基于HiCORS的高速公路高等級控制測量及精度分析

鄭 亮，王 晶，廖 佳，李圣明，李 林

（1.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430056；2.寧波市測繪設(shè)計研究院，浙江 寧波 315042）

近年來， CORS在我國得到了廣泛的應(yīng)用與推廣，CORS站逐漸取代傳統(tǒng)的高等級GPS控制點，成為區(qū)域高精度坐標(biāo)參考框架的主要維持手段[1]。在公路勘測中，主要使用CORS進行網(wǎng)絡(luò)RTK作業(yè)，快速采集地形特征點、線或進行施工放樣[2,3]，而利用CORS進行高等級控制測量的應(yīng)用案例還不多。本文結(jié)合海南中線高速公路勘測實例，介紹了HiCORS數(shù)據(jù)在高等級控制測量中的后處理方法，對基線解算和平差成果的精度進行了分析。

1 技術(shù)方案

海南中線瓊中-五指山-三亞（樂東）段高速公路（K120+000至K247+329）是海南省“十二五”期間重點公路建設(shè)項目。依據(jù)《公路勘測規(guī)范》[4]和設(shè)計施工要求，全線建立四等平面及高程控制網(wǎng)，其中GPS平面控制網(wǎng)采用2000國家大地坐標(biāo)系統(tǒng)，并提供海南白沙獨立坐標(biāo)系統(tǒng)和海南?？讵毩⒆鴺?biāo)系統(tǒng)成果。

按照“分級布網(wǎng)，逐級控制”的原則，沿線均勻布設(shè)三等GPS控制點18個；三等GPS控制點之間，平均每5 km布設(shè)一對相互通視的四等GPS控制點；四等GPS控制點之間加密一級GPS導(dǎo)線點，平均點間距約500 m。以上18個三等GPS控制點構(gòu)成四等平面控制網(wǎng)的框架網(wǎng)，并作為四等控制網(wǎng)的起算點。

GPS提供的是WGS84大地坐標(biāo)或空間直角坐標(biāo)，為了減少局部區(qū)域投影變形，工程測量一般采用地方獨立坐標(biāo)，即需要將WGS84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地方獨立坐標(biāo)。數(shù)據(jù)后處理要解決2個問題：①WGS84→CGCS2000；②WGS84→海南地方坐標(biāo)系。目前HiCORS在運行的基準(zhǔn)站有13個，基準(zhǔn)站間距在50～70 km，已向用戶提供CGCS2000坐標(biāo)服務(wù)。根據(jù)海南中線高速公路線位，利用樂東站、崖城站、白沙站、瓊中站、五指山站共5個HiCORS基準(zhǔn)站與GPS框架網(wǎng)構(gòu)成聯(lián)測網(wǎng)（如圖1所示），并作為GPS框架網(wǎng)的基準(zhǔn)，參與GPS框架網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)WGS84向CGCS2000的轉(zhuǎn)換。對于第二個問題，由于存在保密參數(shù)的制約，無法得到海南地方坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)，但是通過海南省測繪地理信息局提供的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換服務(wù)[5,6]，可將CGCS2000轉(zhuǎn)換到地方坐標(biāo)成果。因此，問題的關(guān)鍵在于解算GPS框架網(wǎng)在CGCS2000下的控制點成果。

2 數(shù)據(jù)整理

HiCORS基線解算處理采用GAMIT。GAMIT具有解算精度高、自動化處理程度高等優(yōu)點[7]。GAMIT使用的觀測數(shù)據(jù)為 RINEX格式，需要將GPS觀測數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，并將天線高歸算至天線相位中心。

由于GAMIT軟件是以d為單位，數(shù)據(jù)整理時，將所有的該時段觀測數(shù)據(jù)（包括O文件和N文件）放在一起，并進行以下數(shù)據(jù)正確性檢驗：

1）點號一致性與正確性：核實文件名中的點號和觀測文件中點號的一致性與正確性。

2）接收機與天線型號的正確性：根據(jù)GAMIT軟件對接收機與天線型號的要求，核實型號的正確性。

3）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化：使用隨機軟件標(biāo)準(zhǔn)化，形成觀測數(shù)據(jù)文件sitedays.yyo和廣播星歷文件sitedays.yyn，其中site為點位編碼，day為年積日，s為觀測時段號，yy為觀測年號，o為觀測數(shù)據(jù)，n為廣播星歷。文件名為小寫。

4）數(shù)據(jù)歸類：建立工程總目錄，然后按照時段號建立子目錄，將同一時段不同測站的RINEX數(shù)據(jù)拷貝至子目錄下。

5）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：下載所選取HiCORS基準(zhǔn)站的同步觀測數(shù)據(jù)和IGS提供的快速精密星歷。

3 基站控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理

3.1 基線解算

正確修正觀測數(shù)據(jù)中的跳周和刪除大殘差觀測值的數(shù)據(jù)編輯是GPS數(shù)據(jù)處理中的主要工作。數(shù)據(jù)編輯采用GAMIT軟件里的AUTCLN模塊自動運行。數(shù)據(jù)編輯工作完成后，生成干凈的觀測數(shù)據(jù)文件（X-文件），用于每時段基線的解算。求解的基線向量全部為雙差固定解。

