我國(guó)高精度地心坐標(biāo)框架確定方法研究

張　鵬，李志才,孫占義，王　凡，陳現(xiàn)軍

(1. 國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心，北京 100830； 2. 導(dǎo)航與位置服務(wù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100830)

Research on Determining High Precision Geocentric Coordinate Reference

Frame in China

ZHANG Peng，LI Zhicai，SUN Zhanyi，WANG Fan，CHEN Xianjun

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我國(guó)高精度地心坐標(biāo)框架確定方法研究

張鵬1，2，李志才1，2,孫占義1，2，王凡1，2，陳現(xiàn)軍1，2

(1. 國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心，北京 100830； 2. 導(dǎo)航與位置服務(wù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100830)

Research on Determining High Precision Geocentric Coordinate Reference

Frame in China

ZHANG Peng，LI Zhicai，SUN Zhanyi，WANG Fan，CHEN Xianjun

摘要：基于我國(guó)現(xiàn)有國(guó)家GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)資源，提出了實(shí)現(xiàn)我國(guó)區(qū)域地心坐標(biāo)框架的方法，重點(diǎn)解決了數(shù)據(jù)處理過(guò)程中分區(qū)處理的方法和策略。首次提出了將國(guó)家基準(zhǔn)站分成7個(gè)區(qū)域進(jìn)行單天解處理，再進(jìn)行聯(lián)合平差的策略，以獲得高效、快速的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。將區(qū)域結(jié)果與全球結(jié)果進(jìn)行聯(lián)合平差，給出選取全球和我國(guó)區(qū)域框架點(diǎn)的原則，在此基礎(chǔ)上對(duì)單天解解算結(jié)果進(jìn)行坐標(biāo)參考框架轉(zhuǎn)換，得到穩(wěn)定可靠的全球和區(qū)域解結(jié)果，實(shí)現(xiàn)我國(guó)地心坐標(biāo)框架的精確確定。

關(guān)鍵詞：地心坐標(biāo)框架；基準(zhǔn)站；數(shù)據(jù)處理；聯(lián)合平差

一、引言

建立和維持高精度、三維動(dòng)態(tài)的國(guó)家地心坐標(biāo)參考框架是國(guó)家測(cè)繪地理信息局的一項(xiàng)重要任務(wù)。我國(guó)從2008年7月1日起正式啟用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系統(tǒng)(CGCS2000)作為國(guó)家法定的坐標(biāo)系，作為我國(guó)新一代的平面基準(zhǔn)。其坐標(biāo)框架由兩部分組成:一是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)國(guó)家級(jí)連續(xù)運(yùn)行站網(wǎng)，主要由30個(gè)左右的國(guó)家級(jí)GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)組成；二是國(guó)家高精度大地控制網(wǎng)，一共有2542個(gè)GPS網(wǎng)點(diǎn)[1]。隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)及相關(guān)重大項(xiàng)目的組織實(shí)施，我國(guó)GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站總規(guī)模已經(jīng)達(dá)到2500站，其中國(guó)家級(jí)基準(zhǔn)站約410個(gè)(主要包括基準(zhǔn)工程360站及927工程50站)，省級(jí)基準(zhǔn)站約2000個(gè)。410個(gè)國(guó)家級(jí)GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站均勻覆蓋我國(guó)陸域國(guó)土，將成為維持我國(guó)CGCS2000坐標(biāo)系的主體?？紤]到數(shù)據(jù)處理策略及方法的不同，本文將主要研究基于這410個(gè)國(guó)家站建立和實(shí)現(xiàn)我國(guó)區(qū)域地心坐標(biāo)框架的理論方法。

