GPS 網WGS-84起算點坐標的來源分析*

康世英，楊春華

(江蘇華東地質調查(集團)有限公司，江蘇 南京 210007)

GPS 網WGS-84起算點坐標的來源分析*

康世英，楊春華

(江蘇華東地質調查(集團)有限公司，江蘇 南京 210007)

GPS控制網在執(zhí)行無約束平差時需要一個具有較精確WGS-84坐標的點，另外求解WGS-84坐標系與當地坐標系的坐標轉換參數需要多個控制點同時具有兩套坐標系坐標。據此，介紹了獲得GPS網點起算點WGS-84坐標的途徑和方法，分析比較了超快速星歷和最終星歷對定位精度的影響。通過對實例數據解算精度的分析，得出一些有益的結論，為工程實際應用提供參考。

GPS網;長基線;單點定位;WGS-84坐標系;坐標轉換;超快速星歷;廣播星歷;最終星歷

0 引言

在GPS相對定位中，進行基線解算之前一般應先以某個點的偽距單點定位WGS-84的結果為起算點進行基線解算，此時平差獲得的控制網點的WGS-84坐標是不準確的，精度約為±10 m(絕大多數隨機軟件無單點解算功能，起算點坐標為導入數據時文件表頭的概略坐標)。據研究:要求達到1×10－6m的相對精度，起算點的WGS-84坐標應達到±2.5 m。要求達到100×10－6m的相對精度，起算點的 WGS-84坐標應達到±25 m[1]。起算數據不準確，會給整個測區(qū)求坐標轉換參數的求取帶來影響。

目前，對于普通的工程施工中，WGS-84坐標系雖然只是一種過渡的坐標系，通過求取過渡轉換參數，應用差分技術進行處理，但對于以WGS-84為基準的數據(如遙感，遙感數據坐標系統(tǒng)是WGS-84 UTM坐標)則需要相對準確的轉換參數，因此獲取測區(qū)內控制點的精確WGS-84坐標成為必要。另外，對似大地水準面精化來說，精化計算是在地面控制點精確的WGS-84坐標基礎上進行的。因此，用于精化水準面的GPS控制網點都必須計算出其在WGS-84坐標系下的坐標。若能收集到測區(qū)內或附近WGS-84控制點，可通過聯(lián)測這些控制點，布設GPS控制網的方式解決問題。而在實際生產中，勘探區(qū)域的基準信息一般只能得到基于當地坐標系的坐標基準和高程基準，很難得到具有較精確WGS-84坐標的已知控制點。

精密單點定位技術與測區(qū)附近的IGS站點聯(lián)測是一種實時獲取WGS-84坐標的方法，對觀測數據進行處理后，將直接獲得這些點在ITRF框架下的厘米級精度成果，本文就此方面的技術進行簡要闡述，通過實例對比分析，得出了一些有益的結論。

1 GPS采用的坐標系統(tǒng)

WGS-84坐標系是一個由全球地心參考框架、一組相應的模型(包括地球重力場模型)和WGS-84大地水準面所組成的測量參考系。WGS-84大地坐標系在1984年建立后，目前已經經過了3次精化:1994年一次精化WGS-84(G730)、1996年2次精化WGS-84(G873)、2001年再次精化WGS-84(1150)，GPS系統(tǒng)內部均使用這個參考系。

WGS-84(G873)與 ITRF符合精度(RMS)在5 cm以內，WGS-84(1150)與ITRF框架基本一致，整體精度在各個分量上都優(yōu)于1 cm。ITRF框架與WGS-84可通過7參數實現(xiàn)互相轉換。WGS-84(1150)坐標，以固定 IGS(ITRF2000，歷元2001.000)監(jiān)測站坐標，通過處理計算得來，以使框架對準ITRF。因此，一般可認為WGS-84(1150)與ITRF2000框架下歷元2001.000時一致。

如果采用GPS廣播星歷(WGS-84)，則測站坐標同任一ITRFyy的一致性在1 m以內，利用精化了的WGS-84(G1150)星歷，則兩者的一致性在1 cm以內。如果使用IGS精密星歷，測站坐標與IGS生成精密星歷所采用的ITRFyy一致。

