摘" 要：基于衛(wèi)星大地測量技術(shù)、計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用重力場理論方法建立與國家大地測量基準(zhǔn)相統(tǒng)一的北海市數(shù)字三維大地測量基準(zhǔn)，搭建覆蓋北海市陸島基準(zhǔn)統(tǒng)一的BHCORS、BHGEOID、BHGeoDMSS；為RTD用戶提供分米級(jí)精度的導(dǎo)航服務(wù)，為RTK用戶提供水平精度優(yōu)于±3.0cm、正常高優(yōu)于±5.0cm動(dòng)態(tài)定位服務(wù)，為事后用戶提供水平精度優(yōu)于±1.0cm、正常高優(yōu)于±3.0cm的高精度測量服務(wù)。研究成果為北海市新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，“智慧北?！?、實(shí)景三維北海、地下管線普查、自然資源普查等重大項(xiàng)目實(shí)施提供快速的地理空間數(shù)據(jù)采集解決方案。

關(guān)鍵詞：CGCS2000;大地測量基準(zhǔn)；北斗；北海市

中圖分類號(hào)：Q944" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.16601/j.cnki.issn2096-7330.2024.02.022文章編號(hào)：2096-7330（2024）02-0154-05

收稿日期：2023-12-23

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42164001）；2022年本科教育教學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)經(jīng)費(fèi)（602030389173301）；南寧師范大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（602026502）

通信作者：劉洪，廣西有色勘察設(shè)計(jì)研究院高級(jí)工程師，36682165@qq.com。

0" 引言

從2008年7月1日開始，中國（大陸地區(qū)）全面啟用2000國家大地坐標(biāo)系（China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000）［1］。開展新一代城市大地測量參考框架建設(shè)與維持，能夠更好地為城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供實(shí)時(shí)或事后高精度、三維測量基準(zhǔn)成果服務(wù)。尤其是近年中國大陸地區(qū)新型基礎(chǔ)設(shè)施戰(zhàn)略的提出［2-3］，對(duì)高精度、動(dòng)態(tài)三維大地測量基準(zhǔn)服務(wù)需求也日趨迫切。

傳統(tǒng)的大地測量基準(zhǔn)是通過布設(shè)在野外山頂上的三角控制點(diǎn)和沿路布設(shè)的水準(zhǔn)控制點(diǎn)來體現(xiàn)的［4-5］。在實(shí)際控制測量中，首先需要測量用戶到達(dá)這些控制點(diǎn)進(jìn)行外業(yè)設(shè)站和數(shù)據(jù)觀測，然后回到內(nèi)業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析，最終獲得未知點(diǎn)的平面坐標(biāo)成果或正常高成果。尤其是高等級(jí)的平面控制測量和高程控制測量都是分開施測的［6-7］。隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)（Global Navigation Satellite System，GNSS）和重力場理論方法的日趨完善，我國學(xué)者在CGCS2000建設(shè)方面取得了顯著成果，為同步開展高精度三維大地測量奠定了基礎(chǔ)［8］。赫林［9］、王建成［10］采用重力場理論方法和離散GNSS/水準(zhǔn)測量獲得的高程異常成果，構(gòu)建局部區(qū)域似大地水準(zhǔn)面模型，實(shí)現(xiàn)了厘米級(jí)GNSS大地高快速轉(zhuǎn)換正常高。竇超［11］利用球冠諧調(diào)和分析方法將GNSS/水準(zhǔn)與重力似大地水準(zhǔn)面聯(lián)合，建立格爾木高精度數(shù)字高程基準(zhǔn)模型。孟慶年［12］利用青島市連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站系統(tǒng)作為起算，建立地鐵線路衛(wèi)星定位控制網(wǎng)，通過聯(lián)系測量方式將地面基準(zhǔn)傳遞至隧道，建立青島市地鐵工程統(tǒng)一測量空間基準(zhǔn)。

2020年7月31日，隨著北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）全面建成服務(wù)［13-14］，如何加快構(gòu)建與國家大地測量基準(zhǔn)統(tǒng)一的北海市數(shù)字三維大地測量基準(zhǔn)，為北海市新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供CGCS2000下的動(dòng)態(tài)、高精度、三維大地測量基準(zhǔn)成果傳遞服務(wù)，是本研究的核心內(nèi)容。

1" 總體設(shè)計(jì)