二、總體方法研究

國(guó)家地心坐標(biāo)框架的確定主要涉及GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)處理技術(shù)。GNSS高精度數(shù)據(jù)處理技術(shù)已日益成熟，相關(guān)的國(guó)際組織基于全球分布的IGS站完成了ITRF2000、2005、2008的全球框架實(shí)現(xiàn)工作[2-4]。本研究將立足于成熟的GNSS數(shù)據(jù)處理技術(shù)，基于數(shù)據(jù)處理的連續(xù)性、可靠性、穩(wěn)定性等進(jìn)行區(qū)域地心坐標(biāo)框架的研究工作，重點(diǎn)包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、單日數(shù)據(jù)處理和平差計(jì)算3大部分。其中數(shù)據(jù)預(yù)處理的目的是確保數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、質(zhì)量可靠，剔除錯(cuò)誤信息等。單日數(shù)據(jù)處理主要由每站每日的GNSS載波相位觀測(cè)量計(jì)算獲得測(cè)站和衛(wèi)星軌道的單日區(qū)域松弛解，給出區(qū)域測(cè)站、極移和衛(wèi)星等參數(shù)的松弛解和方差-協(xié)方差矩陣，是下一步平差的準(zhǔn)觀測(cè)值，由于牽涉大網(wǎng)處理，將提出切實(shí)可行的分區(qū)處理方案。網(wǎng)平差是區(qū)域框架實(shí)現(xiàn)的最終步驟，將對(duì)區(qū)域結(jié)果與全球結(jié)果進(jìn)行聯(lián)合平差，根據(jù)一定原則研究選取全球和我國(guó)區(qū)域框架點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上對(duì)自由網(wǎng)解算結(jié)果進(jìn)行坐標(biāo)參考框架轉(zhuǎn)換，得到最終的全球和區(qū)域解結(jié)果。

三、數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理的目的是數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤校驗(yàn)等。數(shù)據(jù)處理主要采用基于觀測(cè)量的雙差處理模式，當(dāng)基準(zhǔn)站多路徑較大或其他原因造成數(shù)據(jù)質(zhì)量不好時(shí)，可能會(huì)影響其他基準(zhǔn)站的解算成果，因此需對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。利用TEQC軟件，可檢查評(píng)估觀測(cè)數(shù)據(jù)多路徑效應(yīng)及周跳數(shù)，如MP1或MP2大于0.5，需根據(jù)具體情況分析判斷該站是否進(jìn)入下一步數(shù)據(jù)處理流程。

GNSS高精度數(shù)據(jù)處理時(shí)需根據(jù)測(cè)站信息文件獲取基準(zhǔn)站的接收機(jī)型號(hào)及固件版本號(hào)，并據(jù)此判定每個(gè)通道的觀測(cè)數(shù)據(jù)類型。高精度數(shù)據(jù)處理時(shí)還需考慮天線相位中心改正模型，不同的相位中心改正模型可能造成厘米級(jí)的定位誤差。為避免上述誤差的出現(xiàn)，提高定位的精度，每日的計(jì)算中需要檢查的測(cè)站的頭文件信息主要包括：測(cè)站信息正確性的檢驗(yàn)，如測(cè)站點(diǎn)名一致性與正確性；接收機(jī)與天線型號(hào)的信息檢查；天線高量取的正確性檢查，以及天線高歸算至相對(duì)應(yīng)的參考位置檢查。

四、單日數(shù)據(jù)處理

單日數(shù)據(jù)處理主要由每站每天的GNSS載波相位觀測(cè)量計(jì)算測(cè)站位置、接收機(jī)鐘差與衛(wèi)星鐘差、GNSS衛(wèi)星軌道參數(shù)、大氣延遲參數(shù)、地球定向參數(shù)EOP等多種未知數(shù)。在解算中對(duì)各參數(shù)都給予了松弛的約束，最終獲得測(cè)站和衛(wèi)星軌道的單日區(qū)域松弛解，該單日解給出了區(qū)域測(cè)站、極移和衛(wèi)星等參數(shù)的松弛解和方差-協(xié)方差矩陣，是下一步平差的準(zhǔn)觀測(cè)值。

1. 數(shù)據(jù)處理模型策略

GNSS定位精度的提高源于兩個(gè)方面：一方面是衛(wèi)星系統(tǒng)的改進(jìn)、完善和接收技術(shù)的進(jìn)步；另一方面是數(shù)據(jù)處理中所涉及的各種模型的精化和地球參考框架的改進(jìn)。在數(shù)據(jù)處理中，誤差的消除或減弱通常采用模型改正或附加參數(shù)估計(jì)的方法。隨著衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，以及對(duì)GNSS定位誤差源的認(rèn)知不斷深入，這些模型和方法經(jīng)歷著一個(gè)不斷完善和精化的過(guò)程。在GNSS數(shù)據(jù)處理中，每一個(gè)方法、模型和框架的改變都會(huì)對(duì)定位結(jié)果產(chǎn)生影響，為了減少這些對(duì)定位結(jié)果的影響，應(yīng)盡可能采用更準(zhǔn)確的物理模型。

