GNSS超長(zhǎng)基線差分定位方法在機(jī)場(chǎng)工程控制測(cè)量中的應(yīng)用

項(xiàng) 偉，王 園，李 鋒，梁自忠， 陳金磊，張昌昌

（1. 空軍研究院 工程設(shè)計(jì)研究所，北京 100076；2. 西安建筑科技大學(xué)，西安 710055）

0 引言

在機(jī)場(chǎng)建設(shè)工程控制測(cè)量工作中，傳統(tǒng)的高精度定位工作通常采用分級(jí)測(cè)量模式，以工作區(qū)域?yàn)榛居^測(cè)單位，滾動(dòng)式逐步展開(kāi)。采用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system,GNSS）接收機(jī)進(jìn)行施測(cè)時(shí)，至少要與3個(gè)已知國(guó)家高等級(jí)平面控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)，同步基線長(zhǎng)度有一定限制，一般不超過(guò)10 km[1-2]；使用隨機(jī)附帶解算軟件，基于廣播星歷進(jìn)行解算。采用這種方法，在西部偏遠(yuǎn)地區(qū)，當(dāng)建設(shè)區(qū)域國(guó)家控制點(diǎn)稀疏或者數(shù)量不足3個(gè)時(shí)，無(wú)法滿足規(guī)范相關(guān)要求[2]，導(dǎo)致工作無(wú)法開(kāi)展。

某機(jī)場(chǎng)建設(shè)工程位于西部某市，收集到基于2000國(guó)家大地坐標(biāo)系（China geodetic coordinate system 2000, CGCS2000）的國(guó)家控制點(diǎn)4個(gè)，距離場(chǎng)區(qū)的距離均為10 km左右。經(jīng)過(guò)踏勘，只找到2個(gè)控制點(diǎn)，另外2個(gè)控制點(diǎn)未找到（后來(lái)通過(guò)測(cè)量證實(shí)1個(gè)埋設(shè)于地面下1.5 m，另外1個(gè)已被破壞），因而國(guó)家控制點(diǎn)不足3個(gè)，不能滿足規(guī)范要求。針對(duì)此情況，通常采用非差精密單點(diǎn)定位或者通過(guò)聯(lián)測(cè)國(guó)際GNSS服務(wù)組織（International GNSS Service, IGS）基準(zhǔn)站的超遠(yuǎn)距離差分定位模式，采用加米特（GAMIT）、伯爾尼（BERNESE）等高精度的GNSS解算軟件進(jìn)行解算，從而獲得高精度的定位成果。這兩款軟件各有特色，尤其是GAMTI軟件功能強(qiáng)大，而且由于其源代碼開(kāi)放，軟件無(wú)償使用，成為眾多學(xué)者的研究對(duì)象[3-5]。但是由于GAMIT運(yùn)行平臺(tái)不支持視窗（Windows）操作系統(tǒng)，使其使用受到一定的限制，同時(shí)由于參數(shù)設(shè)置復(fù)雜，解算文件多，也給使用者帶來(lái)很多問(wèn)題。為此，本文采用基于IGS基準(zhǔn)站的超遠(yuǎn)距離差分定位模式，利用自主開(kāi)發(fā)的高精度軟件，基于快速精密星歷進(jìn)行解算，再通過(guò)框架轉(zhuǎn)換，獲得基于CGCS2000的坐標(biāo)成果，從而建立工程首級(jí)控制網(wǎng)。

1 控制網(wǎng)布設(shè)及數(shù)據(jù)采集

采用4臺(tái)徠卡GS18雙頻GNSS接收機(jī)，確定在1個(gè)單天內(nèi)，將儀器架設(shè)在場(chǎng)區(qū)布設(shè)的4個(gè)待定點(diǎn)和2個(gè)國(guó)家控制點(diǎn)上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每點(diǎn)觀測(cè)1個(gè)時(shí)段，數(shù)據(jù)采集時(shí)段長(zhǎng)度大于5 h，設(shè)置采樣率15 s，衛(wèi)星截止角10°，與IGS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站組成超長(zhǎng)基線差分定位模式，基線長(zhǎng)度790～3 100 km。同時(shí)保證場(chǎng)區(qū)4個(gè)待定點(diǎn)GD01、GD02、GD03及GD04之間有1 h的同步觀測(cè)時(shí)段，組成同步觀測(cè)環(huán)，滿足D級(jí)GPS網(wǎng)布設(shè)的相關(guān)要求[2]。超長(zhǎng)基線控制網(wǎng)和場(chǎng)區(qū)控制網(wǎng)的布設(shè)分別如圖1、圖2所示。