1.1" 研究內(nèi)容

北海市數(shù)字三維大地測量基準(zhǔn)建設(shè)主要內(nèi)容包括：基于北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)建北海市大地測量參考框架（Beihai Continuous Operational Reference System，BHCORS），精化陸島基準(zhǔn)統(tǒng)一的北海市區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化模型（Beihai Geoid，BHGeoid），建成北海市大地測量數(shù)據(jù)管理與服務(wù)系統(tǒng)（Beihai Geodetic Data Management and Service System，BHGeoDMSS），實(shí)現(xiàn)覆蓋北海市陸島基準(zhǔn)統(tǒng)一的、高精度、三維大地測量基準(zhǔn)成果傳遞服務(wù)。

1.2" 技術(shù)指標(biāo)

BHCORS按照B級(jí)/CORS精度要求進(jìn)行三維坐標(biāo)解算，最弱邊長相對(duì)中誤差優(yōu)于1/800000；建立1.5′×1.5′分辨率、整體精度優(yōu)于±0.025m的BHGeoid，實(shí)現(xiàn)北海市陸島三維大地測量基準(zhǔn)的統(tǒng)一。

1.3" 技術(shù)流程設(shè)計(jì)

根據(jù)北海市數(shù)字三維大地測量基準(zhǔn)建設(shè)內(nèi)容和技術(shù)指標(biāo)要求，項(xiàng)目實(shí)施技術(shù)流程設(shè)計(jì)如圖1所示。通過多源測量數(shù)據(jù)收集與預(yù)處理、精密數(shù)據(jù)處理、區(qū)域似大地水準(zhǔn)面模型精化計(jì)算和北海市大地測量數(shù)據(jù)管理與服務(wù)系統(tǒng)的搭建，實(shí)現(xiàn)北海市陸島基準(zhǔn)統(tǒng)一的三維大地測量基準(zhǔn)成果傳遞服務(wù)。

2" 關(guān)鍵技術(shù)

2.1" 精密數(shù)據(jù)處理

BHCORS站地處北部灣沿海，相對(duì)內(nèi)陸GNSS站具有更復(fù)雜的觀測環(huán)境，需要開展精密數(shù)據(jù)處理技術(shù)策略研究［15］，進(jìn)而提高三維網(wǎng)平差估值精度。

（1）基線數(shù)據(jù)處理策略

利用GAMIT10.71v進(jìn)行基線解算，觀測值類型采用無電離層組合、自動(dòng)修復(fù)周跳模式（LC_AUTCLN）；海潮引起的站點(diǎn)位移使用全球海潮改正模型FES2004模型；對(duì)流層延遲改正采用SAAS模型，同時(shí)每2個(gè)小時(shí)估計(jì)1個(gè)天頂延遲參數(shù)，映射函數(shù)模型采用VMF1模型。對(duì)用于BHCORS站時(shí)間序列分析的基線數(shù)據(jù)解算模式采用松弛解RELAX，同時(shí)解算衛(wèi)星軌道參數(shù)和站坐標(biāo)；對(duì)用于三維網(wǎng)平差計(jì)算的基線數(shù)據(jù)解算模式采用固定解BASELINE，只估計(jì)測站坐標(biāo)。

（2）時(shí)間序列分析策略

利用GLOBK軟件對(duì)GAMIT10.71v松弛解獲得的每日解文件hfile進(jìn)行聯(lián)合平差。為獲得穩(wěn)定的參考框架，聯(lián)合平差引入斯克里普斯軌道和永久陣列中心（SOPAC）提供的全球子網(wǎng)解IGS1、IGS2、IGS3的3個(gè)H文件；參考框架穩(wěn)定站選用IGS重處理結(jié)果igb14中的核心站；因地震、天線更換等原因引起坐標(biāo)時(shí)間序列階躍，使用最新地震文件igb14_comb.eq進(jìn)行修正。共模誤差是BHCORS站三維時(shí)間序列分析的主要誤差來源，采用主成分分析法（PCA）剔除坐標(biāo)時(shí)間序列中的共模誤差，并從原始時(shí)間序列扣除該誤差的影響，估計(jì)得到ITRF2014框架下高精度三維速度場。

（3）三維網(wǎng)平差數(shù)據(jù)處理策略

利用COSA5.21v軟件導(dǎo)入GAMIT10.71v解算得到的每日固定解文件ofile，以聯(lián)測的廣西CORS站三維坐標(biāo)作為起算［16］，在CGCS2000下進(jìn)行三維約束平差計(jì)算，獲得BHCORS站高精度三維坐標(biāo)（B，L，H）。

2.2" EGM2008與1985國家高程基準(zhǔn)系統(tǒng)偏差估計(jì)

EGM2008是采用GRACE衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)、衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)和地面重力數(shù)據(jù)等多數(shù)據(jù)源建立的全球超高階地球重力場模型。EGM2008模型最終成果包括2190階次的全球重力場模型，全球5′×5′格網(wǎng)重力異常，全球5′×5′、2.5′×2.5′、1′×1′格網(wǎng)大地水準(zhǔn)面，全球5′×5′格網(wǎng)垂線偏差（ζ，η）。利用EGM2008模型可以計(jì)算出地面任意點(diǎn)的高程異常ξE08。

