珠海市陸海統(tǒng)一高精度GNSS控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理與精度評估方法研究

丁建勛，胡冬芽，馬德富，高春輝

(珠海市測繪院，廣東 珠海 519015)

?

珠海市陸海統(tǒng)一高精度GNSS控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理與精度評估方法研究

丁建勛，胡冬芽，馬德富，高春輝

(珠海市測繪院，廣東 珠海 519015)

Data Processing and Precision Analysis of Terrestrial and Marine Unified High Precision GNSS Control Network of Zhuhai

DING Jianxun，HU Dongya，MA Defu，GAO Chunhui

摘要：珠海市陸海統(tǒng)一GPS控制網(wǎng)包括由12個CORS站組成的框架網(wǎng)和由66個C級點組成的C級網(wǎng)。本文采用GAMIT/GLOBK軟件，應(yīng)用不同的數(shù)據(jù)處理策略對框架網(wǎng)和C級網(wǎng)進行了數(shù)據(jù)處理，主要分兩步完成：①以IGS站為基準處理框架網(wǎng)；②以框架網(wǎng)為基準處理C級網(wǎng)。最后采用GLOBK平差得到控制網(wǎng)在CGCS2000和GDCORS坐標框架下的三維坐標。通過對基線解算后的NRMS值、重復(fù)性、中誤差及平差后測站點位中誤差的分析和探討，總結(jié)了一套市級高精度GPS控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理與精度評估方法。

關(guān)鍵詞：GNSS控制網(wǎng)；精度評估；精密數(shù)據(jù)處理

珠海市陸?？偯娣e約7653 km2，其中陸地面積約1688 km2，海域面積約5965 km2。全市共有大小島嶼146個，海島總面積超過240 km2。其海域面積是陸地面積的近5倍，地貌類型有山地、丘陵、平原和海島。陸地地勢平緩，倚山傍海，自西北向東南傾斜。為滿足珠海市陸海統(tǒng)一似大地水準面精化的需要，按照統(tǒng)一規(guī)劃、整體設(shè)計的原則，以新建的珠海北斗CORS(ZHBDCORS)和珠海及周邊的廣東CORS(GDCORS)基準站為基礎(chǔ)，將陸域基礎(chǔ)控制網(wǎng)拓展至珠海所覆蓋的主要島嶼，布設(shè)了覆蓋全市陸海統(tǒng)一的，集平面、高程、重力場信息于一體的綜合性基礎(chǔ)控制網(wǎng)，形成由大地基準、高程基準等組成的珠海市陸海統(tǒng)一的現(xiàn)代測繪基準體系。本文以珠海市陸海統(tǒng)一高精度GNSS控制網(wǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，探討了陸海統(tǒng)一的高精度GNSS控制網(wǎng)基線數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)，為今后建立陸海統(tǒng)一的控制網(wǎng)提供了有益的技術(shù)參考。

一、GNSS網(wǎng)布設(shè)

根據(jù)設(shè)計原則，在珠海市設(shè)計建立了由66個C級點構(gòu)成的GPS C級網(wǎng),獨立基線的平均長度為5～8 km；框架網(wǎng)由12個CORS站(BOSH、DMGH、DMGT、DONA、FUSH、GUIS、JWGT、NLGT、QIAO、SCHY、WALD、ZHGT，其中NLGT為廣東省CORS基準站，其余11個站為珠海CORS基準站)構(gòu)成。

每個C級點至少觀測2個時段，每個時段至少4 h。對于框架網(wǎng)，則收集了13 d連續(xù)運行的觀測收據(jù)。

二、基線處理

本文以珠海市陸海統(tǒng)一高精度GPS控制網(wǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用GAMIT/GLOBK軟件[1-2],數(shù)據(jù)處理分兩步完成：①引入全球跟蹤站，并將這些國際永久跟蹤站作為GPS框架網(wǎng)(12個CORS站)基線解算的約束基準；②以CORS站為基準解算C級網(wǎng)。

GAMIT/GLOBK軟件采用雙差觀測值解算，可以確定地面站的三維坐標，以及對空中飛行物定軌，在利用精密星歷的情況下，基線解的相對精度能夠達到10-9左右，是世界上最優(yōu)秀的GPS軟件之一。我國A、B級GPS網(wǎng)的基線解算就是采用該軟件進行的[3]。基線的解算以同步時段為單位進行，每個時段求解時，主要考慮如下因素：

