CORS系統(tǒng)在航空重力測量地面GNSS基站解算中的應(yīng)用

陳浩，張文志，舒晴，李健，楊怡，張凱淞

(中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

航空重力測量是重力勘探技術(shù)與航空動(dòng)態(tài)測量技術(shù)的一種組合，廣泛應(yīng)用于地質(zhì)調(diào)查、資源勘探、測繪研究等領(lǐng)域，具有快速、高效和靈活的優(yōu)勢。隨著近年來航空重力的發(fā)展，特別是自2006年我國引進(jìn)用于地質(zhì)資源調(diào)查的國際先進(jìn)的航空重力測量系統(tǒng)并獲得了高質(zhì)量的原始重力數(shù)據(jù)后[1]，航空重力數(shù)據(jù)的精度和分辨率不斷提高。

航空重力測量需要精確獲得飛機(jī)的位置、飛行速度和加速度，分別用于航空重力的地形改正、正常重力改正、高度改正、厄特渥斯改正和解算重力加速度等，飛機(jī)定位的精度直接影響著航空重力測量的精度。就目前來說，差分GNSS系統(tǒng)是航空重力測量最理想的定位方式[2]。為保證動(dòng)態(tài)解算的可靠性和精度，航空重力作業(yè)過程中，要求地面布設(shè)有一定密度的地面GNSS基站。這個(gè)基準(zhǔn)站位置將作為航空重力飛行動(dòng)態(tài)差分?jǐn)?shù)據(jù)處理的基準(zhǔn)位置，來改正飛機(jī)上安裝的移動(dòng)站的定位數(shù)據(jù)，最終得到移動(dòng)站的精確差分坐標(biāo)[3-4]。

地面GNSS基站的建立，需要使用國家高等級(jí)點(diǎn)的精確位置，建立靜態(tài)同步觀測網(wǎng)，通過基線解算來確定差分GNSS基站的準(zhǔn)確坐標(biāo)位置。傳統(tǒng)的地面GNSS基站的建立方式主要是同步靜態(tài)觀測法。即在測區(qū)范圍內(nèi)或周邊尋找至少兩個(gè)國家級(jí)控制點(diǎn)，然后與待解算的基準(zhǔn)站位置上同時(shí)架設(shè)GNSS接收機(jī)進(jìn)行同步靜態(tài)觀測。觀測結(jié)束后，以國家等級(jí)點(diǎn)為位置基準(zhǔn)，利用商用專業(yè)軟件(如WayPoint等)進(jìn)行差分解算，最后得到需要的基準(zhǔn)站點(diǎn)位置坐標(biāo)。實(shí)際作業(yè)中，這種基準(zhǔn)站建立方式往往會(huì)遇到以下困難：① 依賴于傳統(tǒng)的國家坐標(biāo)點(diǎn)，之前的國家控制點(diǎn)成果經(jīng)過數(shù)十年后，數(shù)量少，精度低，且多位于山區(qū)不便于作業(yè)，有些點(diǎn)由于保存條件不好，存在被破壞的情況；② 進(jìn)行同步靜態(tài)觀測需在至少3個(gè)點(diǎn)位上同時(shí)架設(shè)3臺(tái)或以上的GNSS接收機(jī)及天線，且至少3組操作人員進(jìn)行同步觀測，人力物力成本較高；③ 時(shí)間上，在獲取到國家控制點(diǎn)坐標(biāo)后，需要使用GPS定位的方式前往測區(qū)及附近進(jìn)行找尋，并進(jìn)行點(diǎn)位的觀測環(huán)境測試，時(shí)間成本較高，作業(yè)效率較低。

連續(xù)運(yùn)行參考站(continuously operating reference station，CORS)技術(shù)的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)的測量作業(yè)方式，而隨著我國CORS站系統(tǒng)的建設(shè)，該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于國土資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測、基礎(chǔ)測繪、工程施工、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域[5-8]，大大提高了定位導(dǎo)航、工程測量和地理信息數(shù)據(jù)采集的效率和精準(zhǔn)度，有效降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和成本。該方法在地面重力調(diào)查中已得到應(yīng)用[9]。本文探討用CORS系統(tǒng)精確確定地面GNSS基站坐標(biāo)，旨在改變傳統(tǒng)的作業(yè)模式，使航空重力測量中地面GNSS基站的建設(shè)更加綠色高效，并進(jìn)一步促進(jìn)CORS站的應(yīng)用與發(fā)展。

