南山并置站本地連接測量GPS控制網(wǎng)數(shù)據(jù)精度分析

張阿麗，熊福文，朱文耀

(1.中國科學院新疆天文臺，新疆烏魯木齊830011;2.上海市地質調查研究院，上海200072;3.中國科學院上海天文臺，上海200030)

一、引 言

地球及其周圍環(huán)境是一個不穩(wěn)定系統(tǒng)，研究地球的整體運動(地球在空間平動和轉動)和地球的局部運動(巖石圈板塊運動、地殼各種地質地球物理因素引起的地殼形變和空間環(huán)境變化等)，必須要有一個固連于地球的地球參考系。

地球參考框架是地球參考系的具體實現(xiàn)和應用形式，對多種技術觀測結果的綜合利用是獲得可靠的高精度、高時間穩(wěn)定性，以及獨立于任何觀測技術的地球參考框架的必然途徑，這就必然要求多種技術在觀測臺站實現(xiàn)并置。國際地球參考框架(ITRF)是對 VLBI、SLR、GPS、DORIS 等多種空間大地測量技術所實現(xiàn)的地球參考框架的綜合。進行這種綜合的基本約束參數(shù)是在多技術并置站獲得不同技術參考點之間的三維坐標差，即本地連接參數(shù)。

測站參考點通常指主轉動軸與從屬軸所在平面的交點，位于設備內部，并非一個具體可以觀測的物理參考點。為監(jiān)測它在ITRF中的變化，一般通過常規(guī)大地測量建立參考點和測控點間的位置關系，通過GPS測量獲得測控點在ITRF下的坐標，再經(jīng)坐標轉換最終得到參考點在ITRF中的坐標。由此可見，GPS測量資料的歸算精度及其與常規(guī)大地測量結果之間轉換參數(shù)的求解精度將直接影響本地連接參數(shù)的測量精度。

新疆天文臺同時擁有GPS與VLBI空間大地測量技術(如圖1所示)，技術多且觀測資料時段長，是國際、國內VLBI觀測網(wǎng)與GPS觀測網(wǎng)的重要觀測臺站之一。但南山觀測站一直以來都缺少高精度的本地連接，可以說是國際、國內并置站的一大缺憾。鑒于此，2011年8月筆者所在單位首次對南山觀測站開展了GPS與VLBI本地連接測量，目的是研究新疆天文臺VLBI、GPS觀測并置站本地連接關系，開展對南山測站參考點的監(jiān)測，進而研究測站中長期運動。

圖1 南山觀測站GPS與VLBI分布示意圖

二、控制網(wǎng)的布設與觀測

在測量工作中，為控制測量誤差的傳遞與積累，保證必要的測量精度，必須首先在全測區(qū)范圍內選定一些控制點構成一定的幾何圖形，用精密的測量儀器和精確的測算方法在統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)中確定它們的平面位置和高程，再以這些控制點為基礎，測算其他點的位置，這就將控制測量工作分為平面控制測量和高程控制測量兩種。

新疆天文臺南山觀測站空間大地測量技術的本地連接參數(shù)的測量精度要求控制在毫米級，而整個本地連接過程包括GPS主控網(wǎng)觀測、局域三角網(wǎng)觀測、空間方向交會和幾何旋轉中心曲線擬合計算4個部分。GPS控制網(wǎng)的測量是本次本地連接測量的關鍵點之一。

相對于傳統(tǒng)控制測量來說，GPS技術應用于控制測量的優(yōu)點如下：

1)GPS控制網(wǎng)選點靈活，布網(wǎng)方便，基本不受通視、網(wǎng)形的限制，特別是在地形復雜的測區(qū)更顯其優(yōu)越性。

2)GPS測量精度高。一般雙頻GPS接收機基線解精度為5 mm+1×10－6D，而紅外測距儀標稱精度為5 mm+5×10－6D，GPS測量精度與紅外測距儀相當，但隨著距離的增長，GPS測量的優(yōu)越性愈加突出。

1.控制網(wǎng)點的分布

工程控制網(wǎng)的布設原則和大地控制網(wǎng)是一致的，但也有一些區(qū)別。因為不同的工程有不同的要求，其控制網(wǎng)也就有輕微的差別。一般工程控制網(wǎng)點不需要均勻分布，而是按其需要進行布點。但本地連接所需要的地面GPS控制網(wǎng)由于要考慮本地連接的常規(guī)測量網(wǎng)，因此在布點時應根據(jù)需要確定點位的位置，并考慮其圖形結構。

南山觀測站高精度GPS控制網(wǎng)布設采用“基于GPS連續(xù)運行基準站”的布設方法，與國際IGS網(wǎng)基準站聯(lián)測，引入GPS起算基準，采用高精度GPS基線解算方法建立工程控制網(wǎng)的絕對基準。建立高精度工程控制網(wǎng)是確保獲得多技術并置站毫米級本地連接參數(shù)的基礎。

