CORS基準(zhǔn)站的穩(wěn)定性分析與研究

羅 峰

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060)

0 引 言

隨著CORS應(yīng)用領(lǐng)域的不斷發(fā)展和在一些高精度測量領(lǐng)域的應(yīng)用，其穩(wěn)定性越發(fā)顯得重要[1]。廣州CORS系統(tǒng)作為廣州市地理空間框架的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，一方面可建立和維持廣州地區(qū)高精度三維基準(zhǔn)，為經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供精確的定位、定向服務(wù)，為區(qū)域地球動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科研究提供精確參考基準(zhǔn)；另一方面向廣州區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)RTK用戶提供精確的實(shí)時(shí)三維定位服務(wù)。

廣州市地處中國大陸南部，屬丘陵地帶，地勢東北高，西南低，北部和東北部是山區(qū)，中部是丘陵、臺地，南部是珠江三角洲沖積平原。地理位置特殊，地質(zhì)情況多樣，地下和地殼活動復(fù)雜，特別是地表沉降導(dǎo)致的CORS基準(zhǔn)站點(diǎn)的位移尤其需要引起重視。

基于以上原因，對廣州CORS系統(tǒng)基準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行穩(wěn)定性監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理分析具有重要意義。在穩(wěn)定性分析過程中，涉及到兩個(gè)層次的聯(lián)測分析，一個(gè)是大范圍與周邊IGS跟蹤站的聯(lián)測，一個(gè)是區(qū)域內(nèi)基準(zhǔn)站網(wǎng)自身的穩(wěn)定性監(jiān)測，本文重點(diǎn)對廣州CORS基準(zhǔn)站網(wǎng)內(nèi)部的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析和研究。

1 廣州CORS情況

廣州市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位城市測量綜合服務(wù)系統(tǒng)(GZCORS)于2006年建設(shè)完成，基準(zhǔn)站網(wǎng)由8 個(gè)在廣州市域范圍內(nèi)均勻分布的基準(zhǔn)站(從化站、呂田站、花都站、增城站、五山站、番禺站、永和站、萬頃沙站)以及1個(gè)GPS 監(jiān)控站(規(guī)劃院站)組成,如圖1所示，其中有5個(gè)是基巖點(diǎn)[2]。系統(tǒng)投入使用以來，已經(jīng)在廣州市城市規(guī)劃、市政建設(shè)、基礎(chǔ)測繪、工程測量、氣象監(jiān)測等部門得到了廣泛應(yīng)用。

圖1 廣州CORS網(wǎng)

廣州CORS系統(tǒng)建設(shè)較早，當(dāng)時(shí)還沒有相關(guān)技術(shù)規(guī)范對CORS網(wǎng)的穩(wěn)定性分析提出相關(guān)的規(guī)定。2010年，發(fā)布了《衛(wèi)星定位城市測量技術(shù)規(guī)范 CJJ/T73-2010》為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中規(guī)定了應(yīng)定期對CORS網(wǎng)進(jìn)行解算分析，解算周期不應(yīng)超過一年[3]。

GZCORS系統(tǒng)從2006年建設(shè)至今，已運(yùn)行超過7年多時(shí)間。8個(gè)基準(zhǔn)站，每天24 h運(yùn)行，觀測數(shù)據(jù)采樣間隔為15 s，每年的數(shù)據(jù)量超過30 G.到目前為止，GZCORS系統(tǒng)存儲的數(shù)據(jù)到達(dá)190 G.有了一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，可以進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

2 廣州CORS穩(wěn)定性分析

廣州CORS基準(zhǔn)站網(wǎng)穩(wěn)定性分析的流程，主要包括數(shù)據(jù)整理準(zhǔn)備、基線解算、平差計(jì)算、穩(wěn)定性分析等步驟，最后建立CORS基準(zhǔn)站在ITRF93框架(1996.365歷元)下的位移變化率以及坐標(biāo)時(shí)間序列，分析CORS基準(zhǔn)站的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性分析的流程如圖2所示。

1) 數(shù)據(jù)整理準(zhǔn)備

考慮到板塊運(yùn)動的影響，數(shù)據(jù)解算不引入IGS站[4-6]，只對8個(gè)基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理，并在原有坐標(biāo)基準(zhǔn)(ITRF93框架)下平差計(jì)算考查基準(zhǔn)站之間的穩(wěn)定性。

圖2 穩(wěn)定性分析流程

前期的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備需要：基站的靜態(tài)數(shù)據(jù)(RINEX數(shù)據(jù))、相應(yīng)的廣播星歷(brdc文件)、相應(yīng)的精密星歷(SP3文件)。

RINEX數(shù)據(jù)(8期數(shù)據(jù))：GZCORS系統(tǒng)共8個(gè)基準(zhǔn)站，數(shù)據(jù)采樣率15 s，觀測時(shí)間24 h，GZCORS基準(zhǔn)站的天線為TRM41249.00型，接收機(jī)為TRIMBLE NETRS類型，天線高為量測到天線參考點(diǎn)的垂直高(基準(zhǔn)站的天線高均為零),每一期的數(shù)據(jù)為6月的30天的靜態(tài)數(shù)據(jù)。

2) 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

在數(shù)據(jù)處理前，采用美國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與地殼形變觀測研究大學(xué)聯(lián)合體(UNAVCO)研制的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、編輯和質(zhì)量檢測軟件(TEQC), 對GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析，獲取觀測時(shí)段內(nèi)GPS數(shù)據(jù)的電離層延遲、多路徑影響、接收機(jī)周跳、衛(wèi)星信號信噪比等信息，如圖3所示。