衛(wèi)星軌道采用軌道松弛模式，在估算測(cè)站位置的同時(shí), 還允許衛(wèi)星軌道(IGS精密星歷)和地球自轉(zhuǎn)參數(shù)(Bull_A)有微量的調(diào)整，同時(shí)參數(shù)估計(jì)衛(wèi)星天線的徑向偏差。

大氣折射模型采用SAAS模型[5]計(jì)算對(duì)流層天頂?shù)母?、濕延遲分量的初始值，同時(shí)每個(gè)測(cè)站每2個(gè)小時(shí)估計(jì)1個(gè)天頂延遲參數(shù)，氣象數(shù)據(jù)由GPT模型[6]獲得，映射函數(shù)采用GMF模型； 同時(shí)還對(duì)每個(gè)測(cè)站的東西向和南北向各附加一個(gè)大氣水平梯度參數(shù)估計(jì)。

數(shù)據(jù)處理中采用的地球重力場(chǎng)、固體潮和極潮模型都遵循IERS2003規(guī)范[4]。海潮引發(fā)的測(cè)站地殼形變改正采用最新的全球海潮模型FES2004[4]，并同時(shí)顧及海潮導(dǎo)致的地球質(zhì)心變化。

綜上所述，對(duì)大腸癌合并糖尿病圍手術(shù)期患者實(shí)施腸外營(yíng)養(yǎng)支持及綜合護(hù)理干預(yù)，能縮短患者進(jìn)食及排氣時(shí)間，有利于控制血糖穩(wěn)定，對(duì)患者愈合具有重要意義，值得臨床應(yīng)用。

觀測(cè)量的隨機(jī)模型：數(shù)據(jù)的觀測(cè)誤差主要源于信號(hào)的多路徑效應(yīng)和大氣對(duì)流層的折射誤差，這些誤差是與衛(wèi)星的截止高度角密切相關(guān)的，為此采用了依據(jù)衛(wèi)星截止高度角確定觀測(cè)誤差的隨機(jī)模型方法，即數(shù)據(jù)誤差為衛(wèi)星截止高度角的函數(shù)，函數(shù)系數(shù)由數(shù)據(jù)驗(yàn)后殘差擬合確定。

2. 子網(wǎng)劃分策略

由于全球及全國(guó)每日需要聯(lián)合處理的站數(shù)超過(guò)400站，考慮到軟件數(shù)據(jù)處理能力，本文提出將全球、中國(guó)大陸測(cè)站劃分為不同子網(wǎng)分別處理，然后通過(guò)公共聯(lián)系點(diǎn)綁定在一起。因此，針對(duì)數(shù)據(jù)軟件單日處理能力，提出以下子網(wǎng)劃分方案：

綜合考慮中國(guó)大陸板塊分布、國(guó)際及國(guó)內(nèi)早期GNSS基準(zhǔn)站點(diǎn)地理位置和站點(diǎn)數(shù)量，以及國(guó)家基準(zhǔn)網(wǎng)410個(gè)基準(zhǔn)站的分布密度，按照東北區(qū)、華北區(qū)、華中區(qū)、華南區(qū)、西部區(qū)和新藏區(qū)劃分為6個(gè)分區(qū)。這樣劃分的優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)分區(qū)的基準(zhǔn)站分布密度相同，周邊相鄰IGS和早期地殼網(wǎng)絡(luò)的基準(zhǔn)站分布及數(shù)量利用相對(duì)合理，每個(gè)分區(qū)測(cè)站數(shù)量基本上控制在70～80站。

3. 單日數(shù)據(jù)處理方案

東北區(qū)、華北區(qū)、華中區(qū)、華南區(qū)、西部區(qū)和新藏區(qū)在單日解算時(shí)，每個(gè)子網(wǎng)中都加入了子網(wǎng)覆蓋區(qū)域及周邊的地殼網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站。地殼網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站及20個(gè)IGS站形成一個(gè)分區(qū)，共7個(gè)分區(qū)，形成單日解h文件(hngcc01、hngcc02、…、hngcc07)。

各子網(wǎng)加入其附近及周邊地殼網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站主要顧及以下因素：①目前地殼網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站經(jīng)過(guò)多年連續(xù)觀測(cè)，已經(jīng)具備較好的坐標(biāo)和速度成果，可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域坐標(biāo)參考框架控制；②建立各子網(wǎng)之間聯(lián)系，在各子網(wǎng)之間增加公共點(diǎn)，便于后續(xù)各子網(wǎng)的合并；③由于地殼網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站已知其精確坐標(biāo)，在解算中對(duì)其給予約束，可保證解算過(guò)程中能快速、正確解算模糊度，提高解算精度并加快解算速度。

