馬 琴

（國(guó)家測(cè)繪地理信息局大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理中心，陜西西安 710054）

一、引 言

我國(guó)于20世紀(jì)50年代和80年代分別建立了1954北京坐標(biāo)系和1980西安坐標(biāo)系；于2008年7月1日啟用了原點(diǎn)位于地球質(zhì)心的2000國(guó)家大地坐標(biāo)系（CGCS2000），建立了2000國(guó)家大地控制網(wǎng)，構(gòu)建了我國(guó)三維高精度地心坐標(biāo)框架。前兩套坐標(biāo)系由于建立年代久遠(yuǎn)、點(diǎn)位存在局部形變等原因，后者由于控制網(wǎng)點(diǎn)位數(shù)量與密度有限，都不能滿足遼寧省國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的迫切需求。為了推動(dòng)遼寧省地理信息產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定、快速、可持續(xù)發(fā)展，遼寧省測(cè)繪地理信息局啟動(dòng)了遼寧現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)建設(shè)項(xiàng)目，它是遼寧省區(qū)域性地球動(dòng)力學(xué)研究、局部形變監(jiān)測(cè)、各種精密工程測(cè)量及建立地方和城市坐標(biāo)三維動(dòng)態(tài)大地測(cè)量基準(zhǔn)框架的需要。本項(xiàng)目的完成將為遼寧省國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展提供高質(zhì)量測(cè)量基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

二、項(xiàng)目概況、內(nèi)容、要求及實(shí)施過(guò)程

1.遼寧GPS網(wǎng)概況

遼寧省位于東經(jīng) 118°38＇～ 126°12＇，北緯38°45＇～43°28＇之間，南臨黃海、渤海，是東北地區(qū)唯一既沿海又沿邊的省份，共轄14個(gè)地級(jí)市、17個(gè)縣級(jí)市、27個(gè)縣（含海島），覆蓋面積約為14.81萬(wàn)km2。B級(jí)GPS點(diǎn)應(yīng)均勻布設(shè)，平均邊長(zhǎng)為30 km。C級(jí)GPS點(diǎn)在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)適當(dāng)增加密度，平均邊長(zhǎng)可為10 km；東部山區(qū)密度可稍微稀疏，平均邊長(zhǎng)可為20 km；其他地區(qū)平均邊長(zhǎng)為15 km。

2.項(xiàng)目?jī)?nèi)容

主要內(nèi)容包括GPS外業(yè)觀測(cè)、GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)檢查、內(nèi)業(yè)計(jì)算等工作。根據(jù)“分級(jí)布網(wǎng)，逐級(jí)控制”的原則，應(yīng)在全省GPS B級(jí)網(wǎng)的基礎(chǔ)上布設(shè)GPS C級(jí)點(diǎn)。以B級(jí)GPS網(wǎng)點(diǎn)為起算點(diǎn)，充分利用已有符合要求的GPS網(wǎng)水準(zhǔn)點(diǎn)、三角點(diǎn)、周邊的地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)工程點(diǎn)、2000網(wǎng)點(diǎn)，共計(jì)662點(diǎn)。

3.GPS數(shù)據(jù)采集

遼寧省GPS測(cè)量控制網(wǎng)的外業(yè)數(shù)據(jù)采集使用45臺(tái)型號(hào)分別為天寶5700、天寶NET R3、天寶NET R5、天寶NET R9、SOUTH S86、ZHD_V30雙頻 GPS接收機(jī)進(jìn)行同步觀測(cè)，并在測(cè)區(qū)內(nèi)進(jìn)行基線解算，同步環(huán)、異步環(huán)檢查和兼容性檢查、檢核工作。數(shù)據(jù)的后期處理采用高精度數(shù)據(jù)處理專用軟件或隨機(jī)商用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核執(zhí)行《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》（GB/T 18314—2009）中第12款的相關(guān)內(nèi)容。后期處理包括GPS基線向量網(wǎng)在CGCS2000下的無(wú)約束平差和約束平差。GPS網(wǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)采集整理后的精度指標(biāo)見(jiàn)表1。

三、GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理與分析采用美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的GAMIT/GLOBK軟件。在CGCS2000下，以國(guó)家GPS連續(xù)運(yùn)行站、國(guó)際IGS站（SUWN）等高等級(jí)成果為基準(zhǔn)，采用精密星歷或廣播新星歷，首先進(jìn)行B級(jí)網(wǎng)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理，然后進(jìn)行 C級(jí)網(wǎng)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理。

