新疆天文臺(tái)本地連接測(cè)量的GPS資料歸算*

張阿麗 熊福文 朱文耀

1)中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)，烏魯木齊 830011

2)上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072

3)中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)，上海 200030

新疆天文臺(tái)本地連接測(cè)量的GPS資料歸算*

張阿麗1)熊福文2)朱文耀3)

1)中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)，烏魯木齊 830011

2)上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072

3)中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)，上海 200030

利用2011年8月在新疆天文臺(tái)南山觀測(cè)站進(jìn)行的GPS與VLBI空間大地測(cè)量技術(shù)并置站的本地連接測(cè)量數(shù)據(jù)，探討本地連接測(cè)量中GPS控制網(wǎng)的布設(shè)與觀測(cè)、數(shù)據(jù)處理方法及測(cè)量精度，測(cè)控網(wǎng)的GPS測(cè)量結(jié)果與光學(xué)測(cè)量結(jié)果之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等問(wèn)題。

國(guó)際地球參考框架;GPS;VLBI;并置站;本地連接測(cè)量

1 引言

所謂空間大地測(cè)量技術(shù)并置站本地連接，源于國(guó)際地球參考架(ITRF)對(duì) VLBI、SLR、GPS、DORIS等多種空間大地測(cè)量技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的地球參考架的綜合。進(jìn)行這種綜合的基本約束參數(shù)是在多技術(shù)并置站獲得不同技術(shù)參考點(diǎn)之間的三維坐標(biāo)差，即本地連接參數(shù)［1－4］。

測(cè)站參考點(diǎn)通常指主轉(zhuǎn)動(dòng)軸與從屬軸所在平面的交點(diǎn)，位于設(shè)備內(nèi)部，是個(gè)虛擬的點(diǎn)，因此觀測(cè)難度比較大，必須布設(shè)一些觀測(cè)網(wǎng)站，借助一些觀測(cè)儀器，并通過(guò)GPS測(cè)量獲得測(cè)控點(diǎn)在ITRF下的坐標(biāo)，再經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換最終得到參考點(diǎn)在ITRF中的坐標(biāo)［5－10］。由此可見(jiàn)，GPS測(cè)量資料的歸算精度及其與常規(guī)大地測(cè)量結(jié)果之間轉(zhuǎn)換關(guān)系將直接影響到本地連接參數(shù)的測(cè)量精度。為此，我們利用新疆天文臺(tái)南山觀測(cè)站的GPS與VLBI空間大地測(cè)量技術(shù)并置站的本地連接測(cè)量數(shù)據(jù)，探討了本地連接測(cè)量中GPS控制網(wǎng)的觀測(cè)、數(shù)據(jù)處理方法及測(cè)量精度，測(cè)控網(wǎng)的GPS測(cè)量結(jié)果與光學(xué)測(cè)量結(jié)果之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等問(wèn)題。

2 局域網(wǎng)的布設(shè)與觀測(cè)

新疆天文臺(tái)南山觀測(cè)站的GPS與VLBI本地連接的局域網(wǎng)的布設(shè)如圖1所示。

圖1 南山觀測(cè)站局域網(wǎng)示意圖Fig.1 Local network sketch of the Nanshan site

從圖1可見(jiàn)，三角網(wǎng)的布設(shè)總體與GPS控制網(wǎng)相同(在局域網(wǎng)中，將1號(hào)點(diǎn)編號(hào)為11，2號(hào)點(diǎn)編號(hào)為12，3、4、5 號(hào)點(diǎn)類(lèi)推)，由于 GUAO CORS 站無(wú)法安裝棱鏡，采取在4、5號(hào)點(diǎn)交會(huì)的方式測(cè)量其中心，高程測(cè)量采用工程上豎井高程傳遞的方法，用吊鋼尺配合數(shù)字水準(zhǔn)儀，精確測(cè)量中心高程。對(duì)局域網(wǎng)采用GPS載波相位雙差測(cè)量和常規(guī)大地測(cè)量的邊角測(cè)量方法，含水平方向、高度角和斜距測(cè)量。常規(guī)大地測(cè)量用于確定各點(diǎn)位在局域網(wǎng)中的坐標(biāo)，GPS測(cè)量用于局域網(wǎng)與地心三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。

圖1 中在01、02、03、04、05 五個(gè)點(diǎn)位上安置 GPS接收機(jī)，通過(guò)與GUAO站長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)，精確求得01、02、03、04、05 五個(gè)控制點(diǎn)的 ITRF2008 坐標(biāo)。