1 CORS系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用

CORS系統(tǒng)包含一個(gè)或若干個(gè)固定的、連續(xù)運(yùn)行的GNSS基準(zhǔn)站，利用由現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)通信、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)組成的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過數(shù)據(jù)中心對(duì)數(shù)據(jù)連續(xù)、實(shí)時(shí)地進(jìn)行高精度數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)產(chǎn)品產(chǎn)出和播發(fā)，實(shí)時(shí)地向不同類型、不同需求、不同層次的用戶自動(dòng)提供經(jīng)過檢驗(yàn)的不同類型的觀測值、各種改正數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息，以及其他有關(guān)導(dǎo)航定的位服務(wù)[10]。系統(tǒng)能夠全年365天，每天24 h連續(xù)不斷地運(yùn)行，全面取代常規(guī)大地測量控制網(wǎng)。在參考站所覆蓋的區(qū)域內(nèi)，用戶只需要一臺(tái)GNSS接收機(jī)即可以進(jìn)行厘米級(jí)、分米級(jí)、米級(jí)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)實(shí)時(shí)的快速定位和測量。與傳統(tǒng)作業(yè)相比，CORS系統(tǒng)具有作業(yè)范圍廣、精準(zhǔn)度高、數(shù)據(jù)完整性強(qiáng)、野外單機(jī)作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)。

CORS系統(tǒng)是GNSS地基增強(qiáng)系統(tǒng)的重要組成部分，同時(shí)也是國家信息化建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施的主要組成部分。我國目前主要的CORS系統(tǒng)包括：國家測繪局的GNSS CORS系統(tǒng)、中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測網(wǎng)絡(luò)、中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)等。

海南省連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)(Hainan island continuously operating reference staion，HiCORS)是由海南省測繪地理信息局與海南省氣象局共同建立的，該系統(tǒng)不僅使用GPS數(shù)據(jù)，還兼顧伽利略、GLONASS、我國的北斗系統(tǒng)等多個(gè)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，其精度比一般民用GPS系統(tǒng)大幅提高[11]。

2 CORS站數(shù)據(jù)處理及方法

利用CORS站數(shù)據(jù)進(jìn)行地面GNSS基站坐標(biāo)解算的數(shù)據(jù)處理過程可分為基線解算和網(wǎng)平差兩個(gè)階段[12]，如圖1所示?；€解算是利用GNSS接收機(jī)接收到的載波相位觀測值作為基本觀測值，對(duì)其進(jìn)行差分處理，建立觀測值與基線向量的關(guān)系，通過最小二乘法求解基線向量及其精度。基線向量檢核合格后，便可進(jìn)行基線向量網(wǎng)的平差計(jì)算，平差后求得各GNSS基站之間的相對(duì)坐標(biāo)差值，加上已知點(diǎn)的坐標(biāo)值，最終求得各GNSS基站的坐標(biāo)。

GNSS基站的解算核心技術(shù)在于數(shù)據(jù)處理的使用，選用好的數(shù)據(jù)處理方法和軟件對(duì)GNSS測量結(jié)果影響很大。在GNSS靜態(tài)定位領(lǐng)域，幾十千米以下的定位應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，接收機(jī)廠商提供的隨機(jī)軟件可滿足大部分的應(yīng)用需要[13]。如WayPoint軟件、天寶GNSS Solution、國產(chǎn)的測繪軟件等。但是在長距離的定位問題上，一般接收機(jī)廠商提供的隨機(jī)軟件不能滿足需要[14]。因?yàn)檫@其中忽略了很多在定軌和長距離定位中不可忽略的因素，如有關(guān)軌道的各種振動(dòng)計(jì)算、大氣對(duì)流層改正、測站位置受地殼運(yùn)動(dòng)的固體潮引起的漂移等?，F(xiàn)在世界上有4個(gè)比較有名的GNSS高精度科研分析軟件，分別為美國麻省理工學(xué)院(MIT)和美國加利福尼亞大學(xué)SCRIPPS海洋研究所(SIO)共同開發(fā)的GAMIT軟件、美國噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室(jet propulsion laboratory，JPL)的GIPSY軟件、瑞士伯爾尼大學(xué)研制的Bernese軟件、德國GFZ的EPOS軟件，另外還有武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心自主研制的PANDA軟件[15]。本文選擇使用GAMIT軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖1 地面GNSS基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)處理流程Fig.1 Flow chart of observation data processing of ground GNSS reference station

