區(qū)域CORS 網(wǎng)數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)研究
——以廣西崇左市為例

周聰林，施 波，鐘新穎

廣西自然資源信息中心，廣西 南寧 530029

連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)（Continuous Operation Reference Stations）簡(jiǎn)稱CORS 系統(tǒng)，由多個(gè)GNSS 基準(zhǔn)站組成。系統(tǒng)計(jì)算和播發(fā)由衛(wèi)星軌道、電離層、對(duì)流層和大氣折射等引起的誤差改正信息，從而對(duì)系統(tǒng)覆蓋區(qū)域內(nèi)的衛(wèi)星定位用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)精密定位[1]。CORS 系統(tǒng)能夠全天候不間斷地記錄衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)的各等級(jí)控制網(wǎng)布設(shè)提供已知基準(zhǔn)點(diǎn)。CORS 系統(tǒng)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)控制測(cè)量方式，外業(yè)數(shù)據(jù)觀測(cè)無需進(jìn)行已知點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，即可計(jì)算待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。在計(jì)算過程中，合理的解算策略對(duì)成果精度影響很大。樊豐新、王健等講解了不同解算策略下區(qū)域網(wǎng)平差精度對(duì)比；張留民、劉長(zhǎng)星、付宏亮等指出了大規(guī)?？刂凭W(wǎng)計(jì)算時(shí)，起算點(diǎn)位置和個(gè)數(shù)對(duì)于平差成果的精度影響；文鴻雁討論了廣西區(qū)C 級(jí)GPS 控制網(wǎng)整體平差的問題；黎鵬驗(yàn)證了GAMIT 軟件和CosaGPS 軟件在高等級(jí)控制網(wǎng)平差中的高精度應(yīng)用。基于以上研究成果，研究小組進(jìn)一步分析區(qū)域CORS 快速組網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)，以崇左市新建CORS 網(wǎng)為例，研究區(qū)域CORS 網(wǎng)數(shù)據(jù)處理方法，總結(jié)CORS 網(wǎng)加密和控制網(wǎng)建設(shè)數(shù)據(jù)處理的技術(shù)方案。

1 研究區(qū)概況

此次研究區(qū)域?yàn)閺V西崇左市。崇左市位于廣西西南部，東及東南部接南寧市、欽州市，北鄰百色市，西與越南接壤，是廣西邊境線陸路最長(zhǎng)的地級(jí)市，總面積17440 km2。崇左市地勢(shì)大致呈西北及西南略高、向東傾斜狀，地處北回歸線以南，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。廣西衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)（簡(jiǎn)稱GXCORS）在崇左地區(qū)建設(shè)有7 座基準(zhǔn)站，站間距50 km 左右[2]。2018年，為了提高GXCORS 在崇左地區(qū)的站點(diǎn)密度，實(shí)現(xiàn)北斗衛(wèi)星信號(hào)的全覆蓋，崇左市在原有基準(zhǔn)站的基礎(chǔ)上新建9 座基準(zhǔn)站點(diǎn)，組建了崇左CORS 系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱CZCORS）。同時(shí)，CZCORS 統(tǒng)一納入GXCORS 運(yùn)行管理，進(jìn)一步為“數(shù)字崇左”建設(shè)和崇左市各行各業(yè)提供高精度定位服務(wù)。

2 技術(shù)方案設(shè)計(jì)

區(qū)域CORS 網(wǎng)在并網(wǎng)建設(shè)時(shí)，一般引入原有的已知基準(zhǔn)站點(diǎn)進(jìn)行整網(wǎng)平差計(jì)算，從而獲取新建站點(diǎn)坐標(biāo)。在這個(gè)過程中，網(wǎng)形的構(gòu)建、起算站點(diǎn)的選擇、軟件及參數(shù)的設(shè)置、精度配置等技術(shù)流程和方案的設(shè)計(jì)影響著最終成果的精度。相關(guān)參數(shù)參照《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》（GB/T18314-2009）（以下簡(jiǎn)稱國(guó)標(biāo)）進(jìn)行設(shè)定。

2.1 網(wǎng)形構(gòu)建

CORS 基準(zhǔn)站可以24 小時(shí)不間斷地觀測(cè)數(shù)據(jù)，使用時(shí)可直接調(diào)取存儲(chǔ)的相應(yīng)年積日GNSS 觀測(cè)數(shù)據(jù)，無需外業(yè)數(shù)據(jù)采集。在引入A、B 級(jí)控制點(diǎn)組網(wǎng)時(shí)，需要與待測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)組建同步環(huán)并進(jìn)行外業(yè)聯(lián)測(cè)。引入A、B 級(jí)控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)除了能反映數(shù)據(jù)處理的精度，還能通過現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)測(cè)來評(píng)判外業(yè)作業(yè)過程的可靠性[3-4]。綜上，此項(xiàng)目采用“GXCORS 基準(zhǔn)站+A、B 級(jí)高等級(jí)控制點(diǎn)”作為組網(wǎng)聯(lián)測(cè)方案。

