基于RTX-PP獲取CGCS2000坐標(biāo)的精度分析

祁永芳

青海省地理空間和自然資源大數(shù)據(jù)中心，青海 西寧 810001

0 引 言

近些年，隨著互聯(lián)網(wǎng)+GNSS的快速發(fā)展，高精度GNSS后處理解算服務(wù)越來越多地由以往的客戶端/服務(wù)器（C/S）模式逐步轉(zhuǎn)向?yàn)g覽器/服務(wù)器（B/S）模式[1-3]，也稱為Online-GNSS。表1列舉了Online-GNSS相比C/S模式的優(yōu)缺點(diǎn)，其中最重要的特性就是云處理。

表1 Online-GNSS相較于傳統(tǒng)處理軟件的優(yōu)缺點(diǎn)Tab.1 Advantages and disadvantages of Online-GNSS compared with traditional processing software

由于Online-GNSS的解算服務(wù)使得用戶對解算參數(shù)設(shè)置和處理數(shù)據(jù)過程幾乎沒有影響，因此定位結(jié)果的質(zhì)量幾乎不受人為因素影響，并能夠保持穩(wěn)定。

本文首先對比分析研究各種不同Online-GNSS后處理解算并進(jìn)行精度評定，其后選擇RTX-PP在線處理模式獲得高精度ITRF坐標(biāo)；RTX-PP服務(wù)定位結(jié)果默認(rèn)在ITRF2008或者ITRF2014坐標(biāo)框架當(dāng)下歷元，若轉(zhuǎn)換到其他歷元（時間）下坐標(biāo)，則必須獲得由板塊運(yùn)動造成的測站速度。站點(diǎn)速度可以利用長時間觀測的坐標(biāo)序列估計(jì)獲得，也可以通過全球板塊邊界模型（NNRMORVEL56）計(jì)算獲得。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度，直接受站點(diǎn)速度精度影響。

2014年6月，RTX-PP[4-6]服務(wù)提供的構(gòu)造板塊模型從NUVEL-1A變更為NNR-MORVEL56（No-Net-Rotation，NNR），模型精度更高。與RTX-PP服務(wù)利用板塊構(gòu)造獲得CGCS2000坐標(biāo)不同，本文研究一種新的工程化快速獲得CGCS2000坐標(biāo)的方法，該方法是構(gòu)建中國大陸速度格網(wǎng)，快速獲得站點(diǎn)速度場，從而利用嚴(yán)密的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式求解CGCS2000坐標(biāo)。結(jié)合RTX-PP的在線快速高精度定位和CGCS2000坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，能夠廣泛應(yīng)用在工程領(lǐng)域，實(shí)用價值巨大。

1 Online-GNSS服務(wù)及其精度

目前，已有多個國家和機(jī)構(gòu)推出了不同策略的Online-GNSS產(chǎn)品，表2列出提供基于B/S模式常見的Online-GNSS后處理服務(wù)。這些服務(wù)大多數(shù)都是免費(fèi)的，依據(jù)定位解算方式的不同，可以分為基線相對定位和精密單點(diǎn)定位兩種方式。

表2 基于B/S的Online-GNSS后處理服務(wù)Tab.2 Online-GNSS post processing service based on B/S

已有大量研究結(jié)果表明，靜態(tài)觀測模式下GNSS后處理服務(wù)的單點(diǎn)定位和相對定位精度幾乎相當(dāng)。24 h GNSS靜態(tài)觀測，相對定位和PPP定位結(jié)果互差僅為幾厘米。相比動態(tài)模式，靜態(tài)觀測更適合在高精度場景應(yīng)用。

收集50個GNSS觀測站2020年5月3日觀測數(shù)據(jù)，采樣頻率為30 s，表3顯示了使用不同Online-GNSS服務(wù)獲得的平均解算結(jié)果。結(jié)果顯示不同觀測時長（1～12 h）定位結(jié)果差異非常大。表4顯示了Bernese 5.2處理的坐標(biāo)與Online-GNSS服務(wù)解決方案之間的差異。從表3、表4的結(jié)果分析，RTX的結(jié)果最為優(yōu)越，精度最好，表3統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)RTX觀測時長達(dá)到6 h，在線解算結(jié)果能夠達(dá)到毫米級別，觀測時長2 h即可穩(wěn)定在2 cm左右精度。由表4可見，Trimble-RTX定位結(jié)果穩(wěn)定，在開闊場地和存在遮擋的地方，均能獲得2 cm以內(nèi)定位結(jié)果。

表3 Online-GNSS在線服務(wù)解算精度內(nèi)符合精度Tab.3 Internal consistency accuracy of Online-GNSS online service solution

表4 Online-GNSS在線服務(wù)與Bernese定位結(jié)果互差Tab.4 Online-GNSS online service and Bernese location results

2 RTX-PP獲取CGCS2000坐標(biāo)

RTX是美國天寶（Trimble）公司推出的一種全球范圍內(nèi)的在線定位服務(wù)，可以提供實(shí)時厘米級精度（收費(fèi)）和事后毫米級精度（免費(fèi)）。RTX后處理服務(wù)（RTX-PP）具有卓越的載波相位模糊度固定算法，不受時間和區(qū)域影響快速地獲得高精度定位結(jié)果。基于Trimble全球分布的GNSS監(jiān)測站進(jìn)行實(shí)時衛(wèi)星定軌，實(shí)時鐘差擬合采樣率為1 Hz，滿足高頻高精度用戶需求。