IGS站與地殼網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站單獨(dú)分區(qū)的目的是將我國(guó)區(qū)域解算結(jié)果與全球解合并，以實(shí)現(xiàn)將解算結(jié)果轉(zhuǎn)換到全球坐標(biāo)參考框架下。各分區(qū)站點(diǎn)組成見(jiàn)表1。

表1　各分區(qū)站點(diǎn)組成

五、整體平差計(jì)算

利用相應(yīng)軟件將圣地亞哥海洋研究所軌道中心(SOPAC)產(chǎn)出的全球IGS跟蹤站的7個(gè)單日松弛解(IGS1—IGS7)和每天的各個(gè)子網(wǎng)單日松弛解文件通過(guò)公共參數(shù)(公共測(cè)站位置參數(shù)和衛(wèi)星軌道參數(shù))進(jìn)行合并，得到一個(gè)包含所有IGS測(cè)站、基準(zhǔn)網(wǎng)測(cè)站、極移和衛(wèi)星參數(shù)的松弛解及方差-協(xié)方差矩陣，即每日整體單日松弛解。整體單日松弛解是下一步平差計(jì)算的準(zhǔn)觀測(cè)值。

整體單日松弛解中保持了整網(wǎng)內(nèi)部測(cè)站之間相對(duì)位置的準(zhǔn)確性，類似無(wú)基準(zhǔn)的自由網(wǎng)解，再通過(guò)參考框架的實(shí)現(xiàn)，即可得到全球框架下站點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)間序列。

1. 全球框架站選取

為得到國(guó)家GNSS基準(zhǔn)站點(diǎn)在ITRF2008框架下的坐標(biāo)和速度，需要對(duì)全球框架站點(diǎn)的選取進(jìn)行合理、嚴(yán)密的分析。在平差中擬選取92個(gè)國(guó)際站作為框架站，選取步驟為:首先利用站點(diǎn)時(shí)間序列等資料按照一定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各臺(tái)站的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析，并對(duì)測(cè)站進(jìn)行初步篩選；其次利用七參數(shù)法對(duì)初選臺(tái)站進(jìn)行精選；然后對(duì)精選的測(cè)站進(jìn)行監(jiān)督分類；最后采用分級(jí)柵格化的方法使臺(tái)站在全球的分布符合均勻化的原則。

2. 平差策略

整網(wǎng)采取無(wú)約束平差，即平差過(guò)程中對(duì)站點(diǎn)和衛(wèi)星均采用松弛約束，進(jìn)行“無(wú)基準(zhǔn)”平差。實(shí)現(xiàn)參考框架的方法有約束法和相似變換法。

采用約束法需要比較清楚地了解參考點(diǎn)的實(shí)測(cè)精度，即參考點(diǎn)的實(shí)測(cè)結(jié)果與ITRF或其IGS實(shí)現(xiàn)的基準(zhǔn)值間的差異，并以此對(duì)參考點(diǎn)的位置和速度參數(shù)施加約束。不合理的約束將導(dǎo)致GNSS站點(diǎn)間的相對(duì)位置關(guān)系發(fā)生畸變，而且這種畸變與參考點(diǎn)的分布相關(guān)，即距參考點(diǎn)越近的地方畸變?cè)酱?。約束法通常適用于獨(dú)立的區(qū)域性應(yīng)用(該區(qū)域只有少數(shù)參考點(diǎn))或速度基準(zhǔn)的確定。

相似變換法是目前更通行的方法，不僅能夠完全維持GNSS站點(diǎn)間的相對(duì)關(guān)系不變，而且還能很好地消除地表質(zhì)量再分配所導(dǎo)致的地球質(zhì)心的變化。因此，本方案設(shè)計(jì)選擇七參數(shù)的相似變換方法實(shí)現(xiàn)參考框架，即通過(guò)全球框架站求取整體單日松弛解到ITRF2008框架下的七參數(shù)，單日松弛解經(jīng)過(guò)七參數(shù)變換，實(shí)現(xiàn)整體平移、旋轉(zhuǎn)、縮放至ITRF2008框架基準(zhǔn)下。