三角網(wǎng)測(cè)量時(shí)，在 01、02、03、04、05 五個(gè)點(diǎn)位上設(shè)站，分別觀測(cè)這五個(gè)點(diǎn)位間平距、斜距、角度、高差，按照四等三角測(cè)量技術(shù)要求精確測(cè)量相對(duì)關(guān)系，精確求得 01、02、03、04、05 五個(gè)控制點(diǎn)的局域網(wǎng)坐標(biāo)。

測(cè)量所用的5臺(tái)接收機(jī)為Z-Surveyor雙頻接收機(jī)。觀測(cè)時(shí)間為2011-08-31T0 9:24—09-06T02:53年積日DOY243～DOY249，觀測(cè)衛(wèi)星高度角≥15°;有效觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)≥5;時(shí)段長(zhǎng)度為24小時(shí);時(shí)段數(shù)≥3;數(shù)據(jù)采樣間隔30秒。

3 GPS數(shù)據(jù)處理與精度分析

3.1 參考?xì)v元及起算數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)處理時(shí)，選取 GUAO站為起算基準(zhǔn)。GUAO站在歷元1997.0的X、Y、Z坐標(biāo)分量的精度分別為 0.6、0.7、0.7 mm，速度三分量Vx、Vy、Vz的精度分別為 0.04、0.08、0.08 mm/a。根據(jù)觀測(cè)時(shí)刻(2011年第241天，t=2011.660 27)，GUAO站站坐標(biāo)X(t)、Y(t)、Z(t)為:

其中t0=1997.0。根據(jù)誤差傳播定律，得到觀測(cè)時(shí)刻GUAO站坐標(biāo)X(t)、Y(t)、Z(t)的精度分別為1.0、1.2 、1.2 mm。

3.2 基線處理

選取南山GPS觀測(cè)站GUAO站作為起算基準(zhǔn)。基線處理用GAMIT 10.4版軟件，采用SP3格式IGS精密星歷，在Sittbl.文件中不固定任何點(diǎn)，只是給GUAO 站較強(qiáng)的約束值(0.005 0.005 0.010)，處理5個(gè)本地連接點(diǎn)和GUAO CORS站GPS數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)。按照年積日分別計(jì)算出243—249單日基線解，表1為243日的基線數(shù)據(jù)。

為了檢測(cè)和衡量GPS測(cè)量的精度，統(tǒng)計(jì)了單日解N、E、U三個(gè)方向分量的重復(fù)性。重復(fù)性定義為:

式中n為同一基線的觀測(cè)時(shí)段總數(shù)，Ci是同一觀測(cè)時(shí)段的基線的某一坐標(biāo)分量或邊長(zhǎng)，為Ci分量相應(yīng)的方差，Cm為各時(shí)段Ci的加權(quán)平均值。

根據(jù)式(2)，對(duì)doy243—249的基線文件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出N、E、U三個(gè)方向和長(zhǎng)度分量重復(fù)性如表2所示。表2表明基線在N、E和長(zhǎng)度方向的重復(fù)性較高，為0.3～0.4 mm，U方向分量重復(fù)性稍差，重復(fù)性為1.4 mm。基線相對(duì)精度為0.8 ×10－8，滿足《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》(GB_T 18314—2009)中A級(jí)網(wǎng)基線相對(duì)精度1×10－8的要求。

表12011.243X基線精度統(tǒng)計(jì)一覽表(單位:m)Tab.1 Statistics list of 2011.243X baseline precision(unit:m)

表2 GPS控制網(wǎng)基線處理重復(fù)性統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Repeatability statistics of baseline processing of GPS control network

3.3 GPS 網(wǎng)平差

南山站GPS控制網(wǎng)平差采用GPS_NET軟件，固定 GUAO站在 ITRF2008框架下 2011.66027(2011.8.30日)歷元的坐標(biāo)，對(duì)整網(wǎng)進(jìn)行平差，平差后01、02、03、04 四個(gè)點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)精度達(dá) 0.4 mm，05點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)精度為0.5 mm(表3)。

4 三角測(cè)量數(shù)據(jù)處理

如圖1，將2號(hào)點(diǎn)作為局域網(wǎng)原點(diǎn)，1號(hào)點(diǎn)作為參考方向(y=0)，2號(hào)點(diǎn)垂直向上為z軸，xyz為右手系，建立局域網(wǎng)坐標(biāo)系。

