韓棚舉 崔勝濤

(遼寧省自然資源事務(wù)服務(wù)中心, 遼寧 沈陽 110034)

0 引言

我國于20世紀(jì)50和80年代建立了1954年北京坐標(biāo)系和1980西安坐標(biāo)系,這兩套坐標(biāo)系在國民經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展和科學(xué)研究中發(fā)揮了重要作用,但該坐標(biāo)系依賴于傳統(tǒng)技術(shù)手段建設(shè),存在技術(shù)老舊、測量精度差、控制點(diǎn)需要通視、控制范圍小等問題[1]。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展,已有的坐標(biāo)基準(zhǔn)越來越不能滿足建設(shè)的需要,因此迫切需要采用原點(diǎn)位于地球質(zhì)心的坐標(biāo)系統(tǒng)作為國家大地坐標(biāo)系[2]。當(dāng)前利用基站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)建立的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)(Continuously Operating Reference Stations，CORS)已經(jīng)成為全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)應(yīng)用的發(fā)展熱點(diǎn)[3]。CORS系統(tǒng)作為地面觀測設(shè)施,為三維地心坐標(biāo)系的建立與維持提供了有力手段。

遼寧省2000國家大地坐標(biāo)框架建設(shè)是遼寧省現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系建設(shè)的主要內(nèi)容,圍繞LNCORS(Liaoning CORS)系統(tǒng)建設(shè)、2000國家大地坐標(biāo)框架建立和維持、大地基準(zhǔn)統(tǒng)一等關(guān)鍵問題進(jìn)行研究,實(shí)現(xiàn)了各等級測量點(diǎn)的快速采集,解決了用戶實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)獲取2000國家大地坐標(biāo)的問題。

1 遼寧省衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)服務(wù)系統(tǒng)(LNCORS)建立

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Sate-llite System,GNSS)又稱天基(定位、導(dǎo)航、授時(shí))系統(tǒng),是隨著空間技術(shù)發(fā)展而建立的精密衛(wèi)星定位、導(dǎo)航、授時(shí)系統(tǒng),具有在海陸空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航、定位與授時(shí)功能[4]。

LNCORS利用GNSS技術(shù)、數(shù)據(jù)通信及“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)建設(shè),由覆蓋遼寧省域的若干座基準(zhǔn)站、1個(gè)數(shù)控中心、若干條通訊專線和用戶組成,全天候?qū)崟r(shí)提供高精度導(dǎo)航定位服務(wù)。

LNCORS系統(tǒng)包括基準(zhǔn)站子系統(tǒng)、數(shù)控中心子系統(tǒng)和用戶應(yīng)用子系統(tǒng),整個(gè)系統(tǒng)是以數(shù)控中心為主節(jié)點(diǎn),以基準(zhǔn)站和用戶為子節(jié)點(diǎn)組成星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

(1)基準(zhǔn)站的功能是衛(wèi)星信號的捕獲、跟蹤、采集與傳輸以及設(shè)備完好性監(jiān)測,通過在全省14萬km2范圍內(nèi)建立的若干座基準(zhǔn)站,形成高精度、高時(shí)空分辨率、高效率、高覆蓋率的LNCORS系統(tǒng),為實(shí)現(xiàn)全省ITRF(國際地球參考框架，International Terrestrial Reference Frame)框架或CGCS2000坐標(biāo)系下各等級控制點(diǎn)的快速建立和更新提供區(qū)域基準(zhǔn)。

組成LNCORS的基準(zhǔn)站是獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),它是由GNSS接收機(jī)、匹配天線、UPS 穩(wěn)壓電源、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、計(jì)算機(jī)、集成柜、觀測墩、觀測室和避雷系統(tǒng)組成的全天候觀測系統(tǒng),長期連續(xù)跟蹤觀測衛(wèi)星信號,通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)將觀測數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行?提供實(shí)時(shí)、快速或事后的數(shù)據(jù)服務(wù),主要功能見表1。

