控制點(diǎn)CGCS2000坐標(biāo)的聯(lián)測(cè)及解求

胡思華

(貴州有色地質(zhì)工程勘察公司，貴州 貴陽(yáng) 550025)

GPS技術(shù)自其出現(xiàn)以來(lái)就因其高精度、全天候、自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)而迅速融入到社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，并在測(cè)繪領(lǐng)域形成了一種先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集方式——GPS測(cè)量[1-2]。對(duì)于GPS所采集數(shù)據(jù)的處理，國(guó)內(nèi)的商用軟件普遍采用模型簡(jiǎn)單、計(jì)算量小的單基線解模式進(jìn)行解算，其處理結(jié)果精度較低[3]。如果想獲得高精度的成果，必須使用更嚴(yán)謹(jǐn)精密的測(cè)量科研分析軟件。當(dāng)前的高精度GPS數(shù)據(jù)分析軟件主要有：Bernese軟件，由瑞士Bern大學(xué)開發(fā)；GAMIT/GLOBK軟件，由美國(guó)麻省理工學(xué)院和SCRIPPS海洋研究所共同開發(fā)[4-7]。由于GAMIT/GLOBK軟件可以免費(fèi)提供給所有用戶使用，這使得它迅速被應(yīng)用到全球各地，深受廣大測(cè)繪人員的好評(píng)。目前，國(guó)內(nèi)主流的平差軟件是武漢大學(xué)獨(dú)立研制的COSAGPS軟件。COSAGPS軟件針對(duì)國(guó)內(nèi)測(cè)量規(guī)范設(shè)置了各種控制網(wǎng)等級(jí)的參數(shù)，平差較GLOBK更為方便直觀。IGS數(shù)據(jù)處理中心公布的精密星歷可以為GAMIT軟件提供穩(wěn)定的高精度起算基準(zhǔn)。而聯(lián)測(cè)IGS跟蹤站可以得到所測(cè)控制點(diǎn)在ITRF框架下的坐標(biāo)成果。

本文選擇貴州大學(xué)的4個(gè)強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩，且無(wú)其坐標(biāo)信息，鑒于CGCS2000坐標(biāo)系是目前國(guó)內(nèi)精度最高的坐標(biāo)系，在適宜的觀測(cè)方案的基礎(chǔ)上，綜合以上優(yōu)點(diǎn)，以期得到高精度的控制點(diǎn)CGCS2000坐標(biāo)成果。

1 觀測(cè)方案

1.1 測(cè)區(qū)概況

測(cè)區(qū)位于貴陽(yáng)市花溪區(qū)，地勢(shì)較為平坦。測(cè)區(qū)范圍為東經(jīng)106.656 4°～106.665 2°、北緯26.444 1°～26.449 3°。測(cè)區(qū)平均高程為1 100 m。四個(gè)觀測(cè)墩分別為GD01、GD02、GD03、GD04。測(cè)區(qū)附近IGS站點(diǎn)分布圖如圖1所示。

圖1 測(cè)區(qū)附近IGS站點(diǎn)分布圖

1.2 聯(lián)測(cè)方案

1.2.1 IGS站的選取

如果選擇測(cè)區(qū)附近均勻分布的5～6個(gè)IGS站，來(lái)自于高程誤差的影響將相互抵消，進(jìn)而提高GAMIT的解算精度。本文選擇bjfs、shao、urum、twtf、cusv、pimo等6個(gè)IGS站點(diǎn)，這些站點(diǎn)較為均勻的分布在測(cè)站周圍，并與測(cè)站距離在1 000～2 000 km，有利于GAMIT的長(zhǎng)基線解算。

1.2.2 儀器的類型及精度

本次觀測(cè)方案配備3臺(tái)南方NETS9接收機(jī)，在進(jìn)行靜態(tài)數(shù)據(jù)采集時(shí)，其平面定位精度為±2.5 mm+1 ppm，其高程定位精度為±5 mm+1 ppm。同時(shí)配備3臺(tái)可弱化多路徑效應(yīng)的南方CR3- G3扼流圈天線。

1.2.3 觀測(cè)方案

本次GPS測(cè)量實(shí)測(cè)4個(gè)點(diǎn)，利用3臺(tái)接收機(jī)，按照工程三等控制網(wǎng)的要求對(duì)4個(gè)控制點(diǎn)同步觀測(cè)3個(gè)時(shí)段，時(shí)段長(zhǎng)4 h。具體觀測(cè)方案為：第1時(shí)段觀測(cè)GD01、GD02、GD03等三個(gè)控制點(diǎn)；第2時(shí)段觀測(cè)GD02、GD03、GD04等三個(gè)控制點(diǎn)；第3時(shí)段觀測(cè)GD01、GD02、GD04等三個(gè)控制點(diǎn)。觀測(cè)時(shí)采用的技術(shù)指標(biāo)為：(1)觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)≥5；(2)衛(wèi)星高度角為15°；(3)采樣間隔為30 s。