1）先驗坐標(biāo)獲取。先驗坐標(biāo)采用差分的辦法獲得，即以HiCORS站為基準(zhǔn)站進行差分，求得GPS觀測站的先驗坐標(biāo)。

2）同步環(huán)閉合差。GPS同步環(huán)閉合差可反映一個同步環(huán)數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞。GAMIT軟件基線解算采用的是網(wǎng)解，因此同步環(huán)閉合差在基線解算時已經(jīng)進行了分配。對于GAMIT軟件基線解算的同步環(huán)檢核，可以把基線結(jié)果的Nrms值作為同步環(huán)質(zhì)量好壞的一個指標(biāo)，Nrms經(jīng)驗值應(yīng)小于0.25?？蚣芫W(wǎng)基線解算同步環(huán)精度如表1所示，表1中Nrms值均小于0.25，說明基線解算時周跳基本剔除。

3）重復(fù)基線。各時段向量的重復(fù)性反映了基線解的內(nèi)部精度，是衡量基線解質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。其定義為：

式中，n為同一基線的觀測時段總數(shù)；Ci為一個時段基線分量或邊長；σ2Ci為i時段相應(yīng)的Ci分量的方差；Cm為各時段的加權(quán)平均值。

同一基線和其各分量不同時段的較差應(yīng)滿足:

框架網(wǎng)基線解算共統(tǒng)計了30條重復(fù)基線，如表2所示?？蚣芫W(wǎng)相鄰點基線長的重復(fù)性優(yōu)于±12.6 mm，重復(fù)性均在規(guī)范限差內(nèi)，說明基線解的內(nèi)部精度十分可靠。

表1 框架網(wǎng)同步環(huán)Nrms統(tǒng)計表

表2 控制網(wǎng)基線重復(fù)性統(tǒng)計

4）異步環(huán)閉合差檢核。在科傻GPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中共統(tǒng)計了66個異步環(huán)，且都通過了質(zhì)量檢核，其坐標(biāo)分量閉合差、長度閉合差全部滿足規(guī)范要求。其中平均閉合環(huán)精度為0.11×10-6，最弱閉合環(huán)精度為0.35×10-6。最弱的閉合環(huán)為LEDO→BAIS→G426→LEDO，此閉合環(huán)的總長度為123 586.798 m，全長閉合差為0.043 m（限差為±0.373 m）。可見，框架網(wǎng)基線解算質(zhì)量十分可靠。

3.2 網(wǎng)平差

1）平差原則。網(wǎng)平差采用武漢大學(xué)開發(fā)的科傻GPS數(shù)據(jù)處理軟件。在CGCS2000坐標(biāo)系（參考框架為ITRF97，參考歷元為2000.0）下，約束樂東站（LEDO）和崖城站（YACH）兩個HiCORS基準(zhǔn)站，進行三維約束平差，求出框架網(wǎng)點的CGCS2000坐標(biāo)。

2） 無約束平差。三維無約束平差以樂東站（LEDO）作為固定點。平差后，最弱點G463點位中誤差為0.023 m；最弱邊G465→G466相對精度為10.01×10-6（1/100 000），其基線長度為499.716 m?？梢姡刂凭W(wǎng)的內(nèi)符合精度很高。

3） 約束平差。完成無約束平差后，以樂東站（LEDO）和崖城站（YACH）兩個HiCORS基準(zhǔn)站為已知點，采用CGCS2000坐標(biāo)系進行約束平差，平差后的點位精度如表3所示。

表3 控制網(wǎng)平差后點位精度表

3.3 精度分析

《公路勘測規(guī)范》規(guī)定，各等級平面控制網(wǎng)最弱點位中誤差不得大于±5 cm；三等平面控制測量精度中，最弱相鄰點邊長相對中誤差不得大于1/70 000。約束平差最弱點G463點位中誤差為0.034 m；平差后最弱邊 G459→G460相對精度為 11.23×10-6（1/89 000），其基線長度為419.970 m，完全滿足規(guī)范要求。

海南中線高速公路項目四等平面控制網(wǎng)布設(shè)GPS控制點64個，以框架網(wǎng)中的18個三等點作為平面起算數(shù)據(jù)，平差后最弱點點位中誤差為±2.78 cm，最弱邊相對邊長中誤差為1/41 000，優(yōu)于規(guī)范要求的±5.0 cm和1/35 000，滿足后續(xù)設(shè)計與施工要求。

4 結(jié) 語

將HiCORS基準(zhǔn)站應(yīng)用于控制網(wǎng)測量有以下技術(shù)優(yōu)勢：①GPS控制網(wǎng)和HiCORS基準(zhǔn)站構(gòu)成聯(lián)測網(wǎng)，經(jīng)過數(shù)據(jù)后處理，精度可以達到三等GPS平面精度要求；②HiCORS可以為各等級控制網(wǎng)提供全天候不間斷的起算基準(zhǔn)，用戶根據(jù)基準(zhǔn)站分布下載同步觀測數(shù)據(jù)即可進行基線解算和網(wǎng)平差；③HiCORS為GPS基線解算提供了高精度的起算坐標(biāo)，確保解算結(jié)果的可靠性；④控制網(wǎng)不需要聯(lián)測已知點，相對于常規(guī)GPS靜態(tài)測量，工作效率可提高30%；⑤HiCORS可提供全省一致的坐標(biāo)參考框架，適合于公路帶狀控制網(wǎng)大范圍、跨區(qū)域的協(xié)同作業(yè)。

[1]劉鴻飛,姜衛(wèi)平.CGCS2000框架下區(qū)域CORS站數(shù)據(jù)聯(lián)合處理[J].武漢大學(xué)學(xué)報:信息科學(xué)版,2014,39(2):161-165

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