2 GPS站點WGS-84坐標的獲取途徑

2.1 傳統(tǒng)單點定位技術

傳統(tǒng)的單點定位SPP(Single Point Positioning)，就是利用單臺GPS接收機接收的測碼偽距以及廣播星歷給出的衛(wèi)星的軌道參數及鐘差改正參數進行定位。目前廣播星歷提供的衛(wèi)星軌道精度總體上達到±3 m左右，衛(wèi)星鐘差改正的精度在±20 ns左右，由于傳統(tǒng)單點定位技術受到利用的C/A碼觀測值精度較差，利用廣播星歷計算的衛(wèi)星位置和修正后的衛(wèi)星鐘差精度較低，以及無法較好消除大氣層延遲等因素的影響其精度較低。有SA影響的情況下，偽距單點定位精度在±100 m左右，在目前GPS狀態(tài)下，SPP靜態(tài)定位精度優(yōu)于±2 m，動態(tài)定位精度在±3 m左右[2]。

2.2 精密單點定位技術

PPP(Precise Point Positioning)，是利用單臺GPS雙頻雙碼接收機的載波相位觀測值以及IGS等組織提供的GPS衛(wèi)星精密星歷和精密鐘差來進行實時的或事后的高精度單點定位的方法。在GPS定位中，主要的誤差來源于軌道誤差、衛(wèi)星鐘差和電離層延時等。采用雙頻接收機，可利用LC相位組合，消除電離層延時的影響，定位誤差只有軌道誤差和衛(wèi)星鐘差兩類。再利用IGS提供精確的精密星歷和衛(wèi)星鐘差，利用觀測得到的相位觀測值，就能精確地計算出接收機位置和對流層延時等信息[3]。

精密單點定位軟件，通過處理單臺GPS雙頻接收機的非差偽距與相位觀測值，可實現(xiàn)毫米級到厘米級的靜態(tài)單點定位和厘米級到分米級的動態(tài)單點定位，直接得到ITRF框架坐標。

實際的解算表明PPP靜態(tài)定位結果與通過高精度GPS軟件處理的結果是一致的，單天解的定位精度在水平方向達到±1 cm，高程方向達到 ±2 cm[3]，動態(tài)定位精度水平方向優(yōu)于 ±10 cm[2]。

2.3 聯(lián)測IGS跟蹤站，長基線差分解算

根據全球IGS站點的分布，選擇合適的IGS跟蹤站作為區(qū)域網的相連已知點，從相關網站下載相對應的觀測時段的跟蹤站觀測數據及相應觀測時段時GPS衛(wèi)星的軌道文件和星歷文件，使用處理軟件進行基線處理，得到GPS網點的相對于國際地球參考框架的起算基準。

2.4 軟件現(xiàn)狀

目前，GPS均配備相應機型的隨機軟件或較高精度的商用軟件。如:天寶(TRIMBLE)的 TGO、TTC、TBC，徠卡(LEICA)的LGO，中海達的HDS2003，南方測繪的GPSPro，華測的COMPASS等。GPSPro、TTC和LGO可實現(xiàn)傳統(tǒng)單點定位的處理。

常見的高精度的GPS處理軟件包括瑞士尼泊爾大學的Bernese軟件、美國的GAMIT/GLOBK軟件、德國地學研究中心的EPOS軟件、加拿大Calgary大學的P3軟件等。

精密單點定位技術從1997年提出后，迅速走向成熟，許多研究機構或者公司紛紛推出自己的軟件產品或在其原有GPS解算軟件中添加了精密單點定位解算模塊，比如:JPL(美國加利福利亞理工學院噴氣推進實驗室)的GIPSY/OASISII軟件、P3軟件、Bernese軟件、EPOS軟件、國內武漢大學張小紅教授研制的 Trip 軟件等[3]。