為了獲取南山高精度本地連接參數(shù)，根據(jù)觀測角度和控制網(wǎng)圖形強度的要求，同時為了保證GPS網(wǎng)的可靠性，在南山觀測站經(jīng)現(xiàn)場踏勘，用混凝土現(xiàn)場澆灌并建立了永久性的觀測基墩5個(見圖2中點 0001、0002、0003、0004、0005)，并且兩兩通視，基墩上方中心處安置了強制歸心裝置，組成了包括GUAO CORS站在內共計6個控制點的GPS控制網(wǎng)。圖2中“GPS”所示位置為國際GPS服務(IGS)基準站(GUAO)。

2.GPS測量

(1)技術要求

在南山觀測站GPS控制網(wǎng)的5個(0001、0002、0003、0004、0005)觀測基墩上，同時安置 5臺雙頻GPS接收機，連同GUAO站共6臺雙頻GPS接收機，按照《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》(GB/T 18314—2009)B級網(wǎng)技術要求連續(xù)觀測。

1)觀測儀器。使用5臺Ashtech Z-Surveyor雙頻接收機(配備扼流圈天線)同步觀測，精度為3 mm+1×10－6D。扼流圈天線是目前精度最高的GPS天線，中間的渦流狀結構有效地阻止了多路徑效應等干擾信號，提高了GPS信號的接收品質，從而保證了原始數(shù)據(jù)的可靠性。

2)觀測技術要求。作業(yè)時的主要技術要求如下：觀測衛(wèi)星高度角≥15°;有效觀測衛(wèi)星數(shù)≥5;時段長度24 h;時段數(shù)≥3;數(shù)據(jù)采樣間隔30 s。

(2)測量實施

于2011年8月31日 9∶24—9月6日2∶53(相當于年積日DOY243—DOY249)進行了連續(xù)觀測，觀測時間見表1。統(tǒng)一型號的扼流圈天線和同步連續(xù)觀測，為良好的GPS觀測成果打下了堅實的基礎。

三、GPS數(shù)據(jù)處理與精度分析

1.基線處理

進行三維無約束平差及約束平差前要進行基線向量解算。對于一組具有一個共同端點的同步觀測基線來說，由于在進行基線解算時用到了一部分相同的觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中的誤差將同時影響這些基線向量。因此，它們之間應存在固有的統(tǒng)計相關性，在進行基線解算時應考慮這種相關性，并通過基線向量估值的方差-協(xié)方差陣加以體現(xiàn)，從而能最終應用于后續(xù)的網(wǎng)平差。

圖2 GPS控制網(wǎng)示意圖

南山站GPS控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理時采用多基線解，選取南山GPS觀測站GUAO站作為起算基準?；€處理采用麻省理工學院GAMIT 10.4版軟件，采用SP3格式IGS精密星歷，在Sittbl文件中不固定任何點，只是給GUAO站較強的約束值，處理5個本地連接點和GUAOCORS站GPS數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)。按照年積日分別計算出243—249單日基線解。

目前，國際上常用的GPS數(shù)據(jù)處理軟件有美國麻省理工學院等單位研制的GAMIT、瑞士伯爾尼天文研究所研制的Bernese、美國宇航局噴氣式推進實驗室研制的GIPSY［1］等。利用精密星歷，在參考站坐標精確已知的情況下，GAMIT解算基線的相對精度可達10－9，其源代碼開放，用戶可以根據(jù)需要進行源程序修改。鑒于南山25 m天線周圍GPS觀測采用了雙頻接收機，且距離測控點150 m內的GUAO坐標精確已知，可作為參考站，與5個測控點組成了超短基線網(wǎng)。若利用GAMIT并采用雙差固定解，可以有效地減弱衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差，以及電離層和對流層延遲誤差等影響，因此南山GPS測控網(wǎng)選用了GAMIT軟件進行GPS資料歸算。

2.GPS網(wǎng)平差

在GPS網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理過程中基線解算所得到的基線向量僅能確定GPS網(wǎng)的幾何形狀，卻無法提供最終確定控制網(wǎng)中點的絕對坐標所必需的絕對位置基準。在GPS網(wǎng)平差中，通過起算點坐標可以達到引入絕對基準的目的。通常，無法通過某個單一類型的網(wǎng)平差過程來達到目的，而必須分階段采用不同類型的網(wǎng)平差方法。

南山站GPS控制網(wǎng)平差采用GPS_NET軟件(同濟大學)，固定 GUAO站在 ITRF2008框架下2 011.660 27(2011.8.30 日)歷元的坐標(見表2)，對整網(wǎng)進行平差，平差后 0001、0002、0003、0004 四個點的X、Y、Z坐標精度達0.4 mm，只有0005點的坐標精度稍差一些，為0.5 mm。本地連接控制點空間坐標及網(wǎng)平差精度見表3、表4。