1) 衛(wèi)星鐘差的模型改正(采用廣播星歷中的鐘差參數(shù))。

2) 接收機鐘差的模型改正(采用根據(jù)偽距觀測值計算出的鐘差)。

3) 電離層折射影響用LC觀測值消除。

4) 對流層折射根據(jù)標準大氣模型用薩斯坦莫寧(Saastamoinen)模型改正，框架網(wǎng)采用分段線形的方法估算折射量偏差數(shù)，C級網(wǎng)基線較短，主要采用雙差方法來削弱對流層延遲誤差的影響。

5) 衛(wèi)星和接收機天線相位中心改正，接收機天線L1、L2相位中心偏差采用GAMIT軟件的設(shè)定值。

6) 測站位置的潮汐改正。

7) 截止高度角為15°，歷元間隔為30 s。

按照上述數(shù)據(jù)處理策略，分兩步來對GPS控制網(wǎng)進行處理，首先處理GPS框架網(wǎng)(CORS站組成)，然后以框架網(wǎng)為基準處理C級網(wǎng)。

1. 框架網(wǎng)(CORS站)基線處理

GPS框架網(wǎng)由12個基準站組成，觀測時間為2014年4月13—18日，以及2014年6月22—28日，共13 d，每天24 h的數(shù)據(jù)，采用雙頻接收機，采樣率30 s，每個測站觀測時段數(shù)大于2，數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量良好。

在GPS精密相對定位數(shù)據(jù)處理中，定位的基準是由衛(wèi)星星歷和基準站坐標共同給出的。由于衛(wèi)星精密星歷的參考框架是ITRF，因此為了得到高精度的GPS框架網(wǎng)的基線處理結(jié)果，采用精密星歷的同時還需引入高精度的IGS站作為起算點以減少由于星歷和起算點誤差對基線解算的影響[4]。在該GPS框架網(wǎng)處理中引入了中國及其周邊的11個全球跟蹤站(BJFS、URUM、USUD、WUHN、POL2、KIT3、SHAO、TNML、LHAZ、CHAN、SUWN)作為基線解算的約束基準，并同時考慮軌道誤差的影響，對軌道施加緊約束。

2. C級網(wǎng)基線處理

C級網(wǎng)由66個點組成，同步圖形之間采用邊連接或網(wǎng)連接，作業(yè)模式為靜態(tài)定位，觀測要求見表1。觀測于2014年4月11日—4月28日進行，采用的接收機為高精度Trimble GPS雙頻接收機，天線類型有ASH701945C_M、TRM29659.00和TRM59800.00，外業(yè)觀測質(zhì)量良好。

表1　C級網(wǎng)觀測要求

C級網(wǎng)的基線處理方案基本與框架網(wǎng)的方案相同。不同之處說明如下：

1) C級網(wǎng)的起算點為框架網(wǎng),對于整個GPS網(wǎng)，先從有框架點的同步觀測網(wǎng)開始解算，解算時，將框架點坐標作為松馳的坐標基準，然后用推算得到的未知測站的坐標作為基準來解算相鄰的同步觀測網(wǎng)，乃至整個GPS控制網(wǎng)。框架網(wǎng)起算點地心坐標緯度、經(jīng)度、矢徑的松馳量分別為0.050、0.050、0.100 m。

2) 歷元間隔為10 s，且不考慮衛(wèi)星軌道誤差，即固定IGS軌道。

三、基線解算質(zhì)量評估方法

1. 同步環(huán)檢核

GAMIT基線處理結(jié)果保存在解算成功后所生成的o文件中，由于GAMIT軟件采用的是網(wǎng)解(即全組合解)，其同步環(huán)閉合差在基線解算時已經(jīng)進行了分配。對于GAMIT軟件的基線解，可以把基線解的標準化的均方根誤差(normalized root mean square,NRMS)值作為同步環(huán)質(zhì)量好壞的一個指標[5]。一般認為NRMS值在0.12～0.50之間是合理的[6],若大于0.5，則表明該解算結(jié)果不可靠。

