BDS監(jiān)測站坐標(biāo)維持的探討

曹解放，畢再寬，董海靜，聶國興，韓雪峰

(1.61365部隊，天津 300403; 2.61206部隊，北京 100094)

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BDS監(jiān)測站坐標(biāo)維持的探討

曹解放1，畢再寬2，董海靜1，聶國興1，韓雪峰1

(1.61365部隊，天津 300403; 2.61206部隊，北京 100094)

北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)監(jiān)測站建設(shè)是在北斗一代的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，為方便管理，監(jiān)測天線安裝在各監(jiān)測站樓頂上，穩(wěn)定性不夠，同時北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前采用的2000中國大地坐標(biāo)系，歸算誤差較大。本文針對這些問題，分析了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)監(jiān)測站由時變效應(yīng)引起的位置變化量和地表沉降對監(jiān)測站坐標(biāo)維持的影響，論述了目前時變效應(yīng)處理方法存在的誤差的量級，討論了美國GPS所使用的WGS-84坐標(biāo)框架的維持與更新方法。最后，結(jié)合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)監(jiān)測站的建設(shè)現(xiàn)狀，從監(jiān)測站的建設(shè)、數(shù)據(jù)處理等方面提出了建立測站坐標(biāo)時間序列，維持北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)監(jiān)測站坐標(biāo)的可行性方法，并提出了意見與建議。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；坐標(biāo)維持；時變效應(yīng)；地表沉降；坐標(biāo)時間序列

0 引 言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)是我國獨(dú)立自主的區(qū)域/全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它具有全天候、全天時、連續(xù)的三維定位、測速、短報文通信和授時能力。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)監(jiān)測站坐標(biāo)是提供精確衛(wèi)星軌道產(chǎn)品的重要基礎(chǔ)，精確的軌道產(chǎn)品是支撐高性能導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是高精度導(dǎo)航定位的必要條件。理論分析和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)都表明，欲得到具有cm級的衛(wèi)星軌道，監(jiān)測站的坐標(biāo)必須具有cm級的精度[1]，這就必須考慮時變效應(yīng)對地面監(jiān)測站坐標(biāo)產(chǎn)生的影響。本文首先分析了時變效應(yīng)對BDS監(jiān)測站坐標(biāo)精度的影響，然后介紹了美國GPS使用的WGS-84[2]坐標(biāo)框架的維持與更新，接著從監(jiān)測站的建設(shè)、數(shù)據(jù)處理等方面對監(jiān)測站坐標(biāo)維持方法進(jìn)行了探討。

1 影響B(tài)DS監(jiān)測站坐標(biāo)精度的主要因素

時變效應(yīng)是大地測量達(dá)到一定精度時要顧及的一個參量，其假定任何固定于地殼的測量標(biāo)志都受巖石圈運(yùn)動和潮汐等因素的影響，地面點(diǎn)的位置會隨時間發(fā)生變化。時變效應(yīng)主要有兩個方面：一是板塊運(yùn)動影響。在地心坐標(biāo)系中，由于地殼板塊運(yùn)動的影響，會引起點(diǎn)位坐標(biāo)的變化。在我國西部地區(qū)，板塊運(yùn)動引起的測站坐標(biāo)變化每年可達(dá)4～5 cm[3]；二是潮汐效應(yīng)[4]。由于BDS監(jiān)測站的站坐標(biāo)在數(shù)據(jù)處理時，已經(jīng)采用相應(yīng)潮汐模型，歸算至無潮汐系統(tǒng)，因此本文不再詳細(xì)討論潮汐效應(yīng)方面的內(nèi)容。

還有一個要顧及的影響站坐標(biāo)精度的因素是局部地表沉降，這部分的影響在特殊地區(qū)最大年變化量可達(dá)9 cm[5]，所以監(jiān)測站建在樓頂穩(wěn)定性較差，滿足不了高精度應(yīng)用的需要。目前，BDS采用的2000中國大地坐標(biāo)系(CGCS2000)坐標(biāo)，并沒有歸算到歷元2000.0，這主要有兩方面要考慮，一是歸算時間過長，引起的歸算誤差過大；二是沒有精確的監(jiān)測站坐標(biāo)時間序列。