局域網(wǎng)的常規(guī)大地測(cè)量由全站儀完成。經(jīng)三維網(wǎng)平差得到的各點(diǎn)位坐標(biāo)見(jiàn)表4。

表3 測(cè)控點(diǎn)在ITRF2008框架下的坐標(biāo)(單位:m)Tab.3 Coordinates(ITRF2008)of survey points in local network(unit:m)

表4 測(cè)控點(diǎn)在局域網(wǎng)中的坐標(biāo)及精度(單位:m)Tib.4 Coordinates and precision of survey points in local network(unit:m)

5 結(jié)論

利用GAMIT、GPS net等數(shù)據(jù)處理軟件，分析了南山2011年本地連接測(cè)量中GPS網(wǎng)與局域三角網(wǎng)的測(cè)量精度，獲得了測(cè)控網(wǎng)點(diǎn)在ITRF2008下的高精確坐標(biāo)以及在局域網(wǎng)里的坐標(biāo)，結(jié)果顯示:基線在N、E和長(zhǎng)度方向的重復(fù)性在0.3～0.4 mm，U方向分量重復(fù)性為1.4 mm，GPS測(cè)控點(diǎn)在ITRF2008系統(tǒng)下的坐標(biāo)精度均好于0.5 mm。

1 Steinforth C，et al.Stability of space geodetic reference points at Ny-Alesund and their excentricity vectors［DB/OL］.ftp://ivs.bkg.bund.de/pub/analysis/papers/083 － Steinforth.pdf.

2 Zuheir Altamimi.ITRF2005 residuals and co-location tie issues［R］.IERS Workshop，June 2008.

3 Zuheir Altamimi.Position paper on:ITRF and collocation sites［R］.IERS Workshop on Local Surveys and Collocation Sites，Thursday，23 October，2003.

4 John Dawson，IERS Working Group on Site Survey and Colocation(WG 2)［R］，2007(http://www.iers.org/iers/about/wg/wg2/).

5 Pierguido sarti.Height bias and scali effect induced by antenna gravitational deformations in geodetic VLBI data analysis［J］.J Geod.，2011，85:1 －8.

6 劉光明，馬金輝，唐穎哲.VLBI歸心測(cè)量中的空間擬合［J］.測(cè)繪通報(bào);2011，(10):11 － 19.(Liu Guangming，Ma Jinhui and Tang Yingzhe.Fit method in determination of space coordinate differences of VLBI sites［J］.Bulletin of Surveying and Mapping，2011，(10):11 －19).

7 Ding X L，et al.Seasonal and secular posional variations at eight co-located GPS and VLBI stations［J］.J Geod.，2005，79:71－81.

8 Zhu Wenyao，F(xiàn)u Yang and Li yan.Globat elevation vibration and seasonal changes derived by the analysis of GPS height［J］.Science in China，Series(D)，2003，46(8):765 －778.

9 Zhu Wenyao.Recommendations for construction of a nonlinear international Terrestrial Reference Frame［J］.Science China，2011，54(1):1 －8.

10 Claudio Abbondanza and Zuheir Altamimi.Local effects of redundaet terrestrial and GPS-based tie vectors in ITRF-like combinations［J］.J Geod.，2009，83:1 031－1 040.

ANALYSIS ON GPS OBSERVATIONS IN COLLOCATION SURVEY AT XINJIANG ASTRONOMICAL OBSERVATORY

Zhang Ali1)，Xiong Fuwen2)and Zhu Wenyao3)
1)Xinjiang Astronomical Observatory，CAS，Wulumuqi830011
2)Shanghai Institute of Geological Survey，Shanghai200072
3)Shanghai Astronomical Observatory，CAS，Shanghai200030

The GPS data of collocation survey between the GPS and VLBI stations at the Nanshan stations of the Xinjiang astronomical observatory in August，2011 were used to discuss the layout and observation，data processing method and the measurement accuracy of GPS control network，and coordinate transformation between the GPS measurements and optical measurements in the monitoring network.

ITRF;GPS;VLBI;co-location site;local collocation survey

P227

A

1671-5942(2013)05-0129-04

2013-03-30

國(guó)家自然科學(xué)基金(10978022)

張阿麗，女，副研究員，主要研究方向天體測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué).E－mail:zhangal@uao.ac.cn