CORS坐標(biāo)參考框架更新探討

劉文建，彭冬林

(1. 武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430079； 2. 廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510500)

CORS坐標(biāo)參考框架更新探討

劉文建1,2，彭冬林2

(1. 武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430079； 2. 廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510500)

CORS系統(tǒng)運(yùn)行過程中，由于站點(diǎn)的相對(duì)沉降、搬遷、天線更換等原因，導(dǎo)致基準(zhǔn)站/網(wǎng)坐標(biāo)發(fā)生了明顯變化，必須進(jìn)行局部站點(diǎn)或站網(wǎng)更新。本文闡述了CORS坐標(biāo)參考框架的更新原則、方法，針對(duì)廣東省CORS改造升級(jí)過程基準(zhǔn)站坐標(biāo)變化情況，發(fā)現(xiàn)了引起基準(zhǔn)站坐標(biāo)變化的天線罩問題，并研究了“偏心觀測量”的處理方案；研究解決了個(gè)別基準(zhǔn)站坐標(biāo)更新及基準(zhǔn)站網(wǎng)坐標(biāo)參考框架更新問題，保證了廣東省CORS系統(tǒng)的持續(xù)、高精度運(yùn)行及站網(wǎng)坐標(biāo)參考框架的延續(xù)。

CORS；參考框架；ITRF；框架網(wǎng)；天線罩

近年來，連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)(continuously operating reference systems,CORS)在我國得到了廣泛的推廣與應(yīng)用。我國于2000年在深圳建立了第一個(gè)城市級(jí)CORS，至今，全國大多數(shù)省份建立了省級(jí)CORS。這些系統(tǒng)已逐步取代傳統(tǒng)的高等級(jí)GNSS控制點(diǎn)，成為建立與維持區(qū)域坐標(biāo)參考框架的重要基礎(chǔ)設(shè)施[1-3]。

CORS系統(tǒng)一方面可建立和維持地區(qū)高精度三維基準(zhǔn)，為國防和經(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(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科研究提供精確參考基準(zhǔn)；另一方面可向地區(qū)網(wǎng)絡(luò)RTK用戶提供精確的實(shí)時(shí)三維定位服務(wù)[4]。此外，現(xiàn)代大地坐標(biāo)框架是動(dòng)態(tài)的或準(zhǔn)動(dòng)態(tài)的，地面點(diǎn)坐標(biāo)因板塊運(yùn)動(dòng)、地殼形變、潮汐負(fù)荷及其他因素的影響而發(fā)生變化，對(duì)于一個(gè)高精度的區(qū)域CORS參考框架坐標(biāo)系必須考慮該坐標(biāo)系的維持問題，即需按一定的復(fù)測策略保證站坐標(biāo)的不斷精化，從而保證CORS系統(tǒng)可向用戶提供持續(xù)、有效服務(wù)[5-6]。因此，CORS坐標(biāo)參考框架更新與維持具有重要意義。

本文闡述并研究了CORS坐標(biāo)參考框架更新原則、方法及實(shí)現(xiàn)流程，并在廣東省連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)(Guangdong continuously operating reference systems,GDCORS)改造升級(jí)(即廣東省北斗地基增強(qiáng)服務(wù)系統(tǒng)建立)的坐標(biāo)參考框架更新工作中得到了驗(yàn)證。

1 區(qū)域坐標(biāo)參考框架更新原則與方法

考慮滿足區(qū)域發(fā)展的科學(xué)和實(shí)用兩個(gè)不同的目標(biāo)需要,基于CORS的區(qū)域坐標(biāo)參考框架同時(shí)用兩種方式來表達(dá)：①基于CORS框架網(wǎng)與ITRF聯(lián)測建立區(qū)域動(dòng)態(tài)參考框架；②基于CORS基準(zhǔn)網(wǎng)與CGCS2000聯(lián)測建立區(qū)域靜態(tài)參考框架。這兩套成果可以作為CORS所在區(qū)域、城市的地心參考框架,為區(qū)域用戶提供便捷、高效、無縫地使用ITRF和CGCS2000的基準(zhǔn)[3]。本文主要討論“基于CORS框架網(wǎng)與ITRF聯(lián)測建立的CORS坐標(biāo)參考框架”的更新。

