長(zhǎng)的重復(fù)性，重復(fù)性定義為

貴州GPS控制網(wǎng)C級(jí)網(wǎng)重復(fù)基線較差統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表4 C級(jí)網(wǎng)重復(fù)基線較差統(tǒng)計(jì)

計(jì)算結(jié)果說明，貴州省GPS控制網(wǎng)的基線向量不含明顯粗差，外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)重復(fù)基線較差主要分布在至限差內(nèi)，同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差均滿足《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》(GB/T 18314—2009)的要求。

5．?dāng)?shù)據(jù)檢驗(yàn)

根據(jù)GAMIT基線解算結(jié)果，對(duì)整網(wǎng)的全部基線結(jié)果進(jìn)行了χ2檢驗(yàn)，資料全部通過檢驗(yàn)，參與平差。

6．GPS網(wǎng)平差計(jì)算

采用與GAMIT配套的綜合平差軟件GLOBK，首先對(duì)每年觀測(cè)的整網(wǎng)進(jìn)行無約束平差;然后以A、B級(jí)GPS點(diǎn)為起算點(diǎn)，在2000國(guó)家大地坐標(biāo)系相應(yīng)橢球上進(jìn)行三維約束平差處理;通過粗差分析和方差分量因子分析，提高全網(wǎng)的平差精度，獲得全網(wǎng)統(tǒng)一的2000網(wǎng)、WGS-84坐標(biāo)系的最后成果。平差精度如表5所示。

表5 平差精度mm

以上平差結(jié)果表明，此網(wǎng)內(nèi)、外符合精度較好。

7．GPS基線向量網(wǎng)的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換

為使最終GPS觀測(cè)的WGS-84系統(tǒng)的基線向量能與地面網(wǎng)成果兼容一致，并在地面網(wǎng)所屬框架內(nèi)進(jìn)行GPS網(wǎng)的約束平差，必須把GPS基線向量的方差陣轉(zhuǎn)到高斯平面上。轉(zhuǎn)換過程分兩步：首先將GPS基線向量在空間直角坐標(biāo)系上的方差陣轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系上來;然后將大地坐標(biāo)系上的方差陣轉(zhuǎn)換到高斯平面直角坐標(biāo)系上，獲得1954北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系成果。

8．GPS點(diǎn)的海拔高程的確定

為了滿足GPS網(wǎng)的高程精度，必須聯(lián)測(cè)足夠數(shù)量的水準(zhǔn)點(diǎn)。根據(jù)貴州省GPS網(wǎng)中提供的部分水準(zhǔn)點(diǎn)，選擇均勻分布重合一定數(shù)量的一、二等水準(zhǔn)點(diǎn)。利用這些點(diǎn)的海拔高程和其GPS大地高求出它們的高程異常，進(jìn)而擬合出整個(gè)測(cè)區(qū)的高程異常，并確定其余GPS點(diǎn)的海拔高程(基于1985國(guó)家高程基準(zhǔn))。

四、結(jié)果分析

經(jīng)過上述數(shù)據(jù)處理，結(jié)果表明貴州省B、C級(jí)GPS網(wǎng)在2000國(guó)家大地坐標(biāo)系下的精度都達(dá)到了設(shè)計(jì)和規(guī)范的要求。貴州省野外觀測(cè)大部分設(shè)站兩次以上，每點(diǎn)均不少于3條邊聯(lián)結(jié)，每個(gè)環(huán)長(zhǎng)不超過6條基線邊，網(wǎng)形結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，采用快速靜態(tài)型(標(biāo)稱精度為1mm+1×10-6D)雙頻GPS接收機(jī)，符合GPS網(wǎng)的布設(shè)方案和原則。經(jīng)過多種方法檢驗(yàn)，得出如下結(jié)論：全國(guó)80系向2000系轉(zhuǎn)換的大地坐標(biāo)改正量的內(nèi)、外符合精度全部?jī)?yōu)于±0．2m，高程的精度一般在±0．2m以內(nèi)，完全能滿足GPS測(cè)量規(guī)范和城市測(cè)量規(guī)范的要求。貴州省GPS網(wǎng)的內(nèi)、外業(yè)精度整體是良好的。

五、結(jié)束語

建立我國(guó)GPS空間網(wǎng)是我國(guó)未來測(cè)繪事業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性工作。從技術(shù)角度看，該項(xiàng)目的意義在于采用先進(jìn)技術(shù)檢核貴州GPS網(wǎng)內(nèi)、外符合精度和高程精度的準(zhǔn)確性，建立和維持我國(guó)的三維地心坐標(biāo)框架，精化我國(guó)的大地水準(zhǔn)面，加強(qiáng)并檢核我國(guó)天文大地網(wǎng)，開展地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和地球動(dòng)力學(xué)研究等。它的建立還將促進(jìn)我國(guó)測(cè)繪地理空間信息的超前發(fā)展。

[1]李渝．貴州省C級(jí)GPS網(wǎng)觀測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)方案的探討[J]．中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2010(5)：16-17．

[2]羅三明，胡新康，黃曲紅，等．GPS基線向量方差—協(xié)方差陣轉(zhuǎn)換到高斯平面上的研究[J]．測(cè)繪通報(bào)，2009(2)：25-27．

[3]國(guó)家測(cè)繪局．GB/T 17942—2000國(guó)家三角測(cè)量規(guī)范[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000．

[4]國(guó)家測(cè)繪局．GB/T 18314—2001全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001．

[5]國(guó)家測(cè)繪局．GB/T 18314—2009全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009．

[6]國(guó)家測(cè)繪局．GB/T 12897—2006國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006．

[7]國(guó)家測(cè)繪局．GB/T 17942—2000國(guó)家三角測(cè)量規(guī)范[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000．