框架網(wǎng)共有13個時段，各個時段解算結(jié)果的NRMS值均在0.16～0.18之間，最小的為0.160，最大的為0.177，如圖1所示。C級網(wǎng)計算了49個時段，NRMS值全部小于0.5，大于0.3的有10個，最大的為0.404，如圖2所示?？傮w來說，GPS網(wǎng)的整體外業(yè)觀測質(zhì)量較高，基線解的精度較好。

圖1　框架網(wǎng)NRMS值分布圖

圖2　C級網(wǎng)NRMS值分布圖

2. 重復(fù)基線

各時段解向量的重復(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[7]。其定義為

(1)

σ=a+bl

(2)

式中，σ為各分量的重復(fù)性精度指標；a為各分量的固定誤差，b為相對誤差；l為基線的長度，由各重復(fù)基線分量的重復(fù)性進行固定誤差與比例誤差的線性擬合得到。

框架網(wǎng)共有重復(fù)基線309條，各條基線的重復(fù)性分析如圖3和表2所示。由圖3和表2可知，框架網(wǎng)所有基線向量的重復(fù)性在南北分量(N)的平均值為2.7mm,最大值為8.7mm，95%以上都在6mm以內(nèi)；在東西分量(E)的平均值為3.5mm，最大值14.9mm，99%的重復(fù)性都在12mm以內(nèi)；高程分量(U)的重復(fù)性最差，平均值為7.3mm，最大值16.3mm，97%以上都在12mm以內(nèi)；基線長度(L)的重復(fù)性平均值為3.3mm，最大值14.7mm，99%以上都在12mm以內(nèi)。

圖3　框架網(wǎng)各條基線的重復(fù)性

區(qū)間NEUL0.0～6.095.5%84.1%30.1%88.3%6.1～12.04.5%14.9%67.3%11.0%12.1～18.00.0%1.0%2.6%0.7%mean/mm2.73.57.33.3max/mm8.714.916.314.7

C級網(wǎng)共有重復(fù)基線349條，各條基線的重復(fù)性分析如圖4和表3所示。由圖4和表3可知，C級網(wǎng)所有基線向量的重復(fù)性在南北分量的平均值為2.4 mm,最大值為8.2 mm，95%以上的重復(fù)性都在6 mm以內(nèi)；在東西分量的平均值為2.6 mm，最大值14.4 mm，93%以上的重復(fù)性都在6 mm以內(nèi)；高程分量的重復(fù)性最差，平均值為9.1 mm，最大值33.0 mm，92%以上的重復(fù)性都在18 mm以內(nèi)；基線長度的重復(fù)性平均值為2.4 mm，最大值11.1 mm，93%以上的重復(fù)性都在6 mm以內(nèi)。

圖4　C級網(wǎng)各條基線的重復(fù)性

進一步以各條重復(fù)基線的重復(fù)性為觀測值，用線性擬合分別求得框架網(wǎng)和C級網(wǎng)整網(wǎng)重復(fù)性的常數(shù)部分和與邊長成比例的部分，結(jié)果見表4。由表4可知，整個框架網(wǎng)的基線重復(fù)性在南北分量、東西分量和基線長度上的常數(shù)部分均小于2 mm，垂直分量重復(fù)性的常數(shù)部分最大為7.13 mm。整個C級網(wǎng)的基線重復(fù)性，在南北分量、東西分量和基線長度上的常數(shù)部分均小于3 mm，垂直分量重復(fù)性的常數(shù)部分最大，為7.96 mm。由此可知，無論是框架網(wǎng)還是C級網(wǎng)，基線解算精度都較高。