表1 基準(zhǔn)站功能

(2)數(shù)控中心是LNCORS的核心單元,既是通訊控制中心,也是數(shù)據(jù)接收、發(fā)送及處理中心。數(shù)控中心按冗余備份設(shè)計(jì),主要由播發(fā)服務(wù)器、解算服務(wù)器和磁盤陣列組成,高精度數(shù)據(jù)處理及實(shí)時(shí)服務(wù)軟件采用分布式安裝,對基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行同步處理和質(zhì)量分析,經(jīng)精密解算后,采用虛擬參考站技術(shù)[5],生成導(dǎo)航定位服務(wù)數(shù)據(jù)。主要功能見表2。

表2 數(shù)控中心功能

(3)用戶服務(wù)子系統(tǒng)是保證用戶完成導(dǎo)航及定位的接收設(shè)備,分為厘米、分米、亞米和米級用戶。其是由接收數(shù)據(jù)鏈、GNSS 接收機(jī)和中央處理器構(gòu)成,要實(shí)現(xiàn)的功能是實(shí)時(shí)信息播發(fā)、用戶接入以及認(rèn)證管理和事后服務(wù)。

(4)LNCORS的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

①高精度動(dòng)態(tài)坐標(biāo)框架的建立:定期與國家GNSS基準(zhǔn)站及國際IGS站聯(lián)合解算,采用時(shí)間序列方法分析其穩(wěn)定性,確定基準(zhǔn)站在全球框架中的位置變化,建立我省高精度動(dòng)態(tài)坐標(biāo)框架基準(zhǔn),作為全省獨(dú)立坐標(biāo)框架的基礎(chǔ)和工程建設(shè)的控制基礎(chǔ);

②實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位:用一臺接收機(jī),在覆蓋域內(nèi)接收GNSS信號及差分?jǐn)?shù)據(jù),在幾分鐘(快速)或十幾秒(動(dòng)態(tài))內(nèi),進(jìn)行厘米到分米級的定位;

③系統(tǒng)完備性監(jiān)測通過兩個(gè)環(huán)路完成,一是基準(zhǔn)站級的完備性檢驗(yàn),檢驗(yàn)因基準(zhǔn)站設(shè)備、觀測條件的影響而造成的設(shè)備故障;二是由監(jiān)測站實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級的監(jiān)測,目的是通過該站定位結(jié)果的殘差發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星引起的完備性故障。

2 遼寧省2000國家大地坐標(biāo)框架的確定

遼寧省2000國家大地坐標(biāo)框點(diǎn)由LNCORS基準(zhǔn)站、B、C級GPS控制點(diǎn)組成。首先將LNCORS基準(zhǔn)站與國家GNSS基準(zhǔn)站及IGS跟蹤站聯(lián)合解算,使LNCORS與CGCS2000和國際ITRF框架基準(zhǔn)保持一致,然后以LNCORS基準(zhǔn)站為起算點(diǎn),計(jì)算B、C級控制點(diǎn)坐標(biāo)。

工作內(nèi)容為數(shù)據(jù)預(yù)處理、基線解算、網(wǎng)平差計(jì)算和坐標(biāo)框架精度統(tǒng)計(jì)。

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

整理若干個(gè)基準(zhǔn)站以及B、C級控制點(diǎn)在2016年4月1日～6月11日的觀測數(shù)據(jù),進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換、點(diǎn)名和年積日一致性、接收機(jī)與天線正確性檢驗(yàn)等。

2.2 基線解算

(1)確定坐標(biāo)框架和歷元:按精密星歷解算,坐標(biāo)框架為ITRF2008[6](2018年后為ITRF2014);按單天解算,參考?xì)v元為每日瞬時(shí)歷元;

(2)獲取先驗(yàn)坐標(biāo):采用偽距差分法,計(jì)算觀測點(diǎn)的先驗(yàn)坐標(biāo);

(3)制定解算策略:觀測值采用無電離層組合觀測值;數(shù)據(jù)定權(quán)采用高度角定權(quán),在迭代中修正;根據(jù)廣播星歷線計(jì)算衛(wèi)星鐘差;根據(jù)偽距觀測值估計(jì)接收機(jī)鐘差;相位中心改正采用絕對模型,依據(jù)高度角、方位角定權(quán);

(4)同步環(huán)檢驗(yàn):將均方根誤差(nrms)[7]作為評價(jià)指標(biāo),檢驗(yàn)其偏離加權(quán)平均值的程度;