2 基于GAMIT軟件的基線解算

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本次觀測(cè)于2016年5月4日(125日)和5月5日(126日)兩天完成。因此需要在IGS數(shù)據(jù)網(wǎng)站上下載125日和126日兩天的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)以及需要更新的tables表文件。

首先，新建一個(gè)工程目錄，命名為kong。之后，在該目錄下新建igs、brdc和rinex三個(gè)目錄存儲(chǔ)第1時(shí)段的所有原始觀測(cè)數(shù)據(jù)。更新完tables文件后，在終端中執(zhí)行sh_setup 2016 125 kong指令，將其鏈接到kong文件夾中。

將各配置文件準(zhǔn)備好后，根據(jù)觀測(cè)的實(shí)際情況，做以下修改：

(1)將sestbl.中的Use otl.list = N和Use otl.grid = N中的N改為Y來(lái)進(jìn)行潮汐改正。

(2)修改sessio.info中的起始觀測(cè)時(shí)間和歷元數(shù)。

(3)對(duì)各IGS站的先驗(yàn)坐標(biāo)做0.05 m的強(qiáng)約束，對(duì)4個(gè)控制點(diǎn)做9.99 m的松弛約束。

2.2 天線相位中心的改正

由于本文觀測(cè)使用的天線并未出現(xiàn)在rcvant.dat中，需要進(jìn)行如下處理：

(1)訪問(wèn)NGS網(wǎng)站，找到STHCR3-G3的ANTEX格式的天線相位中心參數(shù)，復(fù)制粘貼到antmod.dat文件中。

(2)將STHCR3-G3天線的編碼標(biāo)識(shí)加入到rcvant.dat中。

(3)在hi.dat中添加STHCR3-G3天線的改正信息，GAMIT在其解算過(guò)程中會(huì)利用該參數(shù)改正天線高。

2.3 基線解算

如表1所示，IGS數(shù)據(jù)處理中心提供的星歷有3種：超快速星歷IGU，主要有觀測(cè)和預(yù)報(bào)兩部分，發(fā)布速度最快；快速星歷IGR，質(zhì)量較好，發(fā)布速度也較快；最終精密星歷IGS，經(jīng)IGS處理中心加權(quán)后發(fā)布的，效果最好，但發(fā)布速度太慢。本文選用最終精密星歷IGS進(jìn)行解算。

表1 3種精密星歷參數(shù)

在各項(xiàng)準(zhǔn)備工作都進(jìn)行完畢后，在kong目錄下打開終端，輸入基于最終精密星歷IGS的批處理命令：sh_gamit -expt kong -d 2016 125 -pres ELEV -orbit IGSF -copt x k p -dopts c ao，GAMIT軟件開始自動(dòng)處理觀測(cè)數(shù)據(jù)，得到分析記錄文件o文件。第2、3時(shí)段的數(shù)據(jù)仍按上述步驟做基線解算的處理。最終獲得的3個(gè)時(shí)段的o文件的均方根誤差均在0.2左右，表示基線解算精度高[8]。(本文同時(shí)進(jìn)行了松弛軌道解和固定軌道解兩種方式的基線解算，對(duì)比發(fā)現(xiàn)采用松弛軌道解的解算結(jié)果精度更高，因此本文采用松弛軌道解進(jìn)行基線解算。)

3 基于COSAGPS的基線質(zhì)量分析及網(wǎng)平差

3.1 COSAGPS軟件介紹

COSAGPS軟件是武漢大學(xué)獨(dú)立研制的一款專用GPS網(wǎng)平差軟件。COSAGPS軟件可讀取多種GPS軟件的基線數(shù)據(jù)，自動(dòng)進(jìn)行各種指標(biāo)的計(jì)算。

同時(shí)，COSAGPS軟件針對(duì)國(guó)內(nèi)的GPS測(cè)量規(guī)范設(shè)計(jì)了各種控制等級(jí)，減少了測(cè)繪人員處理數(shù)據(jù)時(shí)查找各種規(guī)范的煩惱，因而備受推崇。由于COSAGPS軟件運(yùn)算速度快，且能保持非常高的整體性，是國(guó)內(nèi)最受認(rèn)可的權(quán)威平差軟件。

3.2 坐標(biāo)系統(tǒng)的統(tǒng)一

由于國(guó)內(nèi)IGS站建立相對(duì)較晚，不能直接從ITRF官網(wǎng)上得到各IGS站點(diǎn)的CGCS2000坐標(biāo)。因此，首先找到各IGS站點(diǎn)在ITRF05，2000.0歷元(2000年1月1日所屬歷元)下的坐標(biāo)，然后通過(guò)圖2所示框架轉(zhuǎn)換流程得到其CGCS2000坐標(biāo)(各轉(zhuǎn)換參數(shù)均改正至2000.0歷元下)。