表3　C級網(wǎng)基線重復(fù)性的統(tǒng)計信息

表4　整網(wǎng)基線向量重復(fù)性統(tǒng)計表

3. 中誤差

框架網(wǎng)共解算得到1812條基線，解算結(jié)果的中誤差如圖5所示。由圖5可知，框架網(wǎng)基線解算的中誤差在東西分量、南北分量和長度分量上均小于10 mm，高程分量的中誤差最大，最大值為16 mm，并且整網(wǎng)的解算精度比較穩(wěn)定，解算中誤差在各分量上未出現(xiàn)較大波動。C級網(wǎng)共解算得到868條基線，解算結(jié)果的中誤差如圖6所示。由圖6可知，C級網(wǎng)基線解算的中誤差在南北分量和長度分量上均小于5 mm,在東西分量上最大值為10.9 mm，同樣在高程分量上解算的中誤差最大，最大值為18.8 mm?？蚣芫W(wǎng)與C級網(wǎng)相比，單就解算的中誤差而言，C級網(wǎng)在南北分量和東西分量上的中誤差要小于框架網(wǎng)，這是由于C級網(wǎng)的基線長度要遠遠小于框架網(wǎng)的基線長度，測站間的空間相關(guān)性較強，GAMIT采用雙差模式能消除大部分誤差。但是在高程分量上，雖然框架網(wǎng)和C級網(wǎng)的解算精度相當，但是C級網(wǎng)解算的中誤差波動性較大，解算結(jié)果的穩(wěn)定性沒有框架網(wǎng)好，這主要是由于對流層延遲誤差造成的，而且對流層延遲誤差是影響高程方向解算精度的一個主要因素，雖然C級網(wǎng)的站間距較近，采用雙差可以削弱大部分對流層誤差的影響，但這必須依賴一個前提條件：同步觀測的兩測站外部觀測環(huán)境相近或相似(包括兩測站的高程、氣象元素等)。實際作業(yè)中，很難保證每對同步觀測的測站都滿足這一前提條件；而如果采用每隔一段時間引入一個對流層參數(shù)而加以估計來削弱對流層誤差影響的方法，由于C級點觀測時間短，引入過多的參數(shù)又會降低解算精度，影響解算質(zhì)量。以上原因?qū)е翪級點某些時段解算的不穩(wěn)定。而框架網(wǎng)的測站是連續(xù)跟蹤站，每天觀測24 h，觀測時間長，可以采用每隔2 h估計一個對流層參數(shù)的方法，可以很好地削弱對流層延遲誤差的影響[8]。

圖5　框架網(wǎng)基線解算的中誤差

由以上分析可知，在經(jīng)過精化處理后，控制網(wǎng)和C級網(wǎng)的NRMS值、基線重復(fù)性和解算中誤差的精度都較高，基線處理精度完全滿足技術(shù)設(shè)計的要求。

圖6　C級網(wǎng)基線解算的中誤差

四、網(wǎng)平差處理及精度分析

為了獲得統(tǒng)一基準下觀測點的坐標，將上述獲得的基線(包括框架網(wǎng)、C級網(wǎng))采用GLOBK軟件進行整體平差。平差時采用GAMIT軟件在基線解算完成后所生成的H-file(包括坐標和坐標之間的全協(xié)方差陣)作為觀測量，共采用62個固定解。根據(jù)設(shè)計要求，要平差得到CGCS2000坐標系和GDCORS(廣東CORS坐標框架)兩套坐標系下的成果。兩套坐標系下的平差基準是以在珠海市及周邊的4個CORS站(ZHGT/JWGT/DMGT/NLGT，如圖7中的五角星)為起算基準，得到其他CORS站和C級點在CGCS2000坐標系和GDCORS坐標系下的坐標。

約束整體平差的目的是將CORS網(wǎng)和C級網(wǎng)重新作整體平差。將CORS網(wǎng)、C級網(wǎng)所有獨立基線向量及經(jīng)調(diào)整后的協(xié)方差陣作為觀測量，平差時應(yīng)消除因星歷和網(wǎng)的傳遞誤差引起的整網(wǎng)在尺度和方向上的系統(tǒng)性偏差。平差之后對整體網(wǎng)的精度進行檢驗和評估。在CGCS2000坐標系下控制網(wǎng)平差后點位坐標精度統(tǒng)計見表5。由表5可知，控制網(wǎng)的點位精度在X分量的平均中誤差為0.001 3 m，Y分量的平均中誤差為0.002 8 m，Z分量的平均中誤差為0.001 3 m，3個分量的精度都優(yōu)于0.006 m。在GDCORS坐標系下控制網(wǎng)平差后點位坐標分量精度統(tǒng)計見表6。由表6可知，控制網(wǎng)的點位精度在X分量的平均中誤差為0.001 4 m，Y分量的平均中誤差為0.002 9 m，Z分量的平均中誤差為0.001 4 m，3個分量的精度都優(yōu)于0.006 m。