(1)

時變效應(yīng)由站速度體現(xiàn)，用站速度可以把一個站的坐標(biāo)從一個歷元?dú)w算至要求的歷元。目前可用的歷元?dú)w算方法有兩種：板塊運(yùn)動模型和旋轉(zhuǎn)矢量經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

1.1 板塊運(yùn)動模型能達(dá)到的精度

板塊運(yùn)動對站位置的影響，一般情況下可以用NNR-NUVEL1A模型進(jìn)行改正。按照NNR-NUVEL1A模型，

(2)

式中：x、y、z為站的地固直角坐標(biāo)，單位：m；vx、vy、vz為站的地固速度，單位：m,速度單位為m/s.

根據(jù)文獻(xiàn)[4]計算出的站速度三個分量在我國境內(nèi)，一般年變化量為3cm左右，自2007年至今的BDS監(jiān)測站坐標(biāo)測量結(jié)果，歸算至歷元2000.0，由于站速度的影響，坐標(biāo)三分量的最大變化量可達(dá)34cm，國外站的速度影響除南美較小外，都與國內(nèi)量級相當(dāng)，以后還會隨著時間的推延而增大。這樣大的影響，在計算衛(wèi)星軌道時是必須要考慮的。

利用NNR-NUVEL1A模型計算速度的誤差，在一般地區(qū)約為每年5mm，青藏地區(qū)約為每年10mm.這樣看來，即使監(jiān)測站建在局部地殼運(yùn)動穩(wěn)定的基巖上，自2007年開始至今的測量結(jié)果，按NNR-NUVEL1A板塊模型歸算到歷元2000.0，最小也有3.5cm的坐標(biāo)誤差，最大可達(dá)11.0cm.這樣大的歸算誤差顯然不能滿足BDS地面站坐標(biāo)誤差的測量要求。

1.2 旋轉(zhuǎn)矢量經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍苓_(dá)到的精度

另一個可以采用的精度較高的歸算模型是旋轉(zhuǎn)矢量經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀ＰD(zhuǎn)矢量經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪腔诖簏c(diǎn)周圍局部區(qū)域?yàn)橐粍傂詨K體的假設(shè)，利用包圍待求點(diǎn)的局部區(qū)域的實(shí)測速度數(shù)據(jù)建立的地殼運(yùn)動和地殼形變模型。用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透恼木唧w方法是，首先利用位于塊體內(nèi)三個或三個以上已知點(diǎn)的水平速度，求定Ωx、Ωy、Ωz的最小二乘估值，然后用得到的估值按式(2)計算待求點(diǎn)的速度。

利用現(xiàn)有927個GPS點(diǎn)的速度數(shù)據(jù)，構(gòu)建旋轉(zhuǎn)矢量經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀嬎阋稽c(diǎn)的速度，水平分量的誤差平均為每年2.2 mm；在實(shí)測數(shù)據(jù)較少的東北、東南和青藏地區(qū)或其他邊疆地區(qū)，水平分量速度的誤差為每年3.5 mm[6].

按照旋轉(zhuǎn)矢量經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，目前測量的BDS監(jiān)測站坐標(biāo)結(jié)果歸算到歷元2000.0的坐標(biāo)，變化量與采用NNR-NUVEL1A板塊模型歸算的坐標(biāo)變化量相當(dāng)，其誤差最小有2.2 cm的水平誤差，似乎勉強(qiáng)可以滿足BDS的測量要求。但旋轉(zhuǎn)矢量經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀袃蓚€問題不能忽略：一是旋轉(zhuǎn)矢量經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)是在假設(shè)垂直分量為零的情況下得出的，沒有顧及垂直分量；二是構(gòu)建模型的測站絕大多數(shù)是地殼運(yùn)動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測站，這樣的點(diǎn)作為建立國家速度場的基準(zhǔn)，滿足一般測量要求還是適合的，但要作為BDS的基準(zhǔn)并不合適。而且大多數(shù)站是定期觀測，所得結(jié)果并不是很可靠。另外，這個模型只能適用于國內(nèi)，國外的站我們還是無法解決。