表1

1.GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)整理

主要包括外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)和其他已有數(shù)據(jù)收集整理、粗差探測(cè)與質(zhì)量評(píng)估。以年積日為單位整理觀測(cè)數(shù)據(jù)，使用隨機(jī)軟件標(biāo)準(zhǔn)化，并將原始觀測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RINEX格式數(shù)據(jù)；統(tǒng)一點(diǎn)位編號(hào)；根據(jù)外業(yè)觀測(cè)手簿，編制觀測(cè)儀器、天線、天線高與天線高量取位置等對(duì)照表；檢查點(diǎn)名一致性與正確性、接收機(jī)與天線型號(hào)的正確性、天線高的正確性及年積日的一致性等。收集整理2000國(guó)家GPS大地控制網(wǎng)CORS站及周邊IGS站等數(shù)據(jù)文件；準(zhǔn)備IGS精密星歷，衛(wèi)星和接收機(jī)天線相位中心改正信息，IGS站、坐標(biāo)和速度場(chǎng)，地球極移，章動(dòng)表信息，太陽(yáng)與月亮表信息，跳秒，地球定向參數(shù)等文件。

2.數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理的主要內(nèi)容包括檢查外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性、完整性、正確性、資料齊全性等。首先對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢核和預(yù)處理，對(duì)于內(nèi)外業(yè)計(jì)算結(jié)果不一致或成果超限等問(wèn)題，應(yīng)分析查明原因并進(jìn)行粗差探測(cè)和剔除，以剔除超限和不合理成果；其次將符合平差計(jì)算要求的絕對(duì)觀測(cè)值和相對(duì)觀測(cè)的段差作為最后觀測(cè)值，統(tǒng)一進(jìn)行測(cè)量成果編號(hào)，按預(yù)定的格式生成平差數(shù)據(jù)文件。

3.采用基準(zhǔn)

1）大地基準(zhǔn):CGCS2000、1954北京坐標(biāo)系和1980西安坐標(biāo)系。

2）高程基準(zhǔn):高程系統(tǒng)采用正常高系統(tǒng)，高程基準(zhǔn)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

3）時(shí)間系統(tǒng):觀測(cè)記錄時(shí)間采用北京時(shí)。

4.測(cè)量精度

GPS B級(jí)點(diǎn)相鄰點(diǎn)基線水平分量中誤差為5 mm，垂直分量中誤差為10 mm。

GPS C級(jí)點(diǎn)相鄰點(diǎn)基線水平分量中誤差為10 mm，垂直分量中誤差為20 mm。

5.基線解算

首先基于CGCS2000獲取先驗(yàn)坐標(biāo)，其坐標(biāo)精度可以達(dá)到0.1 m以內(nèi)。解算結(jié)果可采用雙差解、單差解，并使得同步環(huán)的Nrms小于0.5周?；€解算結(jié)束后應(yīng)進(jìn)行重復(fù)基線、同步環(huán)、異步環(huán)的檢核，檢核結(jié)果應(yīng)符合規(guī)范要求。

重復(fù)基線統(tǒng)計(jì):A、B級(jí)GPS網(wǎng)同一基線不同時(shí)段的較差應(yīng)滿足限差要求，其限差應(yīng)按下式計(jì)算

基線精度處理后應(yīng)計(jì)算基線的Δx分量、Δy分量、Δz分量及邊長(zhǎng)的重復(fù)性，重復(fù)性定義為

式中，n為同一基線的總觀測(cè)時(shí)段數(shù)；Ci為一個(gè)時(shí)段的基線某一分量或邊長(zhǎng)；為該時(shí)段i相應(yīng)于Ci分量的方差；Cm為各時(shí)段的加權(quán)平均值。各時(shí)段基線向量的重復(fù)性反映了基線解的內(nèi)部精度，是衡量基線解質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。

如圖1所示，GPS B級(jí)網(wǎng)點(diǎn)重復(fù)基線的較差均分布在2/3限差內(nèi)，基線總體解算結(jié)果比較理想，但仍有個(gè)別重復(fù)基線較差超限。若精度確實(shí)很差（超出限差的部分達(dá)到了厘米級(jí)），應(yīng)將其刪除，同一時(shí)段觀測(cè)值的數(shù)據(jù)剔除率不宜大于10%；保證舍棄基線后的獨(dú)立環(huán)所含基線數(shù)滿足《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》（GB/T 18314—2009）的規(guī)定。同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差均應(yīng)滿足該規(guī)范的要求。

圖1 GPS B級(jí)網(wǎng)點(diǎn)重復(fù)基線較差分布圖

6.數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

根據(jù)GAMIT基線解算結(jié)果，對(duì)整網(wǎng)的全部基線結(jié)果進(jìn)行了χ2檢驗(yàn)，一般應(yīng)小于10。本文χ2檢驗(yàn)值均小于8，數(shù)據(jù)全部通過(guò)檢驗(yàn)，均可參與平差。