研究小組利用崇左市及周邊的7 座GXCORS基準(zhǔn)站和測(cè)區(qū)內(nèi)各1 個(gè)A、B 級(jí)控制點(diǎn)，與9座待測(cè)基準(zhǔn)站組建區(qū)域CORS 網(wǎng)（見圖1）。

圖1 CZCORS 系統(tǒng)建設(shè)GNSS 基準(zhǔn)站點(diǎn)聯(lián)測(cè)布設(shè)圖

2.2 GXCORS 基準(zhǔn)站選擇原則

作為起算點(diǎn)的GXCORS 基準(zhǔn)站，應(yīng)均勻分布并包圍整個(gè)測(cè)區(qū)。此項(xiàng)目是對(duì)崇左地區(qū)CORS 網(wǎng)的局部補(bǔ)充、加密建設(shè)。參與組網(wǎng)的A 級(jí)控制點(diǎn)點(diǎn)數(shù)應(yīng)均勻分布且不少于4 個(gè)，組網(wǎng)中心至少有1 個(gè)以上A 級(jí)控制點(diǎn)，其中GXCORS 基準(zhǔn)站作為A 級(jí)控制點(diǎn)參與計(jì)算。綜上，實(shí)際參與計(jì)算的有9 個(gè)已知點(diǎn)，其中A 級(jí)CORS 基準(zhǔn)站點(diǎn)7 個(gè)，A、B 級(jí)控制點(diǎn)各1 個(gè)。一般工程測(cè)量控制網(wǎng)建設(shè)時(shí)，需要對(duì)參與計(jì)算的GXCORS 基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行切割，僅保留與待測(cè)點(diǎn)同時(shí)段的靜態(tài)數(shù)據(jù)參與計(jì)算，從而提高最終成果的可靠性。

2.3 軟件及參數(shù)設(shè)置

常用的高等級(jí)控制網(wǎng)主要采用科研軟件來處理內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)，如GAMIT、Bernese 等。研究小組主要利用GAMIT 軟件進(jìn)行基線解算，并采用武漢大學(xué)的CosaGPS 軟件進(jìn)行平差處理。GAMIT 軟件參數(shù)設(shè)置具體如表1 所示[5]。

表1 GAMIT 軟件基線處理參數(shù)設(shè)置表

2.4 精度要求

此項(xiàng)目?jī)?nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和成果精度評(píng)價(jià)參照國(guó)標(biāo)規(guī)范執(zhí)行。GXCORS 基準(zhǔn)站是A 級(jí)網(wǎng)，項(xiàng)目計(jì)算得到的是B 級(jí)網(wǎng)成果，因此主要參照規(guī)范中B 級(jí)網(wǎng)的精度要求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。其中平差后基線精度不應(yīng)低于1×10-7，閉合環(huán)邊數(shù)不應(yīng)大于6。

2.5 技術(shù)流程

（1）方案設(shè)計(jì)。組網(wǎng)方案和數(shù)據(jù)處理方案從已知點(diǎn)和網(wǎng)形組建、軟件和參數(shù)選擇、解算精度要求3 方面來確定。（2）數(shù)據(jù)處理。分為基線處理和約束平差兩部分。（3）精度分析。從基線解算精度、同步環(huán)異步環(huán)閉合差精度和點(diǎn)位精度3 個(gè)角度來進(jìn)行綜合分析，全部合格才可以認(rèn)為解算成功?；贕XCORS 基準(zhǔn)站的GNSS 數(shù)據(jù)處理技術(shù)路線設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 基于GXCORS 基準(zhǔn)站的GNSS 數(shù)據(jù)處理技術(shù)路線圖

3 GNSS 數(shù)據(jù)處理精度分析

研究小組開展9 個(gè)待測(cè)基準(zhǔn)站點(diǎn)和2 個(gè)A、B 級(jí)控制點(diǎn)GNSS 觀測(cè)，分別選取GXCORS 基準(zhǔn)站JZ02、JZ36、JZ57 等7 個(gè)基準(zhǔn)站的6 天同步觀測(cè)數(shù)據(jù)組成B 級(jí)控制網(wǎng)，同步觀測(cè)時(shí)間符合國(guó)標(biāo)B 級(jí)規(guī)范。