精密解算軟件使用起來十分復雜，有些軟件安裝運行還需要使用特定的操作系統(tǒng)平臺。GIPSY軟件只供科研使用，不供商用。EPOS軟件應用范圍較為局限，主要在歐洲國家使用，也是科研軟件為主。Trip V1.0測試版不但有使用次數(50次)的限制，還有使用期限的限制(只能處理2006年12月31日以前的數據)。P3解算軟件只有JAVAD接收機才可以進行實時定位。

目前IGS數據處理中心的服務機構有了免費為用戶提供數據處理的服務，如AUSPOS，JPL(1998年開始服務)，SOPAC和NGS、加拿大資源部CSRS-PPP(2003年10月正式開始服務)。用戶只需要將野外觀測到的GPS原始數據轉換為RINEX格式，同時將野外觀測時GPS接收機的天線類型和天線高上傳到處理網站，即可獲得觀測點的基于ITRF2000框架下的坐標和精度信息的數據處理報告[4]。

3 數據準備

3.1 IGS站點坐標的下載

全球的IGS跟蹤網站大都配備了精密型的雙頻P碼接收，采樣率為30 s。目前已經有260個跟蹤站支持IGS的全球基準觀測，組成了全球網、區(qū)域網和局部網。全球的跟蹤站的數據通過專門的線路、網絡和衛(wèi)星通信傳送給全球數據處理中心和分析中心，數據分析處理后供用戶下載和使用[3]。IGS星歷采用ITRF國際地球參考框架。目前精密星歷使用的是ITRF2000和ITRF2005框架。

ITRF2000包含500站和101并置站，臺站數目從500增加到850個，并置站從325增加到500多個。ITRF坐標和速度解由于各IERS分析中心分析方法的不斷精化、觀測和數據處理精度的不斷提高，后來建立的ITRF框架之間的差別越來越小，目前達到的精度為毫米級。

因此，在下載跟蹤站站點坐標時，選 ITRF2000框架和2001.000歷元即可獲得站點的WGS-84(1150)坐標。下載地址:http://sopac.ucsd.edu/cgi－ bin/sector.cgi。

3.2 精密星歷數據的下載與解壓

精密星歷獲取地址:http://igscb.jpl.nasa.gov/igscb/product/1613/。IGS星歷有超快速星歷(Ultra Rapid)、快速星歷(Rapid)和最終星歷(Final)3種產品，星歷間隔均為15 min。例如:超快速星歷igu16136.sp3，快速星歷igr16136.sp3和最終星歷 igs16136.sp3。

下載到的數據文件格式如下:超快速星歷預報時間為2 d，每天發(fā)布4 次(在 03∶00，09∶00，15∶00，21∶00UT)，包含48 h的軌道信息，第一部分由觀測值計算得到，第二部分是預報軌道，文件名由文件中中間點時刻來命名(00∶00，06∶00，12∶00，18∶00UT)。例如:“igu16136_06.sp3.Z”中“16136_06”表示文件預報 時 間 為 第 1613GPS 周 周 一06∶00點 至 周 三05∶45?！癷gr16136.sp3.Z”為快速星歷，延遲17 h發(fā)布，包含24 h的軌道信息;“igs16136.sp3.Z”為最終星歷，延遲12 d發(fā)布，同樣包含24 h的軌道信息。注意:下載文件必須用WinZip程序解壓后才能使用。

3.3 IGS站點觀測數據的下載與解壓

3.3.1 數據的下載

IGS站點觀測數據下載地址:http://sopac.ucsd.edu/cgibin/sector.cgi。該網站提供IGS站點連續(xù)24 h觀測數據的下載，數據為Rinex標準格式數據，分兩個數據文件被壓縮保存，經解壓后的文件為*.obs和*.nav。文件經UNIX壓縮，增加“.Z”后綴以命名。(Windows用戶:unix－解壓縮這些文件，使用實用程序如WinZip)。

*.obs格式的文件有 2種壓縮格式:xxxxdddt.yyo.Z和xxxxdddt.yyd.Z。* .nav 格式的文件為 xxxxdddt.yyn.Z。其中:“xxxx”代表點名，“ddd”代表日歷天數，”t”代表時段號，“yy”代表年份，“Z”代表該數據是被UNIX操作系統(tǒng)壓縮的。

xxxxdddt.yyo.Z 和 xxxxdddt.yyn.Z 數據經對 Rinex 數據直接壓縮而成，xxxxdddt.yyd.Z數據是對Rinex Obs文件用Hatanaka unix壓縮而得(Hatanaka unix壓縮RINEX Obs文件可以采取只要25% －30%的空間)。