7.GPS網(wǎng)平差計(jì)算

1）在基線向量檢核符合要求后，以其中一個(gè)點(diǎn)在CGCS2000中的三維坐標(biāo)作為起算依據(jù)，進(jìn)行無(wú)約束平差。平差后還應(yīng)對(duì)結(jié)果進(jìn)行精度分析，其目的是對(duì)整體網(wǎng)的內(nèi)部精度進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)估。

2）以國(guó)家 GPS連續(xù)運(yùn)行站、國(guó)際 IGS站（SUWN）、LN-CORS等高等級(jí)成果為基準(zhǔn)，采用三維約束平差，計(jì)算出GPS B級(jí)點(diǎn)的坐標(biāo)；再以GPS B級(jí)網(wǎng)點(diǎn)為基準(zhǔn)，采用三維約束平差，將所有獨(dú)立基線向量及其經(jīng)調(diào)整后的協(xié)方差陣作為觀測(cè)量，平差時(shí)為消除星歷和網(wǎng)的傳遞誤差引起的整網(wǎng)在尺度和方向上的系統(tǒng)性偏差，平差后還應(yīng)對(duì)結(jié)果進(jìn)行精度分析，對(duì)整體網(wǎng)的精度進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)估，求出GPS C級(jí)網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)。

3）精度統(tǒng)計(jì):對(duì)基線相對(duì)精度和平差后各測(cè)站三維大地坐標(biāo)內(nèi)外符合精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 平差精度 mm

4）計(jì)算GPS網(wǎng)1980西安坐標(biāo)系和1954北京坐標(biāo)系成果。

通過(guò)GPS數(shù)據(jù)處理獲得的是各 GPS點(diǎn)在CGCS2000下的三維地心坐標(biāo)，而對(duì)于遼寧省GPS C級(jí)網(wǎng)的1980西安坐標(biāo)系和1954北京坐標(biāo)系坐標(biāo)，必須在聯(lián)測(cè)相應(yīng)高等級(jí)控制點(diǎn)的前提下，通過(guò)轉(zhuǎn)換或平差方法獲取，以提高轉(zhuǎn)換精度。

四、結(jié)果分析

本次遼寧GPS網(wǎng)的觀測(cè)包括GPS B、C級(jí)網(wǎng)的觀測(cè)，三角點(diǎn)GPS聯(lián)測(cè)及似大地水準(zhǔn)面檢核點(diǎn)水準(zhǔn)點(diǎn)的觀測(cè)。作業(yè)過(guò)程符合GPS網(wǎng)的實(shí)施方案和技術(shù)要求，經(jīng)過(guò)上述數(shù)據(jù)處理，確保了GPS與水準(zhǔn)成果的現(xiàn)勢(shì)性和一致性。同時(shí)對(duì)高精度水準(zhǔn)起算點(diǎn)的穩(wěn)定性進(jìn)行了檢測(cè)。B級(jí)網(wǎng)大部分設(shè)站3次以上，每點(diǎn)不少于3條邊連接，每個(gè)環(huán)長(zhǎng)不超過(guò)6條基線邊。對(duì)當(dāng)天的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和檢核，漏測(cè)或數(shù)據(jù)處理后不滿足精度要求的，有關(guān)成果應(yīng)及時(shí)補(bǔ)測(cè)，確保了外業(yè)成果的準(zhǔn)確無(wú)誤；符合GPS點(diǎn)觀測(cè)條件的可直接利用。經(jīng)內(nèi)業(yè)計(jì)算GPS B級(jí)網(wǎng)基線相對(duì)中誤差完全能滿足GPS測(cè)量規(guī)范和城市測(cè)量規(guī)范的要求，遼寧省 GPS網(wǎng)的內(nèi)、外業(yè)精度整體良好。

五、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，遼寧省GPS網(wǎng)的建立和觀測(cè)、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)格式都符合相關(guān)技術(shù)要求。遼寧省GPS控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)完整性和可靠性符合兩個(gè)相關(guān)條件:一是網(wǎng)的整體可靠性高，可用內(nèi)外可靠性的平均指標(biāo)衡量；二是網(wǎng)中各觀測(cè)量的可靠性指標(biāo)相差不大，即各觀測(cè)量的可靠性分布較為均勻。該項(xiàng)目的完成一方面能夠推動(dòng)遼寧省測(cè)繪技術(shù)的進(jìn)步，加快了遼寧省現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系的建設(shè)；另一方面對(duì)預(yù)報(bào)大地震災(zāi)害、預(yù)防環(huán)境與自然災(zāi)害等提供了準(zhǔn)確的測(cè)繪基準(zhǔn)，促進(jìn)了我國(guó)地理國(guó)情監(jiān)測(cè)事業(yè)的發(fā)展。

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