2.1 GAMIT軟件基線解算

GAMIT/GLOBK軟件是由MIT和SIO(加州大學(xué)圣地亞哥分校海洋研究所)共同研制的基于LINUX操作系統(tǒng)的GPS數(shù)據(jù)處置軟件，可以估算衛(wèi)星軌道和地面測站的三維相對(duì)位置[16]。它不但精度高而且開放源代碼，應(yīng)用者可以依據(jù)需要進(jìn)行源程序的修改，現(xiàn)在已被國內(nèi)外大量的高校和科研單位用于高精度大尺度的相對(duì)定位和地球動(dòng)力學(xué)研究。

Gamit處理數(shù)據(jù)基本步驟如下：

1) 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：數(shù)據(jù)分為4大類，包括RINEX格式的GNSS觀測數(shù)據(jù)、從相關(guān)站點(diǎn)FTP服務(wù)器上下載包含各種改正信息的參數(shù)tables表文件、精密星歷文件.sp3文件，全球?qū)Ш叫畔?brdc文件。在工程目錄文件下創(chuàng)建鏈接并使用ls-al檢查所有鏈接。

2) 制作測站信息文件： ① 測站列表文件sites.defaults，內(nèi)容包含參與解算的所有測站的名稱；② 測站近似坐標(biāo)文件lfile.，內(nèi)容主要包括測站坐標(biāo)的先驗(yàn)坐標(biāo)，以空間直角坐標(biāo)表示；③ station.info測站信息文件，包含測站所有接收機(jī)和天線的類型、天線高等信息。

3) 配置信息處理控制文件。① 測站信息控制文件sittbl.文件，設(shè)置測站三維坐標(biāo)的約束量，一般采用默認(rèn)值；② 測段分析策略文件sestbl.文件，控制GAMIT運(yùn)行過程中的計(jì)算方案和相應(yīng)參數(shù)設(shè)置的文件；③ 處理過程控制文件process.defaults文件，一般默認(rèn)設(shè)置。

4) 執(zhí)行分布處理：① 運(yùn)行makexp，按提示輸入包括項(xiàng)目名、軌道名、年、年積日、處理數(shù)、概略坐標(biāo)文件、導(dǎo)航文件名，采樣間隔，計(jì)算起止時(shí)間、歷元數(shù)等相關(guān)信息，并自動(dòng)創(chuàng)建時(shí)段信息文件session.info；② 執(zhí)行sh_sp3fit-f igs19651.sp3-o igsf，根據(jù)星歷文件，生成GAMIT的星歷表T文件；③ 執(zhí)行sh_check_sess-sess 247-type gfile-file gigsf7.247，檢查g文件，確定session.info文件有對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星；④ 執(zhí)行makej auto2470.17n jigsf7.247 igs19651.sp3，讀取RINEX格式觀測文件，并利用精密星歷sp3文件，得到用于分析衛(wèi)星時(shí)鐘的J文件；⑤ 執(zhí)行sh_check_sess-sess 247-type jfile-file jigsf7.247，檢查j文件，確定session.info文件中游對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星；⑥ 執(zhí)行makex sany.makex.batch命令，生成x中間文件，將原始觀測文件轉(zhuǎn)換成GAMIT所需文件格式；⑦ 執(zhí)行fixdrv dsany7.247，數(shù)據(jù)處理驅(qū)動(dòng)程序，執(zhí)行FIXDRV程序產(chǎn)生分析的批處理文件；⑧ 執(zhí)行csh bsany7.bat命令，進(jìn)行批處理工作，主要由軟件的ARC(軌道積分)、MODEL(求偏導(dǎo)數(shù)，生成觀測方程)、AUTCLN(自動(dòng)修復(fù)周跳)、CFMRG(創(chuàng)建觀測方式文件，定義選擇參數(shù))、SOLVE(求解各參數(shù))。