根據(jù)表1 的參數(shù)設(shè)置，配置精密星歷進(jìn)行解算，導(dǎo)出衛(wèi)星觀測(cè)文件（O文件），在O 文件中第二次基線處理結(jié)果的前一行插入“COSAGPSFOR GAMIT O-FILE”指令，導(dǎo)入CosaGPS 軟件進(jìn)行三維無約束平差、三維約束平差計(jì)算。

3.1 基線精度分析

3.1.1 NRMS 評(píng)價(jià)

單日解的標(biāo)準(zhǔn)化均方根（NRMS）是評(píng)價(jià)GAMIT 軟件基線解算精度的重要指標(biāo)之一。一般認(rèn)為NRMS 值≤0.3 為解算成功，NRMS值＞0.5 說明解算過程中有部分周跳未被探測(cè)修復(fù)，需要檢查原因并重新解算[5]。研究小組統(tǒng)計(jì)O 文件中的NRMS 數(shù)值（如圖3 所示）。由圖3 可知，各年積日的NRMS 數(shù)值均不大于0.2，這說明基線解算中同步環(huán)閉合差分配較好，解算生成的O 文件可以進(jìn)入下一步數(shù)據(jù)處理。

圖3 基線解算NRMS 值圖

3.1.2 同步環(huán)和異步環(huán)統(tǒng)計(jì)

研究小組利用CosaGPS 軟件統(tǒng)計(jì)同步環(huán)和異步環(huán)，得到598 個(gè)同步環(huán)和132 個(gè)異步環(huán)。以長(zhǎng)度閉合差為最優(yōu)閉合差選擇依據(jù)，列出最優(yōu)和最弱環(huán)（見表2）。

根據(jù)表2 可知，同步環(huán)中最弱環(huán)JZ62-CZ09-CZ03 的各分量閉合差分別為7.1 mm、-7.8 mm、-1.1 mm，均小于軟件根據(jù)國(guó)標(biāo)計(jì)算出的坐標(biāo)閉合差限差23.2 mm；長(zhǎng)度閉合差為10.6 mm，遠(yuǎn)低于長(zhǎng)度閉合差限差40.1 mm；同步環(huán)中最優(yōu)環(huán)JZ57-CZ01-CZ02的各分量閉合差和長(zhǎng)度閉合差均為0.1 mm，分別小于限差12.7 mm 和22.0 mm；平均長(zhǎng)度閉合差是3.8 mm。以上數(shù)據(jù)說明處理后的同步環(huán)具有較高精度，符合國(guó)標(biāo)精度要求。

CosaGPS 軟件中異步環(huán)報(bào)表內(nèi)容分為預(yù)處理和精處理兩部分。在相同閉合環(huán)的兩部分處理結(jié)果中，各分量閉合差和長(zhǎng)度閉合差相同，僅各指標(biāo)的限差不同，精處理報(bào)表中的限差值遠(yuǎn)低于預(yù)處理報(bào)表，因此研究小組以精處理報(bào)表結(jié)果為異步環(huán)分析依據(jù)。分析表2 可知，最弱環(huán)中的各分量閉合差和長(zhǎng)度閉合差分別為-3.5 mm、-9.7 mm、-21.6 mm和23.9 mm，分別小于對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)閉合差限差23.7 mm 和長(zhǎng)度閉合差限差27.0 mm；最優(yōu)環(huán)中的各分量閉合差和長(zhǎng)度閉合差分別為-0.1 mm、-0.3 mm、0.6 mm 和0.7 mm，分別小于對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)閉合差限差9.0 mm 和長(zhǎng)度閉合差限差19.8 mm；平均長(zhǎng)度閉合差為6.03 mm。由以上數(shù)據(jù)可以認(rèn)為此次計(jì)算過程中的異步環(huán)具有較高精度，符合國(guó)標(biāo)精度要求。

表2 同步環(huán)和異步環(huán)閉合差統(tǒng)計(jì)表

3.1.3 重復(fù)基線

CosaGPS 軟件中輸出的重復(fù)基線報(bào)表內(nèi)容分為長(zhǎng)度差值比較和精處理兩部分。研究小組以精處理輸出報(bào)表為分析依據(jù)，對(duì)146 組539條重復(fù)基線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3 所示。

三維無約束平差基線分量改正數(shù)統(tǒng)計(jì)表如表4 所示。根據(jù)表3、表4 可知，146 組重復(fù)基線中最弱基線是CZ01-CZ09，該基線在X、Y、Z 方向上的長(zhǎng)度差值均符合限差要求；最優(yōu)基線是JZ57-JZ58，該基線各方向差值和長(zhǎng)度差值均符合限差要求；整體來看，各方向上平均差值均小于±2 mm，平均長(zhǎng)度差值5.7 mm，系統(tǒng)評(píng)價(jià)合格。

