曾祥新，邱蕾，王澤民

(1.南寧市勘測(cè)院，廣西南寧 530021； 2.中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，廣東深圳 518055；3.武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北武漢 430079)

高精度三維GPS控制網(wǎng)的建立與數(shù)據(jù)處理

曾祥新1?，邱蕾2，王澤民3

(1.南寧市勘測(cè)院，廣西南寧 530021； 2.中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，廣東深圳 518055；3.武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北武漢 430079)

全面介紹了南寧市城市高精度三維GPS控制網(wǎng)的概況，然后討論了利GAMIT/GLOBK軟件處理控制網(wǎng)的基線處理方案和網(wǎng)平差方案，計(jì)算出各個(gè)測(cè)站在ITRF2005框架下的三維直角坐標(biāo)，得出南寧市三維GPS控制網(wǎng)不論從布網(wǎng)，還是精度上均達(dá)到甚至優(yōu)于國(guó)家B級(jí)GPS網(wǎng)的結(jié)論。

基線向量解算；網(wǎng)平差；控制網(wǎng)

GPS定位技術(shù)可以直接精確地測(cè)定地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)，該技術(shù)以其高精度、全天候、高效率等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于測(cè)繪行業(yè)的各方面。南寧市不同起算點(diǎn)、不同期的GPS控制網(wǎng)間出現(xiàn)縫隙給使用帶來麻煩，且城區(qū)東西跨度近100 km，邊緣投影存在形變問題，同時(shí)為了提高現(xiàn)有測(cè)繪體系的精度，建立南寧市現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系已迫在眉睫。

本文結(jié)合南寧市基礎(chǔ)測(cè)繪項(xiàng)目，采用GAMIT軟件綜合精密星歷、近軌天體攝動(dòng)及地球自身規(guī)律性變化等各種因素，對(duì)南寧市框架網(wǎng)的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到較理想的結(jié)果，建立了南寧市高精度GPS控制網(wǎng)。

1 控制網(wǎng)概況

南寧市高精度GPS控制網(wǎng)建立分框架網(wǎng)(B級(jí)網(wǎng))和基本控制網(wǎng)(C級(jí)網(wǎng))二級(jí)進(jìn)行。B級(jí)網(wǎng)有12個(gè)點(diǎn)，平均站間距30 km～40 km，其中5點(diǎn)為南寧市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)(NNCORS)基準(zhǔn)站點(diǎn)，構(gòu)成GPS控制網(wǎng)的框架。在B級(jí)框架網(wǎng)的基礎(chǔ)上布設(shè)C級(jí)GPS控制網(wǎng)共184個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)間距約5 km～12 km，盡可能將測(cè)區(qū)范圍內(nèi)已有等級(jí)控制點(diǎn)如一、二等三角點(diǎn)、國(guó)家GPS網(wǎng)點(diǎn)、原城市控制網(wǎng)等級(jí)點(diǎn)納入。采用GPS技術(shù)進(jìn)行了觀測(cè)，共采用12臺(tái)雙頻GPS接收機(jī)，B級(jí)網(wǎng)共觀測(cè)了26 d，采樣間隔1 s，C級(jí)網(wǎng)觀測(cè)26個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段8 h，采樣間隔15 s。

2 GPS控制網(wǎng)基線向量解算

基線處理采用美國(guó)麻省理工學(xué)院和Scripps研究所共同研制的GAMIT 10.31軟件?；€處理分兩步進(jìn)行，首先是框架網(wǎng)(B級(jí)網(wǎng))的基線處理，其次是C級(jí)網(wǎng)的基線處理?？蚣芫W(wǎng)(B級(jí)網(wǎng))與C級(jí)網(wǎng)基線處理的方法基本相同，不同之處在于:框架網(wǎng)聯(lián)測(cè)IGS跟蹤站，而對(duì)于C級(jí)GPS網(wǎng)，則以精確的框架點(diǎn)坐標(biāo)為基準(zhǔn)，先從有框架點(diǎn)的同步觀測(cè)網(wǎng)開始解算，然后用推算得到的未知測(cè)站的坐標(biāo)作為基準(zhǔn)來解算相鄰的同步觀測(cè)網(wǎng)，乃至整個(gè)GPS控制網(wǎng)。

2.1 基線解算的主要模型和參數(shù)

采用GAMIT軟件對(duì)所有基線進(jìn)行分天處理，首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行周跳探測(cè)和修復(fù)，刪除粗差后生成干凈的觀測(cè)數(shù)據(jù)文件(X文件)，然后根據(jù)IGS精密星歷進(jìn)行軌道積分、生成觀測(cè)方程和解算基線，最后得出單天解。