表2 GUAO站在ITRF2008框架下2011.66027歷元坐標 m

表3 本地連接控制點在ITRF2008框架下2 011.660 27歷元坐標 m

表4 GPS控制網(wǎng)平差效果

為了檢測和衡量GPS測量的精度，采取了統(tǒng)計單日解N、E、U 3個方向分量重復性的方法，以避免控制網(wǎng)平差時控制點帶入的起算基準誤差，基線三維分量的重復性直接反映了基線兩個端點之間的相對精度，若其中的一個點視為穩(wěn)定的不動點，其相對精度值即可看做是另外一點的精度。

《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》(GB/T 18314—2009)中重復性定義為

式中，n為同一基線的觀測時段總數(shù);Ci為同一觀測時段的基線的某一坐標分量或邊長;為Ci分量相應的方差;Cm為各時段Ci的加權平均值。

根據(jù)式(1)，對DOY243—249間共計7 d的基線文件進行統(tǒng)計分析，得出N、E、U 3個方向和長度分量重復性(見表5)。表5表明基線在N、E和長度方向的重復性較高，在0.3～0.4 mm之間;U方向分量重復性稍遜色一點，重復性為1.4 mm?；€相對精度為0.8×10－8，滿足《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》(GB/T 18314—2009)中A級網(wǎng)基線相對精度1×10－8的要求。

表5 GPS控制網(wǎng)基線處理重復性統(tǒng)計表

四、結 論

本文通過對南山站本地連接中GPS控制網(wǎng)布設、觀測、數(shù)據(jù)處理、精度進行分析研究，得出如下結論：

1)在本地連接GPS控制網(wǎng)網(wǎng)形設計中，圍繞VLBI天線布設同步GPS觀測網(wǎng)是最佳的選擇，既便于位于VLBI天線上靶標的交會觀測，又有利于GPS控制網(wǎng)、三角網(wǎng)的精度控制。

2)觀測中應盡可能采用多臺GPS接收機進行同步觀測，減少遷站和對中誤差、量高誤差的影響，對保證GPS控制網(wǎng)精度十分有利。

3)GPS基線處理、網(wǎng)平差、精度分析各階段應充分發(fā)揮國際精密定軌軟件、國產(chǎn)嚴密平差軟件的優(yōu)勢和滿足測量規(guī)范的要求，以滿足本地連接測量需要。

4)文中GPS控制網(wǎng)精度達到《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》(GB/T 18314—2009)中A級網(wǎng)的技術要求，為后期坐標轉換、VLBI天線參考點坐標計算奠定了較好的基礎。

5)利用GAMIT解算與網(wǎng)平差軟件，獲得了測控網(wǎng)在ITRF下測控點的高精確坐標，用于局域網(wǎng)與地心坐標系之間的轉換，有利于確保南山并置站的高精度本地連接參數(shù)的測量精度，同時也為開展測站參考點中長期穩(wěn)定性的監(jiān)測與研究創(chuàng)造了良好的基礎。

［1］朱文耀，熊永清，程宗頤，等.上海VLBI，SLR和GPS站站坐標的精密測定和精度估計［J］.中國科學院上海天文臺年刊，1996(17)：7-8.

［2］劉光明，馬金輝，唐穎哲.VLBI歸心測量中的空間擬合［J］.測繪通報，2011(10)：11-13，19.

［3］王解先，季善標，施一民.上海天文臺的VLBI、SLR、GPS站的空間歸心測量［J］.解放軍測繪學院學報，1997，14(1)：7-10.

［4］熊永清，朱文耀.上海天文臺VLBI，SLR和GPS站的歸心結果與分析［J］.中國科學院上海天文臺年刊，1996(17)：67-72.

［5］ABBONDANZA C，ALTAMINI Z，SARTI P，et al.Local Effects of Redundant Terrestrial and GPS-based tie Vectors in ITRF-like Combinations［J］.J Geod，2009(83)：1031-1040.

［6］臧德彥.精密工程測量中強制歸心裝置的制作［J］.測繪通報，2006(10)：46-48.

［7］SARTI P.Height Bias and Scali Effect Induced by Antenna Gravitational Deformations in Geodetic VLBI Data Analysis［J］.JGeod，2011(83)：1-8.

［8］施一民.GPS衛(wèi)星定位的應用與數(shù)據(jù)處理［M］.上海：同濟大學出版社，1994.

［9］王解先，季善標，施一民.利用GPS和常規(guī)技術進行空間歸心測量［J］.工程勘察，1997(3)：52-55.

［10］沈云中，陳廷武.上海天文臺并址站的空間歸心測量［J］.同濟大學學報：自然科學版，2006，34(2)：217-220.