1.1 更新原則

實(shí)際使用過程中，為方便使用，CORS系統(tǒng)用戶基于CORS區(qū)域參考框架建立了市級(jí)獨(dú)立坐標(biāo)系、工程應(yīng)用坐標(biāo)系或局部坐標(biāo)參考框架等。因此，對(duì)于基準(zhǔn)站網(wǎng)規(guī)模大、運(yùn)行歷史時(shí)間長、注冊(cè)用戶數(shù)多的基準(zhǔn)站網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，必須保證用戶既有觀測成果使用的連貫性，即CORS坐標(biāo)參考框架在更新前后必須是一致的。

CORS系統(tǒng)的運(yùn)行使用過程中，站點(diǎn)的相對(duì)位移/沉降、站點(diǎn)搬遷、天線更換及系統(tǒng)的整體升級(jí)將導(dǎo)致CORS基準(zhǔn)站的個(gè)別站點(diǎn)，甚至整個(gè)CORS基準(zhǔn)站網(wǎng)的坐標(biāo)發(fā)生明顯變化，必須對(duì)發(fā)生變化的CORS基準(zhǔn)站或整個(gè)基準(zhǔn)站網(wǎng)的坐標(biāo)框架重新進(jìn)行處理與更新，以保證CORS系統(tǒng)的持續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)《衛(wèi)星定位城市測量技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T73—2010)：應(yīng)定期對(duì)CORS網(wǎng)進(jìn)行坐標(biāo)解算，解算周期不應(yīng)超過一年。CORS站的坐標(biāo)變化量應(yīng)符合下列規(guī)定：平面位置變化不應(yīng)超過1.5 cm；高程變化不應(yīng)超過3 cm；當(dāng)CORS站坐標(biāo)的變化量不符合規(guī)定時(shí)，應(yīng)分析原因，并應(yīng)及時(shí)更新CORS站坐標(biāo)或另選新站。對(duì)于地面沉降嚴(yán)重的區(qū)域，可另行制定高程變化的變化量限值。根據(jù)《全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)技術(shù)規(guī)范》(CH/T 2011—2012)：區(qū)域基準(zhǔn)站網(wǎng)內(nèi)個(gè)別基準(zhǔn)站發(fā)生顯著位移(平面位置變化超過2 cm，或高程變化超過3 cm)時(shí)，應(yīng)及時(shí)更新基準(zhǔn)站坐標(biāo)。當(dāng)基準(zhǔn)站累計(jì)更新數(shù)量達(dá)到30%時(shí)，應(yīng)進(jìn)行全網(wǎng)更新。

因此，CORS坐標(biāo)參考框架更新原則主要有：①對(duì)CORS基準(zhǔn)站網(wǎng)進(jìn)行定期、不定期的坐標(biāo)解算，監(jiān)測基準(zhǔn)站坐標(biāo)變化；②個(gè)別基準(zhǔn)站坐標(biāo)發(fā)生顯著位移時(shí)，該基準(zhǔn)站坐標(biāo)應(yīng)及時(shí)更新；③累計(jì)超30%基準(zhǔn)站數(shù)的基準(zhǔn)站坐標(biāo)已更新時(shí)，需對(duì)基準(zhǔn)站網(wǎng)坐標(biāo)更新。

1.2 更新方法

個(gè)別基準(zhǔn)站坐標(biāo)發(fā)生明顯變化，且僅為局部區(qū)域時(shí)，可先與局部區(qū)域周邊基準(zhǔn)站聯(lián)測，實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)站坐標(biāo)的快速更新、應(yīng)用；但在后續(xù)定期站網(wǎng)坐標(biāo)解算中應(yīng)進(jìn)行檢核、更新；全區(qū)域的多個(gè)基準(zhǔn)站或超30%基準(zhǔn)站數(shù)的局部基準(zhǔn)站坐標(biāo)發(fā)生明顯變化時(shí)，進(jìn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)坐標(biāo)參考框架更新。如圖1所示。

應(yīng)注意的問題是：為保證站網(wǎng)坐標(biāo)參考框架的延續(xù)問題，在基準(zhǔn)站網(wǎng)整體升級(jí)時(shí)，為避免出現(xiàn)起算基準(zhǔn)不充分、不連續(xù)的情況，應(yīng)注意分期進(jìn)行。以分兩期進(jìn)行為例，需要進(jìn)行兩次站網(wǎng)的整體解算：第一次解算確定第一期升級(jí)的基準(zhǔn)站坐標(biāo)，且對(duì)其作為第二期待升級(jí)基準(zhǔn)站坐標(biāo)確定的起算基準(zhǔn)的有效性、精度等進(jìn)行檢驗(yàn)；第二次解算以已升級(jí)基準(zhǔn)站的坐標(biāo)為起算基準(zhǔn)進(jìn)行站網(wǎng)坐標(biāo)參考框架的確定。