圖1 超長(zhǎng)基線控制網(wǎng)

圖2 場(chǎng)區(qū)控制網(wǎng)

2 控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)處理策略

為了滿足Windows環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用10.60版本的GAMIT/格洛布克（GLOBK）軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，完成了一款高精度數(shù)據(jù)處理軟件。該軟件可以對(duì)基準(zhǔn)站觀測(cè)文件、精密星歷、廣播星歷、表文件等實(shí)現(xiàn)一鍵自動(dòng)下載，完成自動(dòng)定位后，進(jìn)一步通過(guò)獲取文件位置、文件名稱從而讀入觀測(cè)文件、星歷文件和已知點(diǎn)文件，并完成創(chuàng)建目錄、拷貝移動(dòng)文件和創(chuàng)建快捷方式等操作?；€解算利用分布處理方式，只用1個(gè)命令即可完成文件鏈接、坐標(biāo)歷元改算及格式轉(zhuǎn)換、創(chuàng)建解算目錄、軌道積分、衛(wèi)星時(shí)鐘生成、測(cè)站時(shí)鐘生成及觀測(cè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)生成、基線批處理命令生成、基線處理和平差等操作。處理完成后，將解算結(jié)果和解算精度存到指定目錄，方便查看。

該軟件面向Windows人機(jī)交互界面，減少了人工操作的步驟，大大節(jié)省了文件配置準(zhǔn)備工作，只需要1個(gè)命令即可完成基線解算，減少大量命令代碼的記憶，降低了使用難度[6]。軟件數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理工藝流程圖

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

觀測(cè)數(shù)據(jù)采用接收機(jī)自主交換格式（receiver independent exchange format, RINEX）的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)文件SITEDAYS.YYO。依據(jù)外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)和下載的基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)，將同一觀測(cè)時(shí)段的數(shù)據(jù)整理在一起，并進(jìn)行點(diǎn)名一致性、年積日一致性、接收機(jī)與天線型號(hào)、天線高等數(shù)據(jù)的正確性檢驗(yàn)。

天線高采用量高尺以垂直方式量測(cè)，并通過(guò)高精度數(shù)據(jù)處理軟件，選擇相匹配對(duì)應(yīng)的天線型號(hào)，自動(dòng)計(jì)算改正值，獲取天線相位中心位置，并歸算至待定點(diǎn)標(biāo)識(shí)面。

2.3 基線解算與網(wǎng)平差

采用IGS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站為基準(zhǔn)進(jìn)行差分，求得精度達(dá)到0.1 m的先驗(yàn)坐標(biāo)。基線解算采用自主開(kāi)發(fā)的高精度數(shù)據(jù)處理軟件，其解算軟件參數(shù)設(shè)置基于Windows人機(jī)操作界面，簡(jiǎn)單明了。主要參數(shù)設(shè)置界面圖4所示。

圖4 參數(shù)設(shè)置

采樣頻率設(shè)置為15 s，衛(wèi)星截止高度角為10°；基線解算采用松弛（relax）解模式；衛(wèi)星軌道基于快速精密星歷；參考基準(zhǔn)為國(guó)際地球參考框架（international terrestrial reference frame, ITRF）2014、歷元為2 020.257。

觀測(cè)時(shí)段基線解算標(biāo)準(zhǔn)化均方根（normalized root mean square, NRMS）值為0.206 79，小于0.3，周跳剔除干凈；對(duì)整網(wǎng)的全部基線結(jié)果進(jìn)行χ2檢驗(yàn)，其結(jié)果為0.173，小于1，基線解算合格。

基線解算合格后，進(jìn)行網(wǎng)平差。約束收集的6個(gè)IGS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站成果，做3維約束平差，求出待定點(diǎn)基于參考框架ITRF2014、歷元為2 020.257下的空間直角坐標(biāo)成果。

3維約束平差完成，GNSS點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)X、Y、Z方向上的最大值為8.8 mm；北（N）方向、東（E）方向、高程（U）方向上的最大值為10.4 mm。GNSS點(diǎn)坐標(biāo)精度統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 坐標(biāo)精度統(tǒng)計(jì) 單位：mm