1.3 局部地表沉降引起的站坐標(biāo)變化

監(jiān)測站多數(shù)建在普通建筑物頂部，抽取淺表地下水、季節(jié)、降水等因素都會引起監(jiān)測站高程的變化，這個變化量用NNR-NUVEL1A板塊模型和旋轉(zhuǎn)矢量經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ投际菬o法很好解決的，因?yàn)檫@兩個模型都是基于地殼基巖層變化的，而低層樓房的基礎(chǔ)大多建在十幾至幾十米的軟土層。地表沉降的資料我們掌握得不多，根據(jù)公開的資料，北京、天津、江蘇、山西、四川、哈爾濱、湖南、河北等不少地區(qū)地表存在程度不同的上升或下降，最大年沉降量可達(dá)9 cm[7].如：自 1959 年到2007年為止, 天津最大累計沉降量達(dá) 2.96 m，沉降面積達(dá)到8000 km2[8]；1992-1999年天津地區(qū)楊柳青附近的局部下降速率在每年- 90 mm以下[7]；2007年3月至2009年 7月期間，北京亦莊地區(qū)沉降量113.55 mm，年下沉速率為每年48. 7 mm[5].以上數(shù)據(jù)都是全國有名的幾個漏斗區(qū)的數(shù)據(jù)，并不具有普遍的代表性，但也提醒注意這方面的影響。

2 WGS-84坐標(biāo)系的維持與更新

WGS-84的坐標(biāo)系維持由一組全球分布的監(jiān)測站坐標(biāo)來實(shí)現(xiàn)的，監(jiān)測站坐標(biāo)用來計算 GPS的精密星歷。早期GPS監(jiān)測站有美國地理空間情報局負(fù)責(zé)的位于澳大利亞、阿根廷、英國、巴林和厄瓜多爾的5個監(jiān)測站和美國空軍負(fù)責(zé)的位于美國科羅拉多、阿森群島、多哥、夸賈林島和夏威夷的5個監(jiān)測站。這10個站的地心直角坐標(biāo)最初是由這些站對子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(TRANSIT)多普勒觀測的數(shù)據(jù)處理后得到的。由于TRANSIT衛(wèi)星星歷采用的是NSWC9Z-2參考系，為使新建的WGS-84與國際時間局(BIH)的BTS84一致，對由多普勒觀測數(shù)據(jù)計算的監(jiān)測站坐標(biāo)隱含的參考框架做了相應(yīng)調(diào)整，使得這一框架的原點(diǎn)和尺度與BTS84一致，調(diào)整后的10個監(jiān)測站坐標(biāo)體現(xiàn)了WGS-84的最初實(shí)現(xiàn)，并于1987年1月正式使用[2]。

此后，為了維持框架的精確性和穩(wěn)定性，分別于1994年6月、1997年1月、2002年1月和2012年2月WGS-84先后4次進(jìn)行了更新，即對 GPS監(jiān)測站的坐標(biāo)進(jìn)行了4次更新，以使框架對準(zhǔn)ITRF。使用的基本方法是，通過聯(lián)合處理GPS監(jiān)測站和國際GNSS服務(wù)組織(IGS)站的測量數(shù)據(jù)，把IGS站的坐標(biāo)約束到ITRF框架下，同時利用板塊運(yùn)動模型測站坐標(biāo)歸算到框架相應(yīng)的歷元，獲得監(jiān)測站的地心坐標(biāo)。WGS-84的4次更新實(shí)現(xiàn)的坐標(biāo)框架，依次稱為WGS-84(G730)、WGS-84(G873)、WGS-84(G1150)、WGS-84(G1674)。目前，使用的WGS-84(G1674)監(jiān)測站平差后的點(diǎn)位精度優(yōu)于±1 cm.