3.3.2 數據的解壓

xxxxdddt.yyo.Z 和 xxxxdddt.yyn.Z，此類數據僅有近期60 d內的數據，WinZip解壓即可使用。對于xxxxdddt.yyn.Z數據多數國家的站點不是每天有，下載的數據為autodddt.yyn.Z，通用星歷數據，解壓后改名即可使用。

xxxxdddt.yyd.Z 數據解壓后為 xxxxdddt.yyd 數據，是 hatanaka壓縮文件，可以從GSI下載crx2rne.exe程序來轉換xxxxdddt.yyd 為 xxxxdddt.yyo 文件。crx2rne.exe 和解壓后的 xxxxdddt.yyd文件存儲在同一個目錄下，通過Windows系統(tǒng)的“開始＞運行＞”，輸入諸如:“D:GPSDATAcrx2rnx bjfs2750.06d”，按“確定”即可轉換成所需的obs格式文件。

3.3.3 數據的導入

有了obs和nav這兩個文件，針對不同的GPS后處理軟件，其版本有所不同。比如:下載的數據有時其格式為Rinex 2.11，TGO導入時須將2.11改為2.10(文件中有兩處)后方可導入;TTC 2.73可直接導入xxxxdddt.yyd文件，在數據導入過程中軟件自動執(zhí)行crx2rne.exe(TTC 2.73有此功能)程序。

4 實例計算

快速星歷和最終星歷在采樣率和精度指標上均相同，其對單點定位和基線解算結果的影響程度如何?在實際應用中是否需要等待最終產品來解算，下面將用實例進行對比分析。

4.1 傳統(tǒng)單點定位精度分析

對全球跟蹤站某5個點某天24 h觀測數據進行下載，使用TTC2.73軟件進行傳統(tǒng)單點解算，分別采用廣播星歷、超快速星歷和最終星歷計算，結果與已知值進行對比分析(見表1)。

傳統(tǒng)單點定位精度在水平方向達±(1～3)m，高程方向為±(3～13)m;精密星歷對定位結果的影響值達到平面±1.23 m，高程±1.75 m;兩種精密星歷定位結果坐標較差平面達 ±0.53 m，高程達 ±1.32 m。

4.2 精密單點定位精度分析

用Trip1.0軟件，對上述同名點進行解算，與已知值對比結果列于表2。與已知值較差平面達±0.27 m，高程達±1.62 m;不同的精密星歷解算結果相互間較差均在厘米級，坐標分量較差均在±0.02 m范圍之內。

表1 傳統(tǒng)單點定位值對比表Tab.1 Contrast of tradition point positioning values

表2 精密單點定位值對比表Tab.2 Contrast of precise point positioning values

4.3 IGS跟蹤站聯(lián)測精度分析

某兩IGS站間約900 km，對某天數據用天寶系列GPS后處理軟件進行基線解算，結果列于表3。從表3中可以看出，24 h觀測時段中長基線解算定位精度達厘米級，坐標分量誤差優(yōu)于 ±0.05 m。

表3 IGS跟蹤站聯(lián)測值與已知值對比表Tab.3 Contrast between IGS tracking station conjunction surveying values and the known values

納米比亞某控制點37#至IGS站wind基線長447 km，37#點靜態(tài)觀測時段為5h21m15s;我國東北某測區(qū)控制點GS02至IGS站chan基線長81 km，GS02觀測時段為1h40min;坐標系統(tǒng)為WGS-84(ITRF2000，2001.0星歷)，UTM 投影，解算結果，見表4。從表4中可知，超快速星歷影響值僅達±1 cm，與廣播星歷解相差達±0.1 m。

表4 IGS跟蹤站聯(lián)測值與最終星歷解對比表Tab.4 Contrast of the comparison between conjunction survey values of IGS tracking station and final ephemeris solution values

