江門市高精度GNSS控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究

涂純二，江翠云，陳國恒

（1.廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510500；2.廣東省測繪工程公司，廣東 廣州 510000）

我國未來大地基準(zhǔn)重點(diǎn)發(fā)展方向集中在2000 中國大地坐標(biāo)系（CGCS2000）的建立與維持、高程基準(zhǔn)現(xiàn)代化、兼容北斗的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）多源數(shù)據(jù)融合、大地參考框架維持以及多源技術(shù)集成的空天參考基準(zhǔn)一體化方面[1]，而CGCS2000 是基于國際參考地球框架ITRF97，并定義在2000 歷元下的坐標(biāo)[2]。近年來，華南沿海地區(qū)包括廣州[3]、珠海[4]、惠州[5]、桂林[6]、三明[7]、?？赱8]等城市為響應(yīng)國家統(tǒng)一使用2000 國家大地坐標(biāo)系的要求，紛紛建立符合現(xiàn)代化測繪地理信息發(fā)展的測繪基準(zhǔn)框架。本文以華南沿海城市江門作為應(yīng)用實(shí)例，從建設(shè)高精度的2000 國家大地坐標(biāo)系GNSS 控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理方面進(jìn)行技術(shù)探討，通過基線解算與網(wǎng)平差計(jì)算的策略優(yōu)化，以獲取高精度的GNSS 大地基準(zhǔn)成果，為華南沿海地區(qū)的高精度現(xiàn)代化大地基準(zhǔn)建設(shè)提供借鑒參考。

1 項(xiàng)目概況

江門市大地基準(zhǔn)控制網(wǎng)分為G N S S 框架網(wǎng)（GNSS-B 級(jí)）與基本網(wǎng)（GNSS-C 級(jí)）?？蚣芫W(wǎng)由12 個(gè)GDCORS 基準(zhǔn)站與15 個(gè)框架點(diǎn)構(gòu)成，利用到的GDCOR 基準(zhǔn)站有佛山更合站（FSGH）、恩平站（GDEP）、上川站（GDSC）、陽江站（YJGT）、臺(tái)山站（GDTS）、新興站（GDXX）、陽春站（GDYC）、高明站（GMGT）、江門站（JMGT）、金灣站（JWGT）、順德站（SDGT）、中山站（ZSGT）?；揪W(wǎng)由江門站（JMGT）、恩平站（GDEP）、陽江站（YJGT）、15 個(gè)框架點(diǎn)、140 個(gè)基本點(diǎn)組成。

項(xiàng)目結(jié)合華南沿海地區(qū)的地理環(huán)境特點(diǎn)，在滿足規(guī)范基本要求的基礎(chǔ)上，通過基線解算與網(wǎng)平差計(jì)算兩方面的策略進(jìn)行分析，以提高數(shù)據(jù)處理的精度。

框架網(wǎng)外業(yè)采樣間隔由規(guī)定的30 s 縮減至10 s，基本網(wǎng)的外業(yè)采樣間隔由規(guī)定的10～30 s 縮減至5～10 s，并以基本網(wǎng)的其中一個(gè)時(shí)段作為分析，分別使用30 s 與5 s 的采樣間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，分析其精度影響，以此來調(diào)整項(xiàng)目的基線解算策略。

2）基本網(wǎng)的觀測時(shí)長增加至20 h 以上，并以其中一個(gè)時(shí)段作為分析，分別使用8 h 和20 h 進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，分析其精度影響，以此來調(diào)整項(xiàng)目的基線解算策略。

3）數(shù)據(jù)處理采用高精度的數(shù)據(jù)處理專用軟件，其中基線解算采用GAMIT，網(wǎng)平差計(jì)算采用PowerNet或GLOBK，通過平差精度上的對(duì)比分析，以此來調(diào)整項(xiàng)目的網(wǎng)平差計(jì)算策略。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 基線解算分析

為研究分析本項(xiàng)目在基線解算上的策略，在使用GAMIT 進(jìn)行基線解算時(shí)，保證以下考慮因素不變的條件下[9]，再對(duì)采樣間隔及觀測時(shí)長進(jìn)行調(diào)整解算。

1）衛(wèi)星鐘差的模型改正（用廣播星歷中的鐘差參數(shù)）；

2）換收機(jī)鐘差的模型改正（用根據(jù)偽距觀測值計(jì)算出的鐘差）；

3）電離層折射影響用LC 觀測值消除；

4）對(duì)流層折射。框架網(wǎng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)大氣模型用薩斯坦莫寧（saastamoinen）模型改正，采用分段線形的方法估算折射量偏差數(shù)；基本網(wǎng)測站間距離較短、且觀測時(shí)氣候狀況穩(wěn)定，因此考慮不估計(jì)對(duì)流層天頂延遲，采用雙差的方法來消除對(duì)流層延遲；