為了更好地對平差結(jié)果進行分析，本文還對平差后各個點的點位中誤差進行了分析，如圖7所示(由于涉及保密信息，經(jīng)緯度信息未在圖上標注)。圖中4個五角星代表作為平差基準的4個CORS站，橫向的誤差棒表示各個點位在CGCS2000坐標下平差后的點位中誤差，縱向的誤差棒表示各個點位在GDCORS坐標系下平差后的點位中誤差。從圖中可以明顯看出，位于珠海市東部和西南角海島上測站的點位中誤差為5～6 mm，要大于位于西部陸地上測站的點位中誤差。這主要是由于作為平差基準的4個CORS站全部位于珠海市西部陸地部分，而距離其海島測站距離較遠，不能對其進行很好的控制所致。整體來講平差精度較高，滿足設(shè)計要求。

表5　CGCS2000坐標系下平差后XYZ分量中誤差統(tǒng)計　m

表6　GDCORS坐標系下平差后XYZ分量中誤差統(tǒng)計　m

圖7　各個測站點位中誤差統(tǒng)計分析

五、結(jié)束語

本文采用GAMIT/GLOBK軟件對位于珠海市的CORS站和C級網(wǎng)的GPS觀測數(shù)據(jù)進行了處理，數(shù)據(jù)處理模型嚴密，方法合理。數(shù)據(jù)處理中，綜合了多種精密數(shù)據(jù)處理技術(shù)，并且從多方面對數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量進行了分析，總結(jié)了一套高精度GPS控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理與精度評估方法，采用該數(shù)據(jù)處理策略可以獲得市級控制網(wǎng)高精度的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。高精度的控制點坐標為珠海市基礎(chǔ)測繪基準的最終建立提供了科學依據(jù)，也為高精度、高分辨率的珠海市陸海統(tǒng)一似大地水準面模型的建立提供了均勻、可靠和精確的數(shù)據(jù)。

參考文獻：

[1]HERRING T A, KING R W, MCCLUSKY S C. GAMIT Reference Manual[EB/OL].[2015-02-03]. www.doc 88.com/P-817688430780.html.

[2]HERRING T A. GLOBK: Global Kalman Filter VLBI and GPS Analysis Program[EB/OL].[2015-02-03]. www.gpsg.mit.edu/simon/gtgk/GLOBK.pdf.

[3]李毓麟, 劉經(jīng)南. 中國國家 A 級 GPS 網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理和精度評估[J]. 測繪學報, 1996, 25(2): 81-86.

[4]姜衛(wèi)平, 劉經(jīng)南. GPS 形變監(jiān)測網(wǎng)基線處理中系統(tǒng)誤差的分析[J]. 武漢大學學報(信息科學版), 2001, 26(3): 196-199.

[5]DIXON T H, GONZALEZ G, LICHTEN S M, et al. First Epoch Geodetic Measurements with the Global Positioning System across the Northern Caribbean Plate Boundary Zone[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth (1978—2012), 1991, 96(B2): 2397-2415.

[6]郭際明, 周命端, 吳迪軍, 等. 高精度 GPS 大型橋梁工程控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理與質(zhì)量評估方法研究[J]. 測繪通報, 2012 (2): 18-22.

[7]LIU Jingnan, GE Maorong. Data Analysis of 92 GPS Campaign in China[J]. Journal of Wuhan Technical University of Surveying and Mapping, 1995,20(1):40-45.

[8]邵占英, 劉經(jīng)南. GPS 精密相對定位中用分段線性法估算對流層折射偏差的影響[J]. 地殼形變與地震, 1998, 18(3): 13-18.

中圖分類號：P228.4

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)03-0061-05

作者簡介：丁建勛(1973—)，男，高級工程師，主要從事城市測量新技術(shù)應(yīng)用研究工作。E-mail: djxrr@126.com

收稿日期：2015-03-03

引文格式： 丁建勛，胡冬芽，馬德富，等. 珠海市陸海統(tǒng)一高精度GNSS控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理與精度評估方法研究[J].測繪通報，2016(3)：61-65.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0087.