3 BDS監(jiān)測站坐標(biāo)維持現(xiàn)狀與方法探討

WGS-84、ITRS、CGCS2000都遵循《IERS convention》標(biāo)準(zhǔn)，可以說他們的定義是一致的[9]。文獻(xiàn)[10]曾比較過WGS-84和CGCS2000的一致性，認(rèn)為CGCS2000和 WGS-84(G1150)在坐標(biāo)系的實(shí)現(xiàn)精度范圍內(nèi)是一致的。因此，可以參照WGS-84維持坐標(biāo)系的方法來維持BDS的監(jiān)測站坐標(biāo)。

3.1 BDS監(jiān)測站的建設(shè)

我國北斗二代系統(tǒng)監(jiān)測站建設(shè)是在北斗一代系統(tǒng)監(jiān)測站的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，監(jiān)測站的選擇是根據(jù)北斗一代衛(wèi)星定軌和電離層改正的需要進(jìn)行的，考慮方便使用和管理其監(jiān)測天線安裝在各監(jiān)測站樓頂上，未考慮當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況和大樓的沉降變化，北斗二代組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射后，其監(jiān)測天線亦安裝在樓頂，監(jiān)測站所在地位置地質(zhì)是否穩(wěn)定、樓房是否沉降，會對定軌精度產(chǎn)生一定影響。因此，在建設(shè)每個BDS監(jiān)測站時，要選在地質(zhì)條件好的地區(qū)，盡可能建在基巖上。同時，要建立全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)連續(xù)運(yùn)行觀測站，以便與國際國內(nèi)的框架網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)測，以獲得與其它框架的聯(lián)系，減少監(jiān)測站境外分布不足的影響。同時，這種方法不僅投入較少，而且可以無人值守、精度高，還可以取得連續(xù)的站坐標(biāo)時間序列，顧及了局部地表沉降，為向某一確定歷元?dú)w算提供精確的手段。

3.2 BDS監(jiān)測站數(shù)據(jù)的處理

目前，BDS監(jiān)測站坐標(biāo)觀測都是獨(dú)立觀測，監(jiān)測站間沒有同步觀測，這樣監(jiān)測站間的聯(lián)系減少了。數(shù)據(jù)處理是將監(jiān)測站觀測數(shù)據(jù)與鄰近陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站的觀測數(shù)據(jù)聯(lián)合解算，并沒有與全球分布的ITRF站聯(lián)合解算，因陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站坐標(biāo)強(qiáng)制約束于ITRF2000，所以BDS框架對準(zhǔn)的是ITRF2000，而不是CGCS2000的框架ITRF1997，二者不能簡單用其坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)把地面監(jiān)測站的ITRF2000框架下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到CGCS2000框架[9]，所以現(xiàn)行的北斗坐標(biāo)系事實(shí)上也不是CGCS2000.另外，監(jiān)測站只有坐標(biāo)值，沒有速度值，如歸算到CGCS2000坐標(biāo)對應(yīng)的歷元2000.0，因歸算時間過長，坐標(biāo)誤差較大。因此，在數(shù)據(jù)處理時，監(jiān)測站數(shù)據(jù)要與IGS站的觀測數(shù)據(jù)聯(lián)合解算，得到精確的測站坐標(biāo)時間序列，把BDS的監(jiān)測站坐標(biāo)精確化算到確定歷元，同時還顧及了局部地表沉降。同時，建議盡快啟動北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)專用坐標(biāo)系，真正建立起面向全球、便于精化與更新的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系。

4 結(jié)束語

1) NNR-NUVEL1A模型計算出的站速度三個分量在我國境內(nèi)，一般年變化量為3 cm左右，自2007年至今的BDS監(jiān)測站坐標(biāo)測量結(jié)果，歸算至歷元2000.0，由于站速度的影響，坐標(biāo)三分量的最大變化量可達(dá)34 cm，坐標(biāo)誤差最大可達(dá)11.0 cm.這樣大的歸算誤差不能滿足BDS的測量要求。

2) 旋轉(zhuǎn)矢量經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)是在假設(shè)垂直分量為零的情況下得出的，沒有顧及垂直分量；構(gòu)建模型的測站絕大多數(shù)建在地殼運(yùn)動活躍的斷裂帶上，目的是監(jiān)測局部地面水平運(yùn)動，不宜作為BDS的基準(zhǔn)，且該模型只適用于國內(nèi)。

3) 上述兩種方法都不能很好地解決局部地表沉降引起的誤解差，需要在監(jiān)測站建設(shè)連續(xù)運(yùn)行觀測站，解算監(jiān)測站坐標(biāo)時間序列。

4) 建設(shè)啟用面向全球、便于精化與更新的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)專用坐標(biāo)系，使其與CGCS2000相分離。

[1] 魏子卿.關(guān)于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系的研討[J].測繪科學(xué)與工程,2013,33(2):1-5.