最后軟件會(huì)生成結(jié)果文件Q文件、完全解算結(jié)果文件O文件、協(xié)方差文件H文件。

上述過程在運(yùn)行過程中，由于涉及的環(huán)節(jié)步驟較多，會(huì)因?yàn)橹T如參數(shù)文件未更新、文件名大小寫不準(zhǔn)確、參數(shù)設(shè)置不合理、天線類型不匹配等因素，導(dǎo)致程序中斷或結(jié)果不理想，遇到此類問題，應(yīng)根據(jù)錯(cuò)誤提示認(rèn)真分析原因，找到解決方案[17]。

2.2 CosaGPS軟件網(wǎng)平差

CosaGPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是武漢大學(xué)研發(fā)，具有在世界空間直角坐標(biāo)系(WGS-84)進(jìn)行三維向量網(wǎng)平差(無約束平差和約束平差)及高程擬合等功能的軟件，并帶有常用的工程測量計(jì)算工具，可以實(shí)現(xiàn)各種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

首先，在WGS84空間直角坐標(biāo)系中進(jìn)行三維向量網(wǎng)平差，先需要至少輸入一個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并生成基線向量文件，進(jìn)行無約束平差；再將觀測網(wǎng)中聯(lián)測的多個(gè)國家GNSS點(diǎn)(比如A級(jí)點(diǎn)、B級(jí)點(diǎn))全部作為固定點(diǎn)輸入，進(jìn)行約束平差。計(jì)算結(jié)果是WGS84坐標(biāo)，而在航空重力處理軟件中，使用的也是WGS84坐標(biāo)，不存在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的問題。

3 CORS站解算坐標(biāo)在航空重力測量中的應(yīng)用對(duì)比

以在我國海南省某地區(qū)開展的航空重力測量作業(yè)為例。作業(yè)使用國產(chǎn)運(yùn)12雙發(fā)渦槳輕型運(yùn)輸機(jī)為測量平臺(tái)、俄羅斯GT-2A型航空重力儀為測量主體。考慮作業(yè)方便及點(diǎn)位附近的電力供應(yīng)及通信，分別在機(jī)場停機(jī)坪附近及野外駐地建立地面GNSS基站，選址點(diǎn)位附近視野開闊，安置天線周邊遮擋物的高度角不大于15°，遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源?；揪幪?hào)分別為BAS1、BAS2，接收機(jī)型號(hào)為Ashtech ProFlex800，天線類型為Ash111661，觀測時(shí)段9:20～17:20，基站數(shù)據(jù)采樣頻率設(shè)為2 Hz，飛機(jī)上安裝同樣型號(hào)的雙頻GNSS天線，并按2 Hz采樣頻率采集記錄定位數(shù)據(jù)。

首先按照傳統(tǒng)引點(diǎn)方式，經(jīng)過前期搜集、查找測區(qū)內(nèi)及附近的高等級(jí)GNSS基準(zhǔn)站，通過手持GPS踏勘選點(diǎn)和環(huán)境測試后，選擇距離較近且聯(lián)測網(wǎng)能夠形成較好幾何形狀的2個(gè)國家GNSS大地控制網(wǎng)大地坐標(biāo)成果基點(diǎn)，使用相同采樣率的4臺(tái)雙頻差分GNSS接收機(jī)在4地(兩處國家GNSS基點(diǎn)及停機(jī)坪、野外駐地基站)構(gòu)成聯(lián)測網(wǎng)，以國家基準(zhǔn)點(diǎn)為基準(zhǔn)對(duì)控制網(wǎng)進(jìn)行整體平差，將控制網(wǎng)中的GNSS控制點(diǎn)坐標(biāo)成果統(tǒng)一至WGS84坐標(biāo)。控制網(wǎng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集完成后，使用加拿大Waypoint公司開發(fā)的商用GPS/GLONASS后處理軟件GrafNet 7.6版本進(jìn)行靜態(tài)處理及網(wǎng)平差，計(jì)算出控制點(diǎn)WGS84坐標(biāo)值，如表1所示。同時(shí)，結(jié)合海南HiCORS站分布，選擇周邊分布均勻，能夠形成較好幾何形狀的CORS站點(diǎn)，將HiCORS的HL、SY、WZ、WN4個(gè)基準(zhǔn)站與地面GNSS基站構(gòu)成聯(lián)測網(wǎng)，以HiCORS站為基準(zhǔn)對(duì)控制網(wǎng)進(jìn)行整體平差，使控制網(wǎng)中的GPS控制點(diǎn)坐標(biāo)成果統(tǒng)一至國家坐標(biāo)系。使用GAMIT軟件進(jìn)行控制點(diǎn)解算及CosaGPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行平差計(jì)算,控制網(wǎng)如圖3所示，控制網(wǎng)點(diǎn)位解算精度見表1。