2 區(qū)域坐標(biāo)參考框架更新實(shí)例分析

2.1 個(gè)別基準(zhǔn)站坐標(biāo)更新

2.1.1 坐標(biāo)變化原因分析

2014年，珠海市通過新建8個(gè)基準(zhǔn)站、升級(jí)GDCORS系統(tǒng)的3個(gè)基準(zhǔn)站(ZHGT、JWGT、DMGT)建立珠海市北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)。計(jì)算表明，升級(jí)后的GDCORS系統(tǒng)的3個(gè)基準(zhǔn)站由于天線的更換，其坐標(biāo)變化量不符合規(guī)定(高程變化大于5 cm)。

研究表明，GPS信號(hào)通過天線罩會(huì)延時(shí)和折射，這會(huì)影響定位。相對(duì)于定位確定的水平分量沒有顯著影響；在解算對(duì)流層參數(shù)和估計(jì)區(qū)域網(wǎng)高程時(shí)有3 cm的誤差，該誤差不僅與天線和天線罩的型號(hào)有關(guān)，而且與平差最小高度角有關(guān)[7]。

因此，為了明確更換天線后差異引起的問題所在，先后開展了天線比對(duì)測試、觀測環(huán)境檢驗(yàn)測試、超短基線測試及天線罩影響測試。多次的測試及計(jì)算表明，天線罩對(duì)TRM41249.00及TRM59900.00時(shí)基線垂直向量影響具有不一致性，其后果將直接導(dǎo)致基準(zhǔn)站在換天線(2014年5月22日)前后，由其解算的基線向量與其他GDCORS基準(zhǔn)站(或其他已測點(diǎn)位)的存在明顯差異。

2.1.2 坐標(biāo)更新策略

考慮GDCORS已有基準(zhǔn)站已當(dāng)作ZHBDCORS項(xiàng)目各坐標(biāo)系/框架的起算，同時(shí)考慮坐標(biāo)成果的統(tǒng)一性、嚴(yán)肅性，為保證ZHBDCORS基準(zhǔn)站采用與GDCORS一致的坐標(biāo)框架，應(yīng)使ZHBDCORS利用的GDCORS基準(zhǔn)站的坐標(biāo)在更換天線前后保持一致。

采用如下步驟事項(xiàng)：將“天線罩+TRM41249.00”“天線罩+TRM59900.00”各自均看成一個(gè)整體；把更換天線帶來的影響當(dāng)作“天線罩+TRM59900.00”的偏心觀測量重新進(jìn)行標(biāo)定；將偏心觀測量納入基線解算相關(guān)設(shè)置并重新解算基線；檢核施加了偏心觀測量后的基線與歷史基線(“天線罩+TRM41249.00”)的重復(fù)性是否良好；應(yīng)用時(shí)將偏心觀測量納入CORS系統(tǒng)解算軟件中去。

2.1.3 偏心觀測量確定

(1) 收集了ZHBDCORS的11個(gè)基準(zhǔn)站及周邊GDCORS的5個(gè)基準(zhǔn)站的局部基準(zhǔn)站網(wǎng)(如圖2所示)從2014年6月22日(年積日173)至7月5日(年積日186)共14天的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)的可用性和質(zhì)量進(jìn)行了分析。

圖2 珠海坐標(biāo)參考框架確定局部基準(zhǔn)站網(wǎng)分布圖

(2) 使用GAMIT 10.5及相關(guān)基線處理策略[8](本文其他數(shù)據(jù)處理均相同)，采用IGS精密星歷，進(jìn)行了局部基準(zhǔn)站網(wǎng)的基線處理。

(3) 三維約束平差采用武漢大學(xué)研制的POWERNET科研版軟件(本文其他數(shù)據(jù)處理均相同)，以5個(gè)GDCORS基準(zhǔn)站(清遠(yuǎn)站(QYGT)、河源站(HYGT)、陽江站(YJGT)、肇慶站(ZQGT)、中山站(ZSGT))的坐標(biāo)成果作為起算數(shù)據(jù)，計(jì)算了8個(gè)新建基準(zhǔn)站及3個(gè)GDCORS升級(jí)基準(zhǔn)站的GDCORS框架坐標(biāo)成果。