[2] National Imagery and Mapping Agency. Department of Defense World Geodetic System 1984: its definition and relationships with local geodetic system [EB/OL]. (2000-01-03) [2015-04-21].http://earth-info.nga.mil/GandG/publications/tr8350.2/wgs84fin.pdf.

[3] 吳顯兵,馮來平,任紅飛.實(shí)測板塊運(yùn)動模型修正導(dǎo)航系統(tǒng)監(jiān)測站坐標(biāo)精度分析[J].大地測量與地球動力學(xué), 2011,31(1):83-86.

[4] 中國人民解放軍總裝備部.2000中國大地測量系統(tǒng):GJB 6304-2008[M].北京:總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部, 2008:13-15.

[5] 陳阜超,紀(jì)靜,塔拉,等.京津水準(zhǔn)復(fù)測與垂直形變特征[J].華北地震科學(xué),2011,29(2):31-34.

[6] 吳顯兵,馮來平,任紅飛.實(shí)測板塊運(yùn)動模型修正導(dǎo)航系統(tǒng)監(jiān)測站坐標(biāo)精度分析[J].大地測量與地球動力學(xué):2011:31(1):83-86.

[7] 郭良遷,薄萬舉,陳宇坤,等.天津地區(qū)的垂直形變與構(gòu)造活動研究[J].大地測量與地球動力學(xué),2009,29(5):1-5.

[8] 于強(qiáng),王威,易長榮,等.天津市地面沉降及地下水位監(jiān)測自動化系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J].地下水,2007, 29(5):101-104.

[9] 曾安敏,明鋒,景一帆.WGS84坐標(biāo)框架與我國BDS坐標(biāo)框架的建設(shè)[J].導(dǎo)航定位學(xué)報,2015,3(3):43-48+68.

[10] 魏子卿.2000中國大地坐標(biāo)系及其與WGS84的比較[J].大地測量與地球動力學(xué),2008,28(5):1-5.

Discussion on the Coordinate Maintenance of BDS Monitoring Station

CAO Jiefang1,BI Zaikuan2,DONG Haijing1,NIE Guoxing1,HAN Xuefeng1

(1.Troops61365,Tianjin300403; 2.Troops61206,Beijing100094)

The monitoring stations of BeiDou 2nd generation navigation satellite system are built based on the 1st generation system, for the convenience of management, monitoring antennas are installed on the roof of the monitoring station. So their stability are not enough. At the same time, the coordinate system of BeiDou 2nd generation navigation satellite system is 2000 China Geodetic Coordinate System (CGCS2000) at present and the calculation error is out of range. According to these problems, the effect of time-varying and ground subsidence are analyzed in this paper, and the error order of magnitude processed by methods of time-varying effect is also pointed out at present. We discuss the initial implementation and refinement realizations of the World Geodetic System 1984(WGS84) frame, which used as the terrestrial reference system for GPS. Finally, for the situation of BDS monitoring stations, we propose to set up coordinate time series through Global Navigation Satellite System (GNSS) continuous observation to maintenance the coordinate of monitoring station. Some suggestions are put forward for the monitoring station construction, data processing etc.

BeiDou Navigation Satellite System; coordinate maintenance; time-varying effect; ground subsidence; coordinate time series

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.01.003

2016-08-04

P228.4

A

1008-9268(2017)01-0012-04

曹解放 (1976-)，男，河南虞城人，碩士，高級工程師，主要從事大地測量數(shù)據(jù)分析處理工作。

畢再寬 (1976-)，男，長春吉林人，碩士，高級工程師，主要從事地圖制圖與GNSS數(shù)據(jù)分析處理工作。

董海靜 (1978-)，女，天津?qū)氎嫒耍こ處?，主要從事大地測量數(shù)據(jù)分析處理工作。

聶國興 (1967-)，男，河南南陽人，碩士，工程師，主要從事大地測量數(shù)據(jù)分析處理工作。

韓雪峰 (1985-)，男，河北曲陽人，碩士，工程師，主要從事GNSS野外數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理工作。

聯(lián)系人： 曹解放E-mail: 345841036@qq.com