胡思華
(貴州有色地質(zhì)工程勘察公司,貴州 貴陽(yáng) 550025)
GPS技術(shù)自其出現(xiàn)以來(lái)就因其高精度、全天候、自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)而迅速融入到社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域,并在測(cè)繪領(lǐng)域形成了一種先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集方式——GPS測(cè)量[1-2]。對(duì)于GPS所采集數(shù)據(jù)的處理,國(guó)內(nèi)的商用軟件普遍采用模型簡(jiǎn)單、計(jì)算量小的單基線解模式進(jìn)行解算,其處理結(jié)果精度較