2.4 坐標(biāo)成果轉(zhuǎn)換

解算成果的參考基準(zhǔn)為參考框架ITRF2014、歷元為2 020.257，而工程建設(shè)中要求的坐標(biāo)成果基準(zhǔn)為CGCS2000（參考框架ITRF97、歷元2000.0）[7]，因此需要進(jìn)行基于不同參考框架的坐標(biāo)成果的轉(zhuǎn)換。不同參考框架成果的轉(zhuǎn)換法主要有強(qiáng)制約束法、參數(shù)轉(zhuǎn)換法、速度場(chǎng)擬合法等[8-10]。與傳統(tǒng)經(jīng)典的3維7參數(shù)轉(zhuǎn)換模型[11-12]不同，基于不同參考框架的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換需要考慮參考框架的時(shí)變[13]，轉(zhuǎn)換模型中包含14個(gè)未知參數(shù)，至少需要5個(gè)公共點(diǎn)才可求解轉(zhuǎn)換參數(shù)[14-15]。

由于缺少足夠的公共點(diǎn)，本文中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換采用速度場(chǎng)擬合法。首先完成參考框架轉(zhuǎn)換，即由基于參考框架ITRF2014、歷元為2 020.257的空間直角坐標(biāo)成果向基于參考框架ITRF97、歷元為2 020.257的空間直角坐標(biāo)成果轉(zhuǎn)換，參考框架間的轉(zhuǎn)換即為基于不同參考橢球的空間直角坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換。然后再完成歷元轉(zhuǎn)換，即基于參考框架ITRF97、歷元為2 020.257的坐標(biāo)成果向基于參考框架ITRF97、歷元為2 000.0的坐標(biāo)成果轉(zhuǎn)換。歷元轉(zhuǎn)換則需要?dú)v元值和待定點(diǎn)處精確的速度成果[16-17]。文中采用“格網(wǎng)平均值”速度獲取的方法，完成成果的歷元轉(zhuǎn)換。格網(wǎng)平均值法是將中國(guó)大陸分成137個(gè)3°×3°的格網(wǎng)，計(jì)算出每個(gè)格網(wǎng)內(nèi)“網(wǎng)絡(luò)”點(diǎn)的平均速度，代表格網(wǎng)內(nèi)任一點(diǎn)的速度。該方法得到的“網(wǎng)絡(luò)”點(diǎn)的速度計(jì)算值與其參考值之差的統(tǒng)計(jì)值分別為±1.81、±1.05、±1.55 mm/a，位置運(yùn)動(dòng)速度的誤差±2.61 mm/a[16]。確定工程建設(shè)區(qū)域所對(duì)應(yīng)的“格網(wǎng)”位置，用該“格網(wǎng)”的平均速度作為待定點(diǎn)的速度，即可完成相應(yīng)的歷元轉(zhuǎn)換。但應(yīng)該指出，由于該工程建設(shè)所處格網(wǎng)內(nèi)無(wú)“網(wǎng)絡(luò)”點(diǎn)，其速度平均值由臨近格網(wǎng)速度值推算得到，因此精度要差些。

3 控制網(wǎng)成果質(zhì)量分析

3.1 基線成果質(zhì)量分析

將解算獲得的基于CGC2000的空間直角坐標(biāo)，反算出的基線向量成果與同步觀測(cè)解算獲得的基線向量成果相比較，進(jìn)行基線檢核。同步觀測(cè)數(shù)據(jù)解算采用徠卡勒戈（LGO）解算軟件，基于廣播星歷，進(jìn)行無(wú)約束平差后即可解算獲得任意兩點(diǎn)間高精度的基線成果。

需要指出的是，同步觀測(cè)解算獲得的基線成果基于1984世界大地坐標(biāo)系（world geodetic coordinate system 1984, WGS84）（參考框架ITRF2000、歷元為2 001.0），而反算獲得的基線成果基于CGCS2000（參考框架ITRF97、歷元為2 000.0）。GCS2000與WGS84參考橢球在原點(diǎn)、方向、尺寸等方面的定義基本相同，只是在橢球扁率上有微小差別。這種差別體現(xiàn)到大地坐標(biāo)坐標(biāo)值差值理論上僅為亞毫米，在坐標(biāo)系的實(shí)現(xiàn)精度范圍內(nèi)；在僅考慮參考橢球常數(shù)差異的情況下， CGCS2000坐標(biāo)與WGS84坐標(biāo)是一致的[18-20]，因此可以認(rèn)為基線向量成果也是一致的?；€成果檢核結(jié)果如表2所示。

表2 基線成果檢核 單位：m

由表2基線向量成果檢核可以看出：通過(guò)同步觀測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)約束平差解算獲得的基線成果，與解算獲得的CGCS2000的空間直角坐標(biāo)成果反算出的基線成果在E、N、U三個(gè)方向上的差值均優(yōu)于1 cm，說(shuō)明通過(guò)采用基于IGS基準(zhǔn)站的超遠(yuǎn)距離差分定位獲得的4個(gè)待定點(diǎn)間的相對(duì)位置關(guān)系是準(zhǔn)確的，其精度達(dá)到了毫米級(jí)，可以認(rèn)為與場(chǎng)區(qū)控制點(diǎn)整體性一致。