(5)重復(fù)性檢驗(yàn):重復(fù)性反應(yīng)的是觀測數(shù)據(jù)的離散程度,是衡量基線質(zhì)量的重要指標(biāo)[8],按式(1)計(jì)算,結(jié)果見表3。

(1)

表3 重復(fù)性檢驗(yàn)結(jié)果 單位：mm

2.3 網(wǎng)平差計(jì)算

(1)LNCORS:2000國家大地坐標(biāo)系下,約束國家基準(zhǔn)站;ITRF2008框架下,觀測平均歷元為*,約束IGS跟蹤站;

(2)B、C級網(wǎng):2000國家大地坐標(biāo)系下,約束LNCORS站;

(3)對基線的單位權(quán)方差進(jìn)行檢驗(yàn),確認(rèn)是否與平差前的先驗(yàn)單位權(quán)方差一致;

(4)基準(zhǔn)誤差處理及統(tǒng)一:采用GPS基線向量觀測值消除系統(tǒng)基準(zhǔn)誤差(位置、尺度、方位和時(shí)間演變誤差)。時(shí)間演變誤差通過板塊模型進(jìn)行改正,尺度和方位基準(zhǔn)系統(tǒng)誤差在平差模型中附加系統(tǒng)參數(shù)予以消除。平差模型[9]如下:

(2)

式中，wx、wy、wz是空間直角坐標(biāo)改正值,δ是尺度參數(shù),ωx、ωy、ωz是旋轉(zhuǎn)參數(shù),Δx、Δy、Δz是基線向量觀測值。

(5)坐標(biāo)框架精度統(tǒng)計(jì):LNCORS、B級、C級網(wǎng)精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果均優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。

3 遼寧省大地基準(zhǔn)的統(tǒng)一

均勻聯(lián)測具有1954年北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系成果的控制點(diǎn),建立2000國家大地坐標(biāo)系與目前坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

(1)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換采用布爾沙模型[10]

(3)

式中，dx、dy、dz為平移參數(shù);wx、wy、wz為旋轉(zhuǎn)參數(shù);m為尺度參數(shù);Xa、Ya、Za為2000空間直角坐標(biāo);Xb、Yb、Zb為同名點(diǎn)空間直角坐標(biāo)。

(2)模型參數(shù)計(jì)算

①將重合點(diǎn)坐標(biāo)換算為空間直角坐標(biāo);

②使用全部重合點(diǎn)求轉(zhuǎn)換參數(shù),利用轉(zhuǎn)換參數(shù)回代,得重合點(diǎn)的轉(zhuǎn)換坐標(biāo),計(jì)算重合點(diǎn)的坐標(biāo)殘差;

③分析殘差值較大點(diǎn)的可靠性,檢查點(diǎn)位和成果的正確性,對殘差較大的粗差點(diǎn)進(jìn)行剔除后重新確定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換點(diǎn);

④重復(fù)以上步驟,直到回代殘差到一定范圍內(nèi)。

(3)模型內(nèi)符合精度:利用重合點(diǎn)的轉(zhuǎn)換殘差誤差計(jì)算。

(4)重合點(diǎn)分析:選取足夠的高等級、高精度、均勻分布的重合點(diǎn)。

(5)轉(zhuǎn)換模型精度統(tǒng)計(jì):轉(zhuǎn)換完成以后計(jì)算轉(zhuǎn)換模型的精度,結(jié)果見表4。其中2000國家大地坐標(biāo)系向1954北京坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的精度較差。原因是使用重合點(diǎn)是20世紀(jì)50～70年代布設(shè),由于地殼運(yùn)動(dòng)變化,點(diǎn)位發(fā)生了不同程度的位移,再加上1954年北京坐標(biāo)系按局部平差、本身精度較差。

表4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果 單位：m

4 遼寧省2000國家大地坐標(biāo)框架的維持

由于板塊運(yùn)動(dòng)、地殼形變等因素導(dǎo)致的基準(zhǔn)站坐標(biāo)發(fā)生變化,需對坐標(biāo)框架進(jìn)行動(dòng)態(tài)維持,計(jì)算坐標(biāo)時(shí)間序列和速度場,對基準(zhǔn)站進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