5）衛(wèi)星和換收機(jī)天線相位中心改正，換收機(jī)天線L1、L2 相位中心偏差采用設(shè)定值；

6）測站位置的潮汐改正采用FES2004 模型；

7）框架網(wǎng)截止高度角為10°；基本網(wǎng)截至高度角為15°。

針對(duì)基線解算中的采樣間隔選擇，本文選取了基本網(wǎng)的第299 個(gè)年積日的時(shí)段數(shù)據(jù)，觀測時(shí)長為8 h，基線解算采樣間隔分別設(shè)置為30 s 和5 s，分別從N、E、U 各基線分量精度進(jìn)行比對(duì)分析，見圖1。

圖1 采樣間隔對(duì)基線精度的影響分析

由圖1 可以看出，當(dāng)選擇5 s 的采樣間隔時(shí)，N、E、U 分量的基線精度均優(yōu)于選擇30 s 的采樣間隔。其中5 s 采樣間隔N 方向精度在0.002 3 ～0.006 1 m 之間，平均精度為0.003 6 m；30 s 采樣間隔N 方向精度在0.004 2 ～0.008 2 m 之間，平均精度為0.005 5 m；5 s 采樣間隔使N 方向基線精度較30 s 平均提高了35.10%。5 s 采樣間隔E 方向精度在0.002 6～0.007 3 m之間，平均精度為0.004 0 m；30 s 采樣間隔E 方向精度在0.003 4～0.006 7 m 之間，平均精度為0.005 0 m；5 s 采樣間隔使E 方向基線精度較30 s 平均提高了19.74%。5 s 采樣間隔U 方向精度在0.003 8～0.010 6 m之間，平均精度為0.006 1 m；30 s 采樣間隔U 方向精度在0.006 6～0.014 7 m 之間，平均精度為0.010 4 m；5 s 采樣間隔使U 方向基線精度較30 s 平均提高了41.69%。因此，可選用較小采樣間隔方案作為本項(xiàng)目的解算策略。

針對(duì)基線解算中的觀測時(shí)長選擇，本文同樣選取了基本網(wǎng)的第299 個(gè)年積日的時(shí)段數(shù)據(jù)，采用間隔設(shè)置為10 s，分別將觀測時(shí)長設(shè)為8 h 和20 h 進(jìn)行基線解算，分別從N、E、U 分量精度進(jìn)行比對(duì)分析。比較分析見圖2。

圖2 觀測時(shí)長對(duì)基線精度的影響分析

由圖2 可以看出，當(dāng)選擇20 個(gè)小時(shí)觀測時(shí)長時(shí)，N、E、U 分量的基線精度均優(yōu)于選擇8 h。其中20 h 觀測時(shí)長N 方向精度在0.001 5～0.003 8 m 之間，平均精度為0.002 3 m，8 h 觀測時(shí)長N 方向精度在0.002 4～0.005 8 m 之間，平均精度為0.003 5 m，20 h觀測時(shí)長使N 方向基線精度較8 h 平均提高了34.49%；20 h 觀測時(shí)長E 方向精度在0.001 7～0.004 3 m 之間，平均精度為0.002 5 m，8 h 觀測時(shí)長E 方向精度在0.002 2～0.005 2 m 之間，平均精度為0.003 3 m，20 h觀測時(shí)長使E 方向基線精度較8 h 平均提高了22.95%；20 h 觀測時(shí)長U 方向精度在0.002 4 ～0.006 8 m 之間，平均精度為0.003 8 m，8 h 觀測時(shí)長U 方向精度在0.003 9 ～0.011 9 m 之間，平均精度為0.006 6 m，20 h 觀測時(shí)長使U 方向基線精度較8 個(gè)小時(shí)平均提高了41.74%。因此，基本網(wǎng)可選用20 h 或以上的時(shí)觀測時(shí)長方案作為本項(xiàng)目的解算策略。

采用上述兩種優(yōu)化后的策略進(jìn)行本項(xiàng)目框架網(wǎng)和基本網(wǎng)的基線解算，并對(duì)基線重復(fù)性和閉合環(huán)進(jìn)行檢驗(yàn)。框架網(wǎng)與基本網(wǎng)共構(gòu)成4 745 個(gè)閉合環(huán)，閉合差為0.004 9 m，基線重復(fù)性檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)如表1 所示，兩者均滿足規(guī)范與項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。

表1 基線重復(fù)性檢驗(yàn)