3.2 坐標(biāo)成果質(zhì)量分析

經(jīng)過(guò)框架和歷元轉(zhuǎn)換后，將解算獲得的國(guó)家控制點(diǎn)成果同收集到的國(guó)家控制點(diǎn)已知成果相比較，對(duì)解算結(jié)果進(jìn)行坐標(biāo)成果檢核。對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 坐標(biāo)成果檢核 單位：m

由表3坐標(biāo)成果檢核可以看出，受速度場(chǎng)精度的影響，通過(guò)歷元轉(zhuǎn)換后，收集到的國(guó)家控制點(diǎn)的解算成果同已知成果在x方向上差值為2 cm左右，在y方向上的差值為3 cm左右。同時(shí)應(yīng)該看出，差值表現(xiàn)出一致性，可理解為系統(tǒng)差。

通過(guò)表2、表3的成果檢核可以得出結(jié)論，基于IGS基準(zhǔn)站的超遠(yuǎn)距離差分定位方式在該機(jī)場(chǎng)建設(shè)工程控制測(cè)量的應(yīng)用中，場(chǎng)區(qū)控制點(diǎn)間的相對(duì)位置精度優(yōu)于1 cm，整體性一致。受限于速度場(chǎng)精度的影響，最終解算結(jié)果與已知成果間存在系統(tǒng)差，其值在x方向上為-2.0 cm，在y方向上為3.0 cm。通過(guò)基于IGS基準(zhǔn)站的超遠(yuǎn)距離差分定位方式獲得的成果，基于3個(gè)以上的控制點(diǎn)建立該工程測(cè)區(qū)的轉(zhuǎn)換模型，通過(guò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分（real-time kinematic, RTK）放樣的方式，獲得收集到的國(guó)家控制點(diǎn)的精確位置，找到了第3個(gè)國(guó)家控制點(diǎn)后，再采用傳統(tǒng)的分級(jí)測(cè)量模式，獲得場(chǎng)區(qū)待定點(diǎn)的高精度CGCS000坐標(biāo)。將兩種方法獲得的結(jié)果相比較，也體現(xiàn)出了在x方向上為-2.0 cm、y方向上為3.0 cm系統(tǒng)性誤差的特征（篇幅原因，這里不再贅述）。結(jié)合控制網(wǎng)基線長(zhǎng)度進(jìn)行精度驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)后，約束點(diǎn)間的邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差dm≤1/100 000，最弱相對(duì)中誤差優(yōu)于2.5 cm/km，達(dá)到了衛(wèi)星定位測(cè)量控制網(wǎng)四等的技術(shù)要求[1]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文探討了在西部某機(jī)場(chǎng)建設(shè)工程控制測(cè)量中，由于國(guó)家起始控制點(diǎn)不夠，在按照傳統(tǒng)的基于廣播星歷的高精度分級(jí)測(cè)量模式無(wú)法開(kāi)展工作的情況下，采用基于IGS基準(zhǔn)站的超遠(yuǎn)距離差分定位模式，利用自主開(kāi)發(fā)的GNSS高精度解算軟件，結(jié)合快速精密星歷進(jìn)行建立工程首級(jí)控制網(wǎng)的嘗試。結(jié)果表明，該方法在西部偏遠(yuǎn)地區(qū)國(guó)家高等級(jí)控制點(diǎn)稀疏或缺失的情況下，亦能靈活快速地進(jìn)行工程建設(shè)的平面控制測(cè)量，獲取基于CGCS2000坐標(biāo)系精度達(dá)到厘米級(jí)的坐標(biāo)成果。同時(shí)，通過(guò)本文的探討分析，若工程建設(shè)區(qū)域周邊IGS基準(zhǔn)站分布合理，再結(jié)合高精度的速度場(chǎng)成果，利用文中方法甚至可以獲得優(yōu)于厘米級(jí)的坐標(biāo)成果，這使得機(jī)場(chǎng)建設(shè)工程的控制測(cè)量工作無(wú)須再踏勘國(guó)家起始控制點(diǎn)來(lái)進(jìn)行分級(jí)布網(wǎng)聯(lián)測(cè)，可以根據(jù)場(chǎng)區(qū)實(shí)際情況來(lái)因地制宜地進(jìn)行控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)，使得控制網(wǎng)的布設(shè)更加靈活，無(wú)疑會(huì)大大提高工作效率。