在單天基線解算時(shí)考慮的主要因素包括:協(xié)議慣性參考系采用J2000；衛(wèi)星鐘差的模型改正用IGS精密星歷中的鐘差參數(shù)；接收機(jī)鐘差的模型改正(用根據(jù)偽距觀測(cè)值計(jì)算出的鐘差)；接收機(jī)鐘差的模型改正用根據(jù)偽距觀測(cè)值計(jì)算的鐘差；電離層折射影響用LC觀測(cè)值消除；對(duì)流層折射根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)大氣模型用Saastamoinen模型改正，對(duì)流層天頂距延遲每2 h設(shè)置一個(gè)；衛(wèi)星和接收機(jī)天線相位中心進(jìn)行改正，天線L1、L2相位中心偏差采用GAMIT軟件的默認(rèn)值；測(cè)站位置的潮汐改正采用全球潮汐格網(wǎng)進(jìn)行內(nèi)插；衛(wèi)星軌道改進(jìn)使用GAMIT標(biāo)準(zhǔn)力模型，求解衛(wèi)星軌道初值，光壓模型采用BERNE模型解算；衛(wèi)星截止高度角為15°，歷元間隔為1 s，C級(jí)網(wǎng)歷元間隔為15 s，衛(wèi)星軌道誤差不考慮，即固定IGS軌道定位。

另外為了引入基準(zhǔn)條件，從IGS網(wǎng)站上下載了約5個(gè)IGS跟蹤站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，與所在區(qū)域的觀測(cè)站一并處理。其中框架網(wǎng)聯(lián)測(cè)的IGS站和坐標(biāo)基準(zhǔn)如表1所示。這些IGS跟蹤站的位置精度并不一致，對(duì)其中坐標(biāo)精度較高的觀測(cè)站SHAO，WUHN，KUNM采用強(qiáng)約束(X，Y，Z方向的約束值分別為1 cm，1 cm，1 cm)，其他IGS測(cè)站采用松約束，其目的在于利用多余觀測(cè)站進(jìn)行檢查整網(wǎng)的數(shù)據(jù)解算結(jié)果是否正確。

NNCORS框架網(wǎng)基線解算方案 表1

2.2 基線處理的精度統(tǒng)計(jì)與結(jié)果分析

基線的精度是衡量基線質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，因而在同步圖形基線處理完畢后，需要對(duì)控制網(wǎng)中的基線及基線中各分量的精度、同步環(huán)、異步環(huán)閉合差以及重復(fù)基線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

(1)同步環(huán)檢核

對(duì)于GAMIT軟件基線解的同步環(huán)檢核，可以把基線解的nrms值作為同步環(huán)質(zhì)量好壞的一個(gè)指標(biāo)，一般要求nrms值小于0.5，不能大于1.0，若nrms值小于0.3表明基線解的質(zhì)量很好。26個(gè)單天解的nrms在圖1中繪出。從圖中可以看出，南寧市GPS框架網(wǎng)中的NNCORS參考站點(diǎn)共解算了26個(gè)同步時(shí)段，基線解的nrms值全部小于0.3，結(jié)果表明GPS網(wǎng)的外業(yè)觀測(cè)整體質(zhì)量很高，基線解算的精度也很好。

圖1 NNCORS參考站點(diǎn)共解算了26個(gè)同步時(shí)段單天解的nrms序列

(2)異步環(huán)閉合差和重復(fù)基線

異步環(huán)閉合差反映了整個(gè)GPS網(wǎng)的外業(yè)觀測(cè)質(zhì)量和基線解算質(zhì)量的可靠性，相對(duì)于同步環(huán)閉合差，異步環(huán)閉合差對(duì)GPS成果質(zhì)量更為重要。異步環(huán)閉合差應(yīng)滿足:

按照B級(jí)網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(a＝8 mm，b＝1 ppm)，對(duì)框架網(wǎng)和C級(jí)網(wǎng)進(jìn)行檢核。在檢核的異步環(huán)中，所有的異步環(huán)閉合差都小于《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》的要求。重復(fù)基線差最大的基線，其相對(duì)精度為0.05 ppm，滿足本項(xiàng)目技術(shù)設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

3 GPS網(wǎng)平差

ITRF框架下網(wǎng)平差的目的是通過與國(guó)際IGS跟蹤站的聯(lián)合處理，將ITRF框架基準(zhǔn)分別傳遞至框架網(wǎng)和C級(jí)GPS網(wǎng)，建立三維地心基準(zhǔn)，同時(shí)將高精度三維城市控制網(wǎng)與國(guó)際IGS站聯(lián)結(jié)起來。其過程分兩步進(jìn)行，第一步進(jìn)行框架網(wǎng)平差，由全球IGS站的ITRF2005坐標(biāo)為基準(zhǔn)，確定框架點(diǎn)的坐標(biāo)；第二步進(jìn)行C級(jí)網(wǎng)平差，以框架點(diǎn)的坐標(biāo)為基準(zhǔn)，確定C級(jí)GPS點(diǎn)的坐標(biāo)，網(wǎng)平差軟件采用科傻GPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)5.1。

3.1 框架網(wǎng)平差

在框架網(wǎng)平差中固定IGS基準(zhǔn)站，平差后基線的相對(duì)精度水平方向達(dá)到10－9，垂直方向優(yōu)于10－8。點(diǎn)位精度在表2中列出。平差時(shí)采用科傻GPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)5.1，處理26天的NNCORS基準(zhǔn)站5點(diǎn)與國(guó)際IGS站點(diǎn)之間基線，并把ITRF2005框架瞬時(shí)歷元坐標(biāo)從國(guó)際IGS站傳遞到NNCORS基準(zhǔn)站，從表2中可見5個(gè)NNCORS基準(zhǔn)站的點(diǎn)位精度y方向?yàn)?.6 mm，x方向和z方向精度均高于1 mm。