將3個(gè)升級(jí)基準(zhǔn)站的計(jì)算坐標(biāo)與其原成果進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算了該站天線差異引起的相對(duì)于原天線加天線罩的“偏心觀測量”，結(jié)果見表1。

表1 3個(gè)升級(jí)基準(zhǔn)站的偏心觀測量 m

2.1.4 框架坐標(biāo)確定

利用偏心觀測量計(jì)算時(shí)的觀測數(shù)據(jù)，在基線解算時(shí)加入表1的偏心觀測量，重新進(jìn)行局部基準(zhǔn)站網(wǎng)基線解算及網(wǎng)平差?；€向量重復(fù)性統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 基線向量重復(fù)性統(tǒng)計(jì)表

注：重復(fù)性=a+b×10-6。

三維約束平差以5個(gè)GDCORS基準(zhǔn)站(不含3個(gè)升級(jí)基準(zhǔn)站)的坐標(biāo)成果作為起算，平差計(jì)算了ZHBDCORS的11個(gè)基準(zhǔn)站GDCORS框架坐標(biāo)成果；采用8個(gè)GDCORS基準(zhǔn)站(含3個(gè)升級(jí)基準(zhǔn)站)的坐標(biāo)成果作為起算，平差計(jì)算了ZHBDCORS的8個(gè)新建基準(zhǔn)站GDCORS框架坐標(biāo)成果。

將3個(gè)升級(jí)基準(zhǔn)站的計(jì)算坐標(biāo)與其已有成果進(jìn)行比對(duì)，檢驗(yàn)了偏心改正量的精度(見表3)。

表3 3個(gè)升級(jí)基準(zhǔn)站的計(jì)算精度 m

由5個(gè)GDCORS基準(zhǔn)站及8個(gè)GDCORS基準(zhǔn)站作為起算計(jì)算的8個(gè)ZHBDCORS新建基準(zhǔn)站坐標(biāo)進(jìn)行比較(見表4)。

表4 不同起算計(jì)算的坐標(biāo)比較 m

解算結(jié)果表明，在施加偏心改正量后，由GDCORS基準(zhǔn)站不同約束計(jì)算的8個(gè)新增基準(zhǔn)站坐標(biāo)各方向的差異量均在1 mm左右。為保證成果的一致性，最終采用由8個(gè)GDCORS基準(zhǔn)站起算計(jì)算結(jié)果作為最終的坐標(biāo)成果。

2.2 基準(zhǔn)站網(wǎng)坐標(biāo)參考框架更新

GDCORS總基準(zhǔn)站數(shù)為88個(gè)。2013—2014年期間，由于地、市建立市級(jí)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)及國家GNSS基準(zhǔn)站一期工程等原因，對(duì)相關(guān)GDCORS基準(zhǔn)站點(diǎn)進(jìn)行了升級(jí)；2014年4個(gè)GDCORS基準(zhǔn)站進(jìn)行了站址搬遷工作。由于基準(zhǔn)站天線型號(hào)變更、站址變化等因素引起了相應(yīng)框架坐標(biāo)變化，需對(duì)GDCORS系統(tǒng)的14個(gè)基準(zhǔn)站框架坐標(biāo)進(jìn)行重新計(jì)算確定。

2015年，廣東省開展了基準(zhǔn)站的北斗升級(jí)工作，對(duì)58個(gè)基準(zhǔn)站的天線進(jìn)行了更換升級(jí)，以保證北斗衛(wèi)星信號(hào)的有效跟蹤。由于天線更換導(dǎo)致的基準(zhǔn)站框架坐標(biāo)變化，使坐標(biāo)變化量不符合規(guī)定的基準(zhǔn)站數(shù)超過了基準(zhǔn)站網(wǎng)總數(shù)的1/2，需重新確定GDCORS基準(zhǔn)站網(wǎng)來進(jìn)行框架坐標(biāo)確定。

2.2.1 框架坐標(biāo)確定方案分析

將2014年進(jìn)行基準(zhǔn)站(包括站點(diǎn)搬遷、基準(zhǔn)站升級(jí)改造，總共14個(gè))框架坐標(biāo)確定視為GDCORS的第一期框架確定；2015年北斗升級(jí)改造需進(jìn)行天線更換的基準(zhǔn)站(58個(gè))框架坐標(biāo)確定作為GDCORS第二期框架確定。