2.2 網(wǎng)平差計(jì)算分析

本項(xiàng)目選擇我國自主研發(fā)的PowerNet 與美國麻省理工（MIT）和美國加利福尼亞大學(xué)SCRIPPS 海洋研究院（SIO）共同開發(fā)的GLOBK 軟件[10]進(jìn)行網(wǎng)平差計(jì)算。通過比較兩套平差軟件在平差結(jié)果上的精度，以此來調(diào)整本項(xiàng)目的網(wǎng)平差計(jì)算策略。

在數(shù)據(jù)處理過程中，通過采用PowerNet 軟件進(jìn)行無約束平差，發(fā)現(xiàn)JWGT 與其他站點(diǎn)不兼容，且與已知起算坐標(biāo)值X方向差為4 cm，Y方向差為9 cm，Z方向差為4 cm，因此，將JWGT 僅作為待求點(diǎn)參與基線解算，不作為起算點(diǎn)進(jìn)行平差計(jì)算。本次實(shí)驗(yàn)中以FSGH、GDEP、GDSC、YJGT、GDTS、GDXX、GDYC、GMGT、JMGT、SDGT、ZSGT 共11 個(gè)GDCORS 站點(diǎn)作為起算，其成果為2000 國家大地坐標(biāo)成果（坐標(biāo)框架為：ITRF97，歷元為2000.0），平差得到各框架點(diǎn)與基本點(diǎn)在CGCS2000 框架下的坐標(biāo)成果。

使用PowerNet 軟件與GLOBK 軟件以上述11 個(gè)GDCORS 站進(jìn)行約束平差，分析比較平差結(jié)果文件中N、E、H 方向上的精度，如圖3 所示。

圖3 平差精度比較

通過圖3 比較PowerNet 與GLOBK 平差后的精度，PowerNet 軟件在N、E 方向上平差精度均在6 mm 以下，H 方向上平差精度（排除粗差點(diǎn)JWGT）均在10 mm 以下，平差精度良好；而GLOBK 相比與PoweNet 軟件，在N、E、H 上其總體平差精度在N、E、H 方向上均更高。PowerNet 平差精度平均值為2.590 mm，GLOBK 平差精度平均值為0.937 mm，較PowerNet 平均精度提高了63.81%；在E 方向上，PowerNet 平差精度平均值為2.776 mm，GLOBK 平差精度平均值為1.007 mm，較PowerNet 平均精度提高了63.74%；在H 方向，PowerNet 平差精度平均值為4.953 mm，GLOBK 平差精度平均值為1.969 mm，較PowerNet 平均精度提高了60.24%。由此可見，使用GLOBK 軟件進(jìn)行本項(xiàng)目框架網(wǎng)與基本網(wǎng)的整體平差，其平差精度在N、E、H 上均優(yōu)于PowerNet 軟件，可選用GLOBK 作為本項(xiàng)目的網(wǎng)平差計(jì)算軟件。最終選用GLOBK 軟件進(jìn)行網(wǎng)平差計(jì)算得到CGCS2000 坐標(biāo)成果，點(diǎn)位精度統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 點(diǎn)位精度統(tǒng)計(jì)/m

3 結(jié) 語

本文以華南沿海城市江門作為應(yīng)用實(shí)例，從建設(shè)高精度的2000 國家大地坐標(biāo)系GNSS 控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理方面進(jìn)行技術(shù)探討，通過基線解算與網(wǎng)平差計(jì)算的策略優(yōu)化，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1）框架網(wǎng)與基本網(wǎng)的基線處理采用GAMIT 軟件，通過設(shè)置較小的采樣間隔，以及基本網(wǎng)采用更長時(shí)間（20 h 以上）的觀測時(shí)長，使在數(shù)據(jù)處理中獲得更高的基線解算結(jié)果。將此基線解算策略應(yīng)用于整網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理，其基線重復(fù)性和閉合環(huán)檢驗(yàn)均滿足規(guī)范與項(xiàng)目設(shè)計(jì)的要求。

2）通過比較PowerNet 與GLOBK 兩款高精度的平差軟件，最終選擇GLOBK 應(yīng)用于本項(xiàng)目的網(wǎng)平差計(jì)算，得到該地區(qū)在CGCS2000 框架下的三維大地坐標(biāo)基準(zhǔn)。

3）高精度控制點(diǎn)坐標(biāo)為今后基礎(chǔ)測繪基準(zhǔn)的最終建立提供了科學(xué)的依據(jù)，也可為高精度、高分辨率似大地水準(zhǔn)面的建立提供均勻、可靠和精確的數(shù)據(jù)。