EGM2008是全球性大地水準(zhǔn)面模型，其絕對(duì)精度在±0.5～±1.0 m；在中國區(qū)域與1985國家高程基準(zhǔn)存在約±0.3～±0.5 m的系統(tǒng)偏差，難以直接用于實(shí)際的高精度高程測量。但EGM2008包含較準(zhǔn)確的重力場中長波信息，可以通過已有的高精度高程異?？刂瞥晒麃怼皬浹a(bǔ)”EGM2008重力場中短波信息，實(shí)現(xiàn)快速厘米級(jí)精度的區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化，直接應(yīng)用到GNSS高程測量生產(chǎn)中。

為此，利用離散的GNSS/水準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算高精度高程異常ξG/L，同時(shí)通過EGM2008模型內(nèi)插同名點(diǎn)的高程異常ξE08，采用多項(xiàng)式逼近方法對(duì)GNSS/水準(zhǔn)點(diǎn)與EGM2008模型的系統(tǒng)偏差（ξkc=ξE08－ξG/L）進(jìn)行曲面建模。然后在曲面內(nèi)插1.5′×1.5′格網(wǎng)的系統(tǒng)偏差值ξi，jc，同時(shí)利用EGM2008模型內(nèi)插1.5′×1.5′格網(wǎng)的高程異常ξi，jE08，結(jié)合ξi，jE08、ξi，jc即可快速構(gòu)建厘米級(jí)精度、陸島基準(zhǔn)統(tǒng)一的北海市區(qū)域似大地水準(zhǔn)面模型（BHGeoid）。

2.3" 區(qū)域似大地水準(zhǔn)面模型參數(shù)三層加密算法研究

針對(duì)區(qū)域似大地水準(zhǔn)面模型涉密與應(yīng)用問題，研究三層加密算法（TLEA）進(jìn)行正常高轉(zhuǎn)換程序開發(fā)。主程序?qū)懭胩囟ㄓ?jì)算機(jī)的硬件序列號(hào)進(jìn)行硬件加密，軟件安裝時(shí)主程序自動(dòng)讀取計(jì)算機(jī)的硬件序列號(hào)；如果兩者不匹配則停止程序安裝，避免非法獲取安裝軟件帶來的泄密事件。主程序設(shè)計(jì)了登錄界面和口令，合法安裝軟件后在登錄界面輸入正確口令后方可運(yùn)行軟件，避免非授權(quán)人員非法使用軟件。設(shè)計(jì)非線性變換算子對(duì)文本格式的模型參數(shù)進(jìn)行加密后并轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制格式；主程序正常登錄后自動(dòng)讀取二進(jìn)制格式參數(shù)文件，經(jīng)非線性算子逆運(yùn)算后存儲(chǔ)為動(dòng)態(tài)數(shù)組，避免專業(yè)人員非法獲取模型參數(shù)。

3" 北海市數(shù)字三維大地測量基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)與精度分析

3.1" 三維約束平差精度分析

對(duì)收集到的13個(gè)BHCORS站BDS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行精密數(shù)據(jù)處理，按照B級(jí)網(wǎng)精度進(jìn)行三維約束要求，獲得CGCS2000三維坐標(biāo)成果（B，L，H）并作為BHGeoDMSS的大地測量基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。其中，三維基線相對(duì)中誤差最弱邊的相對(duì)中誤差為1/896000，優(yōu)于1/800000的限差要求；最弱點(diǎn)位中誤差為±0.016 m，其余待求點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差都優(yōu)于0.009m。CGCS2000三維約束平差成果達(dá)到B級(jí)/CORS精度指標(biāo)要求。

3.2" BHCORS 站時(shí)間序列精度分析

PCA法剔除共模誤差影響后BHCORS站時(shí)間序列RMS值有明顯降低。如圖2所示，濾波后的N、E、U方向時(shí)間序列RMS值平均降低30.6%、29.7%、28.2%，說明基于PCA法剔除共模誤差后的BHCORS站坐標(biāo)時(shí)間序列精度得到有效提高。