按兩種方案進(jìn)行了站網(wǎng)坐標(biāo)框架確定的計(jì)算分析：一是分步確定，2014年框架確定時(shí)起算基準(zhǔn)選用天線未進(jìn)行更換、站址未變遷且框架坐標(biāo)長期相對(duì)變化小的基準(zhǔn)站點(diǎn)[9]，確定新更換天線后的基準(zhǔn)站點(diǎn)；2015年框架確定時(shí)利用2014年已經(jīng)重新確定框架基準(zhǔn)的站點(diǎn)起算，確定GDCORS其他站點(diǎn)框架坐標(biāo)。二是整體確定，選用2014年框架確定時(shí)相同的起算基準(zhǔn)，將2014年的解算數(shù)據(jù)、2015年的解算數(shù)據(jù)進(jìn)行整體平差，全面確定GDCORS的最新框架坐標(biāo)。結(jié)果顯示，兩種方案計(jì)算的GDCORS框架坐標(biāo)三維分量差異量最大為8.2 mm，如圖3所示?？紤]到GDCORS框架基準(zhǔn)的一致性與延續(xù)性，采用整體確定的方案所解算的框架成果作為最終成果。

圖3 分步確定與整體確定成果三維坐標(biāo)分量較差分布

整體確定方法計(jì)算的站網(wǎng)坐標(biāo)與個(gè)別基準(zhǔn)站坐標(biāo)更新結(jié)果(即珠海區(qū)域11個(gè)基準(zhǔn)站)進(jìn)行了比對(duì)分析，點(diǎn)位較差均在5 mm內(nèi)，驗(yàn)證了局部站點(diǎn)坐標(biāo)更新方法有效性。

2.2.2 框架坐標(biāo)確定

基線向量重復(fù)性統(tǒng)計(jì)見表5，三維約束平差基線分量精度中誤差統(tǒng)計(jì)見表6，基線相對(duì)精度統(tǒng)計(jì)見表7，點(diǎn)位中誤差統(tǒng)計(jì)見表8。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)基準(zhǔn)站升級(jí)過程中由于天線更換引起的坐標(biāo)變化，研究了坐標(biāo)變化原因及其更新策略，探討了CORS坐標(biāo)框架更新原則與方法，并進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證，主要結(jié)論有：

表5 基線向量重復(fù)性統(tǒng)計(jì)

注：重復(fù)性=a+b×10-8。

(1) 局部個(gè)別基準(zhǔn)站坐標(biāo)變化時(shí)，可依據(jù)周邊基準(zhǔn)站進(jìn)行該站坐標(biāo)的快速確定與應(yīng)用，并適時(shí)進(jìn)行站網(wǎng)整體解算。

表6 基線分量中誤差統(tǒng)計(jì)

表7 基線相對(duì)精度統(tǒng)計(jì)

表8 點(diǎn)位精度中誤差統(tǒng)計(jì) m

(2) 基準(zhǔn)站網(wǎng)需要整體升級(jí)時(shí)，宜分步實(shí)施，實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)站坐標(biāo)參考框架的分步傳遞與延續(xù)，保障系統(tǒng)持續(xù)正常運(yùn)行。

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A Study of CORS Coordinate Reference Frame Updating

LIU Wenjian1,2，PENG DongLin2

(1. GNSS Research Center, Wuhan University, Wuhan 430079, China; 2. Surveying and Mapping Institute, Lands and Resources of Guangdong Province, Guangzhou 510500, China)

During the process of operation in CORS, the significant change of coordinate on reference station(s) must be updated for the relative subsidence, station transition, antenna replacement, et al. Firstly, principle and method of CORS coordinate reference frame updating is described in details. Then, antenna radome problem is discovered from the change of coordinate of reference stations in Guangdong CORS, and solution of eccentric observation is discussed. The coordinate updating problems of single station and frame network are studied and solved which guarantee continuous and high-accuracy operation of Guangdong CORS, and continuity of coordinate reference frame.

CORS；reference frame；International Terrestrial Reference Frame (ITRF); frame networks; antenna radome

劉文建，彭冬林.CORS坐標(biāo)參考框架更新探討[J].測繪通報(bào)，2017(2)：70-74.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0051.

2016-06-12；

2016-11-01

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013B020200009；2014A020219002)

劉文建(1980—)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)镃ORS技術(shù)及其應(yīng)用。E-mail：13760625230@126.com

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0494-0911(2017)02-0070-05