表3 重復(fù)基線統(tǒng)計(jì)表

3.2 網(wǎng)平差處理

網(wǎng)平差主要進(jìn)行三維無約束平差和三維約束平差計(jì)算。三維無約束平差用任一GXCORS基準(zhǔn)站點(diǎn)作為起算點(diǎn)平差，進(jìn)行粗差分析，探測(cè)剔除觀測(cè)向量中的粗差，并對(duì)整網(wǎng)內(nèi)部精度進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)估。

3.2.1 三維無約束平差

三維無約束平差后導(dǎo)出基線向量殘差報(bào)表，統(tǒng)計(jì)基線各分量改正數(shù)如表4 所示。

根據(jù)表4，最弱邊CZ01-JZ64的各方向分量改正數(shù)分別為-1.2 mm、9.6 mm、14.3 mm，均小于CosaGPS 軟件輸出限差44.5 mm；最優(yōu)邊JZ62-CZ04 的各方向分量改正數(shù)分別為0.2 mm、-0.6 mm、0.3 mm，均小于限差11.3 mm，無論是最優(yōu)邊還是最弱邊，基線各分量改正數(shù)均小于對(duì)應(yīng)限差，符合國(guó)標(biāo)精度要求。

表4 三維無約束平差基線分量改正數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3.2.2 三維約束平差

無約束合格后應(yīng)合理選擇3 個(gè)以上基準(zhǔn)站點(diǎn)作為起算點(diǎn)進(jìn)行三維約束平差，研究小組選擇了5 個(gè)均勻分布的基準(zhǔn)站點(diǎn)進(jìn)行三維約束平差。統(tǒng)計(jì)基線各分量改正數(shù)如表5 所示。

根據(jù)表5，最優(yōu)邊CZ02-CZ05 的各方向分量改正數(shù)分別為0.4 mm、-0.4 mm、-0.1 mm，小于CosaGPS 軟件輸出限差15.8 mm；最弱邊JZ36-JZ62 的各方向分量改正數(shù)分別為20.8 mm、-13.4 mm、-11.2 mm，小于限差21.9 mm。

表5 三維約束平差基線分量改正數(shù)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)國(guó)標(biāo)要求，約束平差后基線向量的改正數(shù)與無約束平差結(jié)果的同名基線相應(yīng)改正數(shù)的較差（dvΔx，dvΔy，dvΔz）應(yīng)當(dāng)小于2σ，統(tǒng)計(jì)較差結(jié)果如表6 所示。由表6 可知，最優(yōu)邊的各方向基線分量改正數(shù)較差均為0.1 mm，小于限差24.8 mm，最弱邊的各方向基線分量改正數(shù)較差分別為-16.0 mm、9.0 mm、10.9 mm，均小于限差73.5 mm，符合國(guó)標(biāo)規(guī)范要求。

表6 三維約束平差基線分量改正數(shù)較差統(tǒng)計(jì)表

3.2.3 約束平差后基線邊長(zhǎng)和點(diǎn)位精度分析

三維約束平差后，導(dǎo)出CosaGPS 軟件約束后邊長(zhǎng)和參與計(jì)算的點(diǎn)位精度等相關(guān)成果報(bào)表，分析統(tǒng)計(jì)邊長(zhǎng)中誤差和基線相對(duì)中誤差極值（見表7）。

表7 三維約束后邊長(zhǎng)精度統(tǒng)計(jì)表

此次三維約束平差結(jié)果中，邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差最大的是基線A117-CZ06，長(zhǎng)度22.8 km，平差后相對(duì)精度為1 ∶3300 萬，優(yōu)于國(guó)標(biāo)要求的1 ∶107，最優(yōu)基線CZ09-JZ57 的邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差為1 ∶44502 萬，達(dá)到了1 ∶109，滿足B 級(jí)控制網(wǎng)的要求。

三維約束平差有18 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)參與計(jì)算，其中起算點(diǎn)有5 個(gè)，計(jì)算得到13 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)，其中有9 個(gè)待測(cè)點(diǎn)，4 個(gè)檢核點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)平差后的各點(diǎn)位中誤差如圖4 所示。