4.1 穩(wěn)定性分析

基準(zhǔn)站的位移分兩部分:一是控制點(diǎn)隨板塊運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的剛體位移;二是控制點(diǎn)在塊體內(nèi)的變形。其中剛體位移占比較大,但不會導(dǎo)致控制點(diǎn)相對位置的變化。因此,對基準(zhǔn)站進(jìn)行穩(wěn)定性分析,就是要對塊體內(nèi)的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)。首先,消除活動(dòng)板塊的剛體位移,剛體在球面上的運(yùn)動(dòng)采用歐拉矢量模型進(jìn)行描述:

(4)

式中，dx、dy、dz為X、Y、Z方向的位移;X、Y、Z為空間直角坐標(biāo);wx、wy、wz為塊體運(yùn)動(dòng)參數(shù),即旋轉(zhuǎn)的角分量。

其次進(jìn)行塊體內(nèi)變形的顯著性檢驗(yàn)。根據(jù)《全球?qū)Ш叫l(wèi)星連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)技術(shù)規(guī)范》,區(qū)域基準(zhǔn)站網(wǎng)內(nèi)個(gè)別基準(zhǔn)站發(fā)生顯著位移(平面超過2 cm、高程超過3 cm)時(shí),應(yīng)更新基準(zhǔn)站坐標(biāo)。將所有基準(zhǔn)站兩期坐標(biāo)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較(分別是2016年6月和2016年10月)。在剔除塊體位移后,所有基準(zhǔn)站平面位移小于1 cm,高程位移小于2 cm,說明基準(zhǔn)站在201*—201*年間,位移不顯著,點(diǎn)位穩(wěn)定。

4.2 時(shí)間序列分析

利用單日解獲得的坐標(biāo)分量序列y(ti)按下式表示:

y(ti)=a+bti+csin(2πti)+dcos(2πti)+

(5)

ti(i=1,2,3...,n)是以年為單位的時(shí)間,系數(shù)a為序列的平均值,b為線性速率,c、d和e、f為年周期和半年周期的系數(shù),gj表示階躍式的坐標(biāo)突變,H為階梯函數(shù),vi為觀測噪聲。

4.3 基準(zhǔn)站速度場獲取

繪制基準(zhǔn)站網(wǎng)水平和垂直運(yùn)動(dòng)圖像,見圖1。其中,基準(zhǔn)站在水平方向存在向東南運(yùn)動(dòng)的趨勢,平均年速率與國內(nèi)外學(xué)者計(jì)算給出的中國整體運(yùn)動(dòng)趨勢一致,主要由地殼板塊運(yùn)動(dòng)引起;垂直位移存在下沉趨勢的基準(zhǔn)站若干個(gè),存在抬升趨勢的基準(zhǔn)站若干個(gè)。遼東某地和遼寧某地存在緩慢抬升趨勢,遼河某地存在下沉趨勢,但不明顯。

圖1 基準(zhǔn)站水平和垂直運(yùn)動(dòng)圖像

5 結(jié)束語

遼寧省2000國家大地坐標(biāo)框架的建立,形成了一個(gè)覆蓋全省的衛(wèi)星定位網(wǎng),對遼寧省地理空間服務(wù)產(chǎn)生重大影響,實(shí)現(xiàn)了遼寧省傳統(tǒng)控制測量向動(dòng)態(tài)、高精度、實(shí)時(shí)的測量方式轉(zhuǎn)變,也為作業(yè)方式、作業(yè)時(shí)效等帶來全面升級,促進(jìn)了地理信息、通信網(wǎng)絡(luò)有機(jī)結(jié)合,提高動(dòng)態(tài)信息管理能力,在政府的行政管理、社會公共服務(wù)、基礎(chǔ)設(shè)施和重大工程建設(shè)、智能交通物流樞紐建設(shè)等方面發(fā)揮較大作用;同時(shí)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測大氣中水汽的變化和地球表面各種類型的形變,從而為天氣預(yù)報(bào)、防汛減災(zāi)、地震地質(zhì)災(zāi)害等提供監(jiān)測預(yù)報(bào)服務(wù)。