4.4 工程GPS控制網點精度對比分析

對某工程GPS控制網中部分點進行中長基線解算，與單點定位結果進行比較，結果列于表5。TTC2.73、Trip1.0和IGS跟蹤站聯(lián)測結果比較:Trip與聯(lián)測結果坐標分量較差達±0.48 m，高程±0.3 m;TTC與聯(lián)測結果坐標差±1 m，高程達±4.4 m。

表5 普通觀測數據計算值對比分析Tab.5 Comparison and analysis of general observation data calculation values

5 結論

通過對GPS網WGS-84起算點坐標的來源進行分析，筆者得出如下結論:

1)大地高的不確定性主要表現(xiàn)為對高程的影響，而對平面坐標影響很小。當均勻的選取重合點并適當增加重合點的數量時，兩組高斯平面坐標的差值并不大，可以控制在1 cm左右[5]。傳統(tǒng)單點定位精度在水平方向達±(1～3)m，高程方向為±(3～13)m，完全可以滿足地勘測繪精度要求;

2)精密單點定位方法是一種獲得WGS-84坐標系下坐標快速穩(wěn)定的GPS作業(yè)方式。對于普通工程GPS控制網數據，定位精度可達分米級，不同的精密星歷解算結果相互間較差均在厘米級。此方法的缺點是:需要購買高精度的精密單點定位軟件或附有此功能的GPS后處理軟件，某些軟件需要特殊的操作平臺;雖然IGS數據處理中心的服務機構有免費為用戶提供數據處理的服務，但對數據采集時段和數據格式要求比較嚴格，用戶相對來說較被動。

3)聯(lián)測IGS跟蹤站的方法是建立測區(qū)坐標基準的最好方法，尤其是對于離IGS跟蹤站較遠的偏遠地區(qū)建立GPS控制網，可以大大提高網的絕對精度，建立測區(qū)基于框架ITRF下的坐標基準，而且一般的GPS隨機軟件都可完成數據處理。中長基線定位結果表明:超快速星歷與最終星歷解算結果坐標分量誤差僅為±1 cm左右，這種差異對于普通工程測繪來說影響并不算大，因此不必等到最終星歷的發(fā)布，可以直接使用超快速星歷。

[1]康世英，張宏偉.GPS測量在石油物探中的應用探討[J].礦產與地質，2006，20(4－5):552－555.

[2]劉偉平，郝金明，汪平，等.標準單點定位與精密單點定位精度對比研究[J].測繪通報，2010(4):5 －7.

[3]李進祿.精密單點定位技術應用淺析[J].測繪與空間地理信息，2009，32(3):180 －182.

[4]史子樂.利用聯(lián)測IGS跟蹤站方法提高GPS控制網起算數據精度[J].北京測繪，2008(3):26 －29.

[5]張銳.坐標轉換中大地高對平面坐標和高程的影響[J].測繪工程，2005，14(4):58 －60.

Analysis of the Sources of WGS-84Origin Point Coordinate ofGPS Network

KANG Shi-ying，YANG Chun-hua
(Jiangsu East China Geological Survey(Group)Co.，Ltd，Nanjing Jiangsu 210007，China)

GPS control network in the implementation of the unconstrained adjustment requires a more superior precise point with WGS-84 coordinates，and solution WGS-84 coordinate system and local coordinate system transformation parameters requires multiple control points，and has two sets of coordinate systems，too.This article describes the various ways and methods to obtain the origin points'WGS-84 coordinates of theGPS network，analyzes and compares the impact of positioning accuracy between Ultra-fast and final ephemeris.By calculation on instance data and precision analysis，the paper abstracted some relevant conclusions which are useful references for the practical application of the engineering.

GPS network;long baseline;point positioning;WGS-84 coordinate system;coordinate transformation;ultra-speed ephemeris;broadcast ephemeris;final ephemeris

P 228.4

A

1007－9394(2012)02－0004－04

2011－10－19

康世英(1974～)，男，甘肅隴西人，高級工程師，現(xiàn)主要從事地勘測繪生產管理方面的工作。