3.3" BHGeoid精度分析

利用收集的107個(gè)GNSS/水準(zhǔn)點(diǎn)和EGM2008全球重力大地水準(zhǔn)面資料開展BHGeoid精化計(jì)算，通過EGM2008模型提取107個(gè)GNSS/水準(zhǔn)點(diǎn)的高程異常值N。均勻選擇75個(gè)GNSS/水準(zhǔn)點(diǎn)高程異常值ζ與同名點(diǎn)高程異常值N，計(jì)算1985國家高程基準(zhǔn)與EGM2008模型之間離散高程異常值的系統(tǒng)偏差ξi，jc。采用三次多項(xiàng)式對(duì)離散高程異常偏差值進(jìn)行擬合計(jì)算，建立1985國家高程基準(zhǔn)與EGM2008模型的系統(tǒng)偏差函數(shù)。利用系統(tǒng)偏差函數(shù)內(nèi)插出1.5′×1.5′格網(wǎng)點(diǎn)的高程異常系統(tǒng)偏差改正量ξi，jc，疊加到EGM2008模型計(jì)算的1.5′×1.5′格網(wǎng)同名點(diǎn)高程異常值ξi，jE08，結(jié)合ξi，jE08、ξi，jc快速建立BHGeoid。如圖3所示，北海區(qū)域似大地水準(zhǔn)面自東偏南（約-16.60 m）向西偏北（約-19.80 m）呈逐漸下降趨勢。利用Delphi軟件平臺(tái)開發(fā)“北海市區(qū)域似大地水準(zhǔn)面計(jì)算程序1.0V”，實(shí)現(xiàn)GNSS大地高與1985國家高程基準(zhǔn)下的正常高自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

利用不參與模型計(jì)算的32個(gè)GNSS/水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行外符合精度檢驗(yàn)，將三維坐標(biāo)（B、L、H）作為輸入數(shù)據(jù)，利用“北海市區(qū)域似大地水準(zhǔn)面計(jì)算程序1.0V”轉(zhuǎn)換正常高Vu。利用同名點(diǎn)正常高h(yuǎn)G和水準(zhǔn)高h(yuǎn)S計(jì)算得到殘差中誤差±0.024m，整體精度優(yōu)于±0.025m，說明所建立的北海市區(qū)域似大地水準(zhǔn)面模型整體精度達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。

3.4" BHGeoDMSS 搭建與服務(wù)

依托BHCORS+BHGeoid硬軟件支撐，采用C/S與B/S架構(gòu)開發(fā)，以WebService方式搭建BHGeoDMSS。BHGeoDMSS后端調(diào)用BHCORS數(shù)據(jù)處理中心的大地測量基準(zhǔn)成果數(shù)據(jù)庫，前端為北海市新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)各類用戶提供實(shí)時(shí)導(dǎo)航服務(wù)（網(wǎng)絡(luò)RTD，分米級(jí)精度）、實(shí)時(shí)定位服務(wù)（網(wǎng)絡(luò)RTK，平面精度優(yōu)于±3.0cm、正常高優(yōu)于±5.0cm）和準(zhǔn)實(shí)時(shí)的高精度定位服務(wù)（平面精度優(yōu)于±1.0cm、正常高優(yōu)于±3.0cm），實(shí)現(xiàn)了快速三維大地測量基準(zhǔn)傳遞“一站式”服務(wù)，徹底改變了傳統(tǒng)“二維”+“一維”的測量作業(yè)模式。

4" 結(jié)論

圍繞構(gòu)建北海市大地測量參考框架、精化區(qū)域似大地水準(zhǔn)面模型、建設(shè)數(shù)據(jù)管理與服務(wù)系統(tǒng)等目標(biāo)，開展北海市數(shù)字三維大地測量基準(zhǔn)建設(shè)技術(shù)流程和關(guān)鍵技術(shù)研究，基于重力場理論方法和北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)搭建了覆蓋北海市陸島基準(zhǔn)統(tǒng)一的BHCORS、BHGEOID、BHGeoDMSS。北海市數(shù)字三維大地測量基準(zhǔn)建設(shè)成果為RTD用戶提供分米級(jí)精度的導(dǎo)航服務(wù)，為RTK用戶提供水平精度優(yōu)于±3.0cm、正常高優(yōu)于±5.0cm的動(dòng)態(tài)定位服務(wù)，為事后用戶提供水平精度優(yōu)于±1.0 cm、正常高優(yōu)于±3.0 cm的高精度測量服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了北海市三維大地測量基準(zhǔn)成果“一站式”傳遞服務(wù)。

通過BHGeoDMSS提供的數(shù)據(jù)服務(wù)，用戶不再需要實(shí)地查找和聯(lián)測高等級(jí)控制點(diǎn)作為起算依據(jù)，只需1人1臺(tái)GNSS接收機(jī)即可同時(shí)測定厘米級(jí)精度的平面和高程控制測量成果，顯著降低勞動(dòng)強(qiáng)度并提高工作效率，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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［責(zé)任編輯：黃天放］