點(diǎn)位精度 表2

3.2 C級(jí)GPS網(wǎng)平差

C級(jí)GPS網(wǎng)平差在ITRF2005框架下的平差，以NNCORS 5個(gè)參考站的高精度ITRF 2005坐標(biāo)為起算點(diǎn)進(jìn)行全網(wǎng)平差。為了保證整個(gè)GPS網(wǎng)的精度均勻以及平差嚴(yán)密，特意把另外觀測(cè)了3晝夜的7個(gè)框架點(diǎn)以及所有C級(jí)GPS網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行一并平差。表3、表4分別為C級(jí)GPS網(wǎng)三維無約束平差基線向量改正數(shù)及改正數(shù)區(qū)間分布統(tǒng)計(jì)，圖2為基線向量改正數(shù)在各個(gè)方向的分布圖。從表3表4和圖2可知，網(wǎng)平差得到的基線觀測(cè)量坐標(biāo)分量改正數(shù)較小，C級(jí)GPS網(wǎng)觀測(cè)質(zhì)量良好，平差基線內(nèi)符合精度高。

圖2 基線分量改正數(shù)分布圖

C級(jí)網(wǎng)平差基線向量改正數(shù)統(tǒng)計(jì) 表3

改正數(shù)區(qū)間分布統(tǒng)計(jì) 表4

南寧市C級(jí)GPS控制網(wǎng)三維約束平差以5個(gè)NNCORS基準(zhǔn)站，即QITG、NALU、NANN、NACH、JILG為起算基準(zhǔn)。C級(jí)網(wǎng)整網(wǎng)進(jìn)行平差后，C級(jí)網(wǎng)的平均邊長(zhǎng)為24.468 km，平均相對(duì)精度為0.035 ppm，最弱邊相對(duì)精度為1.10 ppm，邊長(zhǎng)為0.940 9 km。坐標(biāo)分量在水平方向上的平均精度為0.000 5 m，大地高方向?yàn)?.003 m。最弱點(diǎn)水平精度為0.007 m，大地高精度為0.016 m。表5、表6、表7為C級(jí)GPS網(wǎng)點(diǎn)位精度統(tǒng)計(jì)表。

C級(jí)網(wǎng)三維約束平差邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差區(qū)間分布統(tǒng)計(jì) 表5

C級(jí)網(wǎng)三維約束平差點(diǎn)位精度中誤差統(tǒng)計(jì) 表6

C級(jí)網(wǎng)三維約束平差點(diǎn)位精度中誤差區(qū)間分布統(tǒng)計(jì) 表7

4 結(jié)論與建議

根據(jù)上述比較分析，可得出如下結(jié)論:南寧市高精度GPS網(wǎng)點(diǎn)布設(shè)比較合理，圖形結(jié)構(gòu)好，因此提高了該地區(qū)的三維控制網(wǎng)精度；解算的基線向量用同步環(huán)和異步環(huán)進(jìn)行檢測(cè)，質(zhì)量高。從平差結(jié)果來看，南寧市C級(jí)GPS控制網(wǎng)ITRF框架下三維約束平差無論是在點(diǎn)位精度，還是基線改正數(shù)以及基線相對(duì)中誤差等方面均達(dá)到或超過了規(guī)范和技術(shù)設(shè)計(jì)書有關(guān)C級(jí)GPS網(wǎng)的相關(guān)精度要求，為區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化提供高精度三維大地坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

[1] 寧津生，劉經(jīng)南，陳俊勇等.現(xiàn)代大地測(cè)量理論與技術(shù)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2006

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Establishment and Data Processing of Three－dimensional GPS Control Network

Zeng XiangXin1，Qiu Lei2，Wang ZeMin3
(1.Nanning Exploration＆Survey Institute，Nanning 530021；2.Shenzhen Institutes of Advanced Technology，Chinese Academy of Sciences，Shenzhen，518055；3.School of Geodesy and Geomatics，Wuhan 430079)

The high－precision three－dimensional GPS network in Nanning is firstly introduced and then the baseline processing method and network adjustment program using the GAMIT/GLOBK software are discussed in the paper.The three－dimensional Cartesian coordinates under ITRF2005 are obtained by the software.And the conclusion is that threedimensional GPS control network in Nanning，whether from the distribution of the network，or accuracy are achieved even better than the national B－level GPS Network conclusions.

Baseline vector；Network adjustment；Control Network

1672－8262(2011)02－61－04

P228

A

2010—06—09

曾祥新(1966—)，男，高級(jí)工程師，主要從事工程測(cè)量工作。

南寧市科學(xué)技術(shù)局(南寧市高精度三維GPS控制網(wǎng)的建立及似大地水準(zhǔn)面精化，20082019A)