3. 國(guó)家GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)平差

進(jìn)行整網(wǎng)的無(wú)約束平差，即平差過(guò)程中對(duì)站點(diǎn)和衛(wèi)星均采用松弛約束，利用序貫卡爾曼濾波，允許每一個(gè)單日松弛解有整體的平移、旋轉(zhuǎn)和縮放，同時(shí)允許測(cè)站位置有隨機(jī)漫步噪聲，將無(wú)約束平差結(jié)果旋轉(zhuǎn)至ITRF2008框架中。ITRF2008框架是通過(guò)用已選取的全球分布的多個(gè)IGS站為框架站實(shí)現(xiàn)的，框架站點(diǎn)的控制信息采用IERS發(fā)布的相應(yīng)站點(diǎn)在ITRF2008框架下的坐標(biāo)與速度值。

此外，本研究重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)我國(guó)的區(qū)域地心坐標(biāo)框架成果，提供我國(guó)CGCS2000坐標(biāo)系下的基準(zhǔn)站坐標(biāo)時(shí)間序列，具體實(shí)現(xiàn)原理及方法同上。CGCS2000框架通過(guò)我國(guó)周邊及內(nèi)部20個(gè)IGS基準(zhǔn)站及地殼網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站實(shí)現(xiàn)，框架點(diǎn)的控制信息采用CGCS2000下的坐標(biāo)及速度值。

六、基準(zhǔn)控制及精度統(tǒng)計(jì)分析

1. 單日解數(shù)據(jù)處理精度

單日數(shù)據(jù)處理結(jié)果的計(jì)算質(zhì)量可以用NRMS值來(lái)評(píng)定，通常認(rèn)為NRMS約為0.25周時(shí)，解算結(jié)果較合理。NRMS過(guò)小，表明解算時(shí)給予的約束過(guò)松；NRMS大于0.5，表明解算時(shí)可能有整周模糊度固定錯(cuò)誤或存在其他模型參數(shù)解算錯(cuò)誤等問(wèn)題。以2012年中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)260站數(shù)據(jù)處理為例，每日解算結(jié)果的NRMS值在0.20周以下(如圖1所示)，說(shuō)明單天解的計(jì)算精度較好，精度均符合要求，可以作為下步網(wǎng)平差的基礎(chǔ)。

圖1　2012年度單天解數(shù)據(jù)處理精度統(tǒng)計(jì)

2. 網(wǎng)平差數(shù)據(jù)處理精度

對(duì)平差結(jié)果精度的綜合分析是保證數(shù)據(jù)處理成果可靠性的重要方法，通常用來(lái)衡量結(jié)果精度的重要指標(biāo)是單日解基線或坐標(biāo)重復(fù)性。利用該模型計(jì)算陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)260站2011—2013年的平差結(jié)果，相應(yīng)的精度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。從表2可以看出，計(jì)算精度基本在1 cm以內(nèi)，說(shuō)明平差的精度非常高，可基本滿足要求。

表2　陸態(tài)網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)平差精度　mm

七、結(jié)束語(yǔ)

本文基于我國(guó)現(xiàn)有國(guó)家GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)資源，提出了實(shí)現(xiàn)我國(guó)區(qū)域地心坐標(biāo)框架的方法，重點(diǎn)解決了數(shù)據(jù)處理過(guò)程中分區(qū)處理的方法和策略。首次提出將國(guó)家基準(zhǔn)站分成7個(gè)區(qū)域進(jìn)行單天解處理， 再進(jìn)行聯(lián)合平差的策略，以獲得高效、快速的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。將區(qū)域結(jié)果與全球結(jié)果進(jìn)行聯(lián)合平差，給出選取全球和我國(guó)區(qū)域框架點(diǎn)的原則，在此基礎(chǔ)上對(duì)單天解解算結(jié)果進(jìn)行了坐標(biāo)參考框架轉(zhuǎn)

換，得到了穩(wěn)定可靠的全球和區(qū)域解結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)地心坐標(biāo)框架的精確確定。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：張鵬(1973—)，男，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榇蟮販y(cè)量與衛(wèi)星導(dǎo)航。E-mail：zcli@nsdi.gov.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家863科技計(jì)劃(2013AA122501)；國(guó)家自然科學(xué)基金(41274030)；國(guó)家測(cè)繪地理信息局公益性行業(yè)專項(xiàng)(201512001)

收稿日期：2014-10-26; 修回日期： 2015-04-05

中圖分類號(hào)：P226

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2015)12-0001-04

引文格式： 張鵬，李志才，孫占義，等. 我國(guó)高精度地心坐標(biāo)框架確定方法研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2015(12)：1-4.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.364