圖2 ITRF框架轉(zhuǎn)換流程圖

同時(shí)，考慮到各點(diǎn)所在板塊的不均勻運(yùn)動(dòng)對(duì)其坐標(biāo)的影響，通過(guò)轉(zhuǎn)換歷元得到了表2所示的各IGS站在ITRF97框架，2016.344歷元(2016年126日所屬歷元)下的坐標(biāo)[9-13]。

表2 各IGS站點(diǎn)在ITRF97，2016.344歷元的坐標(biāo)/m

3.3 基線質(zhì)量檢核

在COSAGPS軟件中新建一個(gè)工程，等級(jí)設(shè)置為工程三等。然后，導(dǎo)入GAMIT基于最終精密星歷IGS的基線解算數(shù)據(jù)并形成獨(dú)立基線文件，選擇BJFS作為無(wú)約束平差的已知坐標(biāo)，進(jìn)行各項(xiàng)控制指標(biāo)的計(jì)算。

在《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》(GB/T18314-2009)中，同步環(huán)閉合差的限差為[14]：

(1)

從表3中可知，各方向坐標(biāo)閉合差均在-0.1～0.1 mm之間，無(wú)明顯差別，精度較高，滿足規(guī)范的要求。

表3 同步環(huán)閉合差計(jì)算結(jié)果

在《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》(GB/T18314-2009)中，異步環(huán)閉合差的限差為[14]：

(2)

從表4中同樣可以得知，各方向異步環(huán)閉合差均在-0.1～0.1 mm之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于限差(各限差允許值均在19 000 mm以上)，WS最大值為0.14 mm，同樣遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于限差(各限差允許值均在33 000 mm以上)，均滿足規(guī)范要求，由此表明采用精密星歷在長(zhǎng)線路的異步環(huán)計(jì)算中具有較高的精度。

表4 異步環(huán)閉合差計(jì)算結(jié)果/mm

在《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》(GB/T18314-2009)中，重復(fù)基線較差的限差為[14]：

(3)

從表5中亦知，各重復(fù)基線長(zhǎng)度差均在0.245 6～3.763 1 mm之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于限差允許值(21 000 mm以上)，均符合規(guī)范要求，由此表明采用精密星歷在長(zhǎng)線路的重復(fù)基線計(jì)算中具有較高的精度。

表5 基于IGS精密星歷的重復(fù)基線長(zhǎng)度較差計(jì)算結(jié)果

在《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》(GB/T18314-2009)中，三維無(wú)約束平差基線向量殘差的限差為[14]：

VDX，VDY，VDZ≤3σ

(4)

從表6中可知，各方向基線向量殘差均不超過(guò)±2 cm，精度較高，計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

表6 三維無(wú)約束平差基線向量殘差計(jì)算結(jié)果/cm

3.4 網(wǎng)平差

本文選擇IGS站中最穩(wěn)定的BJFS、SHAO、URUM三個(gè)站的坐標(biāo)作為已知坐標(biāo)進(jìn)行三維約束平差，平差后的控制點(diǎn)在ITRF97，2 016.344歷元下的坐標(biāo)如表7所示。

表7 平差后的控制點(diǎn)坐標(biāo)

平差后的最弱邊為GD01-GD02，其中誤差為1/73 000，滿足《工程測(cè)量規(guī)范》(GB50026-2007)三等工程控制網(wǎng)最弱邊中誤差≤1/700 00的要求。Y方向誤差略大于X、Z方向誤差。平差后的最弱點(diǎn)為GD01，其中誤差為17 mm，滿足《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》(GBT18314-2009)最弱點(diǎn)中誤差≤±25 mm的限差要求。綜上可得，平差后的控制點(diǎn)坐標(biāo)成果是可靠的。

4 總 結(jié)

在GPS高精度數(shù)據(jù)處理中，有許多誤差會(huì)影響到最終的結(jié)果，本文在外業(yè)觀測(cè)時(shí)就通過(guò)配備扼流圈天線的接收機(jī)來(lái)消除多路徑效應(yīng)，而GAMIT軟件通過(guò)設(shè)置好配置文件可以對(duì)天線相位中心偏差、潮汐、極移、章動(dòng)、閏秒等誤差的影響進(jìn)行改正。誤差的改正是高精度數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵。

通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)觀測(cè)、采用精密星歷以及聯(lián)測(cè)測(cè)區(qū)附近分布均勻的6個(gè)IGS站， GAMIT軟件可以建立嚴(yán)密的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，從而得到高質(zhì)量的基線數(shù)據(jù)。再采用國(guó)內(nèi)測(cè)繪領(lǐng)域最受歡迎的權(quán)威平差軟件COSAGPS，對(duì)GAMIT軟件解算的基線數(shù)據(jù)進(jìn)行平差，最終得到了控制點(diǎn)在CGCS2000下的坐標(biāo)，精度滿足工程測(cè)量規(guī)范三等控制網(wǎng)的要求。