圖3 teqc分析得到的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量匯總信息

通過選取8期數(shù)據(jù)的相同年積日數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，得到相同基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)在各期的多路徑影響情況，對其中呂田站和五山站進(jìn)行分析，得到圖4的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，MP1為0.3 m左右，MP2在0.5 m以下，表明兩個(gè)基準(zhǔn)站周邊的觀測環(huán)境良好沒有發(fā)生大的變化。

圖4 呂田站和五山站多路徑效應(yīng)情況(a)呂田站;(b)五山站

3) 基線解算

基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)處理采用GAMIT進(jìn)行基線解算，解算以同步單天時(shí)段為單位進(jìn)行，每個(gè)時(shí)段求解時(shí)，主要考慮因素：衛(wèi)星鐘差的模型改正；接收機(jī)鐘差的模型改正；電離層折射影響；對流層折射的模型及折射量偏差參數(shù)的求解；衛(wèi)星和接收機(jī)天線相位中心改正；測站位置的潮汐改正；衛(wèi)星軌道改進(jìn)中使用的力模型，求解衛(wèi)星軌道初值和光壓參數(shù)；截止高度角(設(shè)置為15°)；采樣間隔為30 s；衛(wèi)星軌道誤差。

4) 平差計(jì)算

平差計(jì)算采用武漢大學(xué)GNSS中心編制的POWERNET科研版軟件進(jìn)行平差處理。在平差計(jì)算之前首先對各期基線向量的重復(fù)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其反映了基線解的內(nèi)部精度，是衡量基線解質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。整網(wǎng)的重復(fù)精度可用固定誤差和比例誤差兩部分表示，即

σ=a+bl，

(4)

式中：σ為分量的重復(fù)性精度指標(biāo)；a為分量的固定誤差；b為相對誤差;l為基線的長度，由分量的重復(fù)性進(jìn)行固定誤差與比例誤差的直線擬合得到。8期數(shù)據(jù)的每期數(shù)據(jù)都有28條重復(fù)基線，最長為130.8 km，最短為24.1 km，平均長度為54.2 km，各期的整體重復(fù)性精度統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 基線向量重復(fù)性統(tǒng)計(jì)表

表明各期的基線計(jì)算情況良好，其中水平方向的精度明顯優(yōu)于垂直方向的精度。其中長度方向的平均固定誤差為2.3 mm，比例誤差-0.2 ppm.按CJJ/T73-2010《衛(wèi)星定位城市測量技術(shù)規(guī)范》[7]的要求，對于CORS網(wǎng)，其固定誤差≤ 5 mm，比例誤差要≤1 ppm，由此可見，廣州CORS網(wǎng)各期的基線處理的精度達(dá)到了規(guī)范的要求，可以進(jìn)行平差計(jì)算。

5) 穩(wěn)定性分析

在得到廣州CORS站點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)間序列前，首先應(yīng)選定CORS網(wǎng)中相對穩(wěn)固的站點(diǎn)作為參考點(diǎn)。其中CORS基準(zhǔn)值中5個(gè)是基巖點(diǎn)，通過分析五山站和街口站作為基巖站，穩(wěn)定可靠?？梢宰鳛閰⒖颊军c(diǎn)進(jìn)行約束處理。通過平差后得到各站點(diǎn)的大地坐標(biāo)，通過高斯投影得到各點(diǎn)的平面坐標(biāo)。圖5示出了第二期后的各期成果與第一期(2006)的坐標(biāo)較差情況。

圖5 各期與第一期(2006)的坐標(biāo)較差情況(a)沙頭站； (b)新華站；(c)橫瀝站； (d)荔城站； (e)永和站； (f)呂田站

在平面上， 6個(gè)站點(diǎn)均有變化，在X方向上，變化最大的點(diǎn)位是沙頭站，往北方向移動8.0 mm，最小變化的是橫瀝站，往南方向移動約1.0 mm；在Y方向上，變化最大的點(diǎn)位是新華站，往東方向移動5.0 mm，最小變化點(diǎn)是永和站，往東方向移動1.0 mm；其他點(diǎn)均有大小不同的移動趨勢。

在大地高方向上，6個(gè)站點(diǎn)均有沉降變化。沉降最大的點(diǎn)位是沙頭站，達(dá)到45 mm，其他基準(zhǔn)站均有不同程度的周期性波動，總體趨勢是沉降的。

3 結(jié)束語

CORS基準(zhǔn)站網(wǎng)的穩(wěn)定性受該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造，地殼運(yùn)動，大氣層變化，衛(wèi)星接收設(shè)備的穩(wěn)定性等多種因素的影響[8-10]。通過廣州CORS系統(tǒng)穩(wěn)定性監(jiān)測的數(shù)據(jù)處理與分析，表明CORS系統(tǒng)各基準(zhǔn)站都存在不同程度的位移和沉降,其中沉降最大的點(diǎn)位是沙頭站，達(dá)到45 mm. 根據(jù)《衛(wèi)星定位城市測量技術(shù)規(guī)范》的要求，對于高程變化超過3 cm的基準(zhǔn)站需要對其坐標(biāo)進(jìn)行修正。以確保系統(tǒng)滿足網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)對參考站坐標(biāo)精度的要求[9]。另外，本文所提出的利用CORS系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域三維基準(zhǔn)維持以及CORS系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的方法，是可行的。隨著以后觀測數(shù)據(jù)的增多，基于CORS系統(tǒng)的城市坐標(biāo)基準(zhǔn)維持與穩(wěn)定性分析應(yīng)按照合適的周期進(jìn)行，用時(shí)間序列的分析方法做進(jìn)一步的研究，并注意不同周期之間季節(jié)溫差變化，采取合適的方法避免或減小其對大地高的影響。

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