圖2 基線解算控制網(wǎng)示意Fig.2 Sketch map of the baseline solution control network

圖3 CORS站解算GNSS控制網(wǎng)Fig.3 Sketch map of the CORS station baseline solution control network

以上兩種解算GNSS基站結(jié)果(表1)顯示，兩種方式的結(jié)果差異在厘米級(jí)，CORS站解算結(jié)果各項(xiàng)誤差最大值為dx=0.010 m，dy=0.019 m，dz=0.009 m。平面及高程定位精度均優(yōu)于航空重力測量作業(yè)要求的±0.1 m的精度要求。

使用兩種地面GNSS基站建設(shè)方案得到的不同基站坐標(biāo)，在航空重力數(shù)據(jù)處理軟件中對(duì)同架次、同條測線進(jìn)行處理比較，驗(yàn)證CORS站引點(diǎn)方式取代傳統(tǒng)引點(diǎn)方式的可行性。選擇某一架次3條測線數(shù)據(jù)，分別為860、8070、8080線，CORS站計(jì)算方式測線號(hào)前加90前綴以示區(qū)別，數(shù)據(jù)處理后對(duì)比結(jié)果，質(zhì)量評(píng)價(jià)采用重復(fù)測線內(nèi)符合精度均方誤差公式計(jì)算[18]：

表1 兩種不同觀測方法解算的地面GNSS基準(zhǔn)站點(diǎn)位精度

(i=1,2,3,…,n;j=1,2,…,m)

式中：δij為第j條重復(fù)線公共段各點(diǎn)觀測值Fij與該點(diǎn)各重復(fù)線觀測的平均值Fi之差，m為重復(fù)線數(shù)目，n為重復(fù)線公共段數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。然后，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制內(nèi)符合精度圖。

從實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，采用不同的引點(diǎn)方式確定的基站坐標(biāo)處理相同測線860的內(nèi)符合精度為0.039 mGal(圖4)，測線8070的內(nèi)符合精度為0.052 mGal(圖5)，測線8080的內(nèi)符合精度為0.026×10-5m/s(圖6)，異常曲線高度重合，說明CORS站解算基準(zhǔn)站坐標(biāo)的結(jié)果完全滿足航空重力測量作業(yè)。

圖4 水平調(diào)整后860線內(nèi)符合精度計(jì)算結(jié)果Fig.4 The internal accord accuracy of repeat lines after adjusting level of line 860

圖5 水平調(diào)整后8070線內(nèi)符合精度計(jì)算結(jié)果Fig.5 The internal accord accuracy of repeat lines after adjusting level of line 8070

圖6 水平調(diào)整后8080線內(nèi)符合精度計(jì)算結(jié)果Fig.6 The internal accord accuracy of repeat lines after adjusting level of line 8080

4 結(jié)語

通過對(duì)比不同基準(zhǔn)站解算方式的處理結(jié)果可以看出，利用CORS站解算不僅滿足航空重力測量精度要求，而且能夠提高工作效率，彌補(bǔ)現(xiàn)有引點(diǎn)方式的不足。

一般商用軟件在解算基準(zhǔn)站坐標(biāo)上具有一定的局限性，且價(jià)格昂貴，而GAMIT軟件不僅開源，而且在處理長基線時(shí)，采用了一系列的參數(shù)估計(jì)和模型改正，提高了解算精度，具有商用軟件無法比擬的優(yōu)勢。

隨著CORS系統(tǒng)的建設(shè)，基于網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星的CORS服務(wù)將會(huì)變得越來越普及，未來航空重力測量將有望不再依賴其他地面參考站而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位。