圖4 中，約束平差后得到的13 個(gè)點(diǎn)的點(diǎn)位誤差均在2.5 mm 以內(nèi)，絕大部分點(diǎn)位X、Y和Z 方向的中誤差＜2 mm，最優(yōu)點(diǎn)CZ04 各方向點(diǎn)位中誤差＜1.5 mm，最弱點(diǎn)是A117，Y 方向中誤差是2.1 mm。

圖4 點(diǎn)位中誤差統(tǒng)計(jì)圖

3 個(gè)方向的平均點(diǎn)位中誤差分別是0.7 mm、1.6 mm 和0.8 mm，綜合來看，此次約束平差的X 和Z 方向的點(diǎn)位中誤差＜1 mm，Y方向點(diǎn)位中誤差＜2 mm，精度較弱，整體成果精度良好。

3.3 整體精度評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)項(xiàng)目解算成果精度，研究小組用GXCORS 基準(zhǔn)站和高等級(jí)已知控制點(diǎn)檢驗(yàn)三維約束平差計(jì)算成果。

參與檢驗(yàn)的有2 個(gè)CORS 基準(zhǔn)點(diǎn)、1 個(gè)A 級(jí)控制點(diǎn)和1 個(gè)B 級(jí)控制點(diǎn)。4 個(gè)平差檢驗(yàn)點(diǎn)的平面坐標(biāo)誤差＜±5 mm，高程坐標(biāo)誤差＜±10 mm；平面X 方向和Y 方向坐標(biāo)誤差絕對(duì)值的平均值分別是2.75 mm 和1.93 mm，高程H 方向坐標(biāo)誤差絕對(duì)值的平均值是4.6 mm。綜合來看，此次平差成果整體具有很高的計(jì)算精度，符合國(guó)標(biāo)B 級(jí)控制網(wǎng)規(guī)范要求。

4 技術(shù)要點(diǎn)

（1）組網(wǎng)和起算點(diǎn)的選擇。市級(jí)區(qū)域CORS 網(wǎng)一般為B 級(jí)網(wǎng)，為了保證平差精度，研究小組在已知點(diǎn)選擇上遵循均勻分布的原則，將已知點(diǎn)和待測(cè)點(diǎn)穿插分布進(jìn)行組網(wǎng)，網(wǎng)圖的4 個(gè)方向和網(wǎng)中心至少布設(shè)1 個(gè)以上已知點(diǎn)；約束平差時(shí)，從網(wǎng)圖4 個(gè)方向和網(wǎng)中心各取一點(diǎn)作為起算點(diǎn)進(jìn)行平差計(jì)算。

（2）軟件選擇。區(qū)域CORS 網(wǎng)對(duì)平差軟件的要求較高，研究小組選擇的CosaGPS 軟件具有解算容量大、運(yùn)算速度快，兼容多種基線處理軟件數(shù)據(jù)格式和多種規(guī)范要求的特點(diǎn)[6]，比較適合區(qū)域CORS 網(wǎng)的快速處理。

（3）參數(shù)設(shè)置。一般認(rèn)為，距離海岸線1000km 以內(nèi)的高等級(jí)控制網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，需要將潮汐改正考慮在內(nèi)。廣西距離海岸線最遠(yuǎn)的距離約為570 km，因此在廣西區(qū)內(nèi)進(jìn)行區(qū)域CORS 網(wǎng)建設(shè)時(shí)，需要進(jìn)行潮汐改正。

5 結(jié) 語

研究小組以CZCORS 系統(tǒng)建設(shè)為案例，對(duì)區(qū)域CORS 網(wǎng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)方案進(jìn)行了研究。

（1）研究小組采用的“GXCORS 基準(zhǔn)站+A、B 級(jí)高等級(jí)控制點(diǎn)”作為已知基準(zhǔn)點(diǎn)與9 座待測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)組網(wǎng)聯(lián)測(cè)的方案，能夠全面、客觀地反映區(qū)域CORS 網(wǎng)數(shù)據(jù)外業(yè)采集至內(nèi)業(yè)處理的全過程成果精度。

（2）研究小組采用的GAMIT+CosaGPS組合軟件數(shù)據(jù)處理模式，能夠較好地完成高精度區(qū)域CORS 網(wǎng)坐標(biāo)解算任務(wù)，基線解算的NRMS 值＜0.2，基線解算結(jié)果較為理想；約束平差后基線邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差可達(dá)到10-7；檢驗(yàn)點(diǎn)平面坐標(biāo)比對(duì)結(jié)果＜±5 mm，高程比較＜±10 mm；無約束平差基線分量改正數(shù)、約束平差與無約束平差基線分量改正數(shù)較差等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足國(guó)標(biāo)規(guī)范要求，成果達(dá)到B 級(jí)網(wǎng)精度。