RTX-PP采用GPS、GLONASS、Galileo、BeiDou和QZSS衛(wèi)星雙頻偽距和載波相位測量，從衛(wèi)星端到接收機(jī)的載波相位和偽距測量方程表示如下[4,6]：

式中，Φi和Pi分別為頻率i載波相位和偽距觀測值；ρ為衛(wèi)星到接收機(jī)天線的幾何距離；c為信號傳播速度，一般等于光速；dT和dt分別為接收機(jī)和衛(wèi)星鐘差；T為對流層延遲；Ii為頻率i的電離層延遲；Ai和ai分別為接收機(jī)和衛(wèi)星對于頻率i的偏移和變化；WΦ和wΦ分別為接收機(jī)和衛(wèi)星的天線相位轉(zhuǎn)繞；BΦ,i和bΦ,i分別為接收機(jī)和衛(wèi)星對于頻率的載波相位偏差；BP,i和bP,i分別為接收機(jī)和衛(wèi)星對于頻率i的偽距偏差；λi為頻率i的載波波長；Ni為頻率i的整周模糊度；mΦ,i和mP,i分別為頻率i的載波相位和偽距的多路徑效應(yīng)；εΦ,i和εP,i分別為頻率i的載波相位和偽距的誤差和殘差。

利用RTX-PP快速高精度的定位結(jié)果，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換（框架轉(zhuǎn)換和歷元轉(zhuǎn)換）獲得CGCS2000坐標(biāo)技術(shù)路線如圖1所示，其中框架轉(zhuǎn)換模型有嚴(yán)密的數(shù)據(jù)公式，遵循Bursa模型7參數(shù)三維空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[7-8]如下：

圖1 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.1 Flow chart of data processing

式中，（X，Y，Z）為原坐標(biāo)框架；（XS、YS、ZS）為目標(biāo)坐標(biāo)框架；（Tx、Ty、Tz）為兩個框架原點(diǎn)三分量差值；D為尺度縮放因子；（Rx、Ry、Rz）為三分量旋轉(zhuǎn)角度因子。模型中的具體參數(shù)值可由ITRF官網(wǎng)（https://itrf.ign.fr/trans_para.php）查詢[9]。

圖1中所述歷元轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵是站點(diǎn)速度場求取。RTX-PP直接提供的方法是基于全球板塊邊界模型NNRMORVEL56，具體思路是假設(shè)大陸地殼為剛體[10]，那么任一點(diǎn)的運(yùn)動速度應(yīng)滿足下式：

式 中，（x、y、z） 為 站 點(diǎn) 坐 標(biāo) ；為站點(diǎn)速度；（Ωx、Ωy、Ωz）為歐拉矢量，由NNRMORVEL56可求取獲得。

利用現(xiàn)今中國擁有近萬個密集的GNSS連續(xù)監(jiān)測站（陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)、北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)、各省CORS等），可獲得大陸廣大地區(qū)的速度場，將國土按照3°×3°的格網(wǎng)劃分[11]，加權(quán)平均獲得格網(wǎng)速度，站點(diǎn)落在格網(wǎng)內(nèi)直接查表將格網(wǎng)速度代表站點(diǎn)速度。獲得站點(diǎn)速度以后，即可獲得不同歷元的坐標(biāo)關(guān)系式：

式中，t為時間；EPOCH為參考時刻，如CGCS2000坐標(biāo)系參考時間為2000.0；P為站點(diǎn)坐標(biāo)；V為站點(diǎn)速度。

本文收集了3個不同區(qū)域、不同等級的國家級GNSS點(diǎn)，采用天寶R10接收機(jī)靜態(tài)觀測2 h測試獲得CGCS2000坐標(biāo)精度，圖2展示了國家級GNSS點(diǎn)信息和分布區(qū)域，測試結(jié)果見表5。分析定位結(jié)果，發(fā)現(xiàn)格網(wǎng)法比RTX-PP計(jì)算的CGCS2000坐標(biāo)精度更好。具體而言，格網(wǎng)法精度在厘米級別（＜7 cm），RTX-PP精度在分米級別（＜2 dm）。

圖2 GNSS測試點(diǎn)及活動塊體空間分布Fig.2 Spatial distribution of GNSS test points and active blocks

表5 RTX-PP獲得CGCS2000坐標(biāo)精度結(jié)果Tab.5 Accuracy results of CGCS2000 coordinates obtained by RTK-PP

3 結(jié) 論

本文介紹了Online-GNSS服務(wù)優(yōu)缺點(diǎn)，針對目前常見的在線服務(wù)，收集50個GNSS觀測站2020年5月3日的觀測數(shù)據(jù)，驗(yàn)證Online-GNSS定位精度，得出如下結(jié)論。

1）TX的結(jié)果最為優(yōu)越，精度最好。GNSS觀測時長達(dá)到6 h，RTX在線解算結(jié)果精度能夠達(dá)到毫米級別；觀測時長2 h即可穩(wěn)定在2 cm左右精度。

2）TX-PP提供的CGCS2000定位結(jié)果精度在2 dm以內(nèi)；格網(wǎng)法獲得的站點(diǎn)速度進(jìn)行歷元轉(zhuǎn)換獲得CGCS2000坐標(biāo)精度較好，能夠達(dá)到厘米級別。

3）研究成果對GNSS工程化應(yīng)用具有一定指導(dǎo)性，可以實(shí)現(xiàn)厘米級別的圖根控制點(diǎn)及E級城市控制點(diǎn)。后續(xù)將研究提高全球板塊邊界模型的歐拉矢量精度，從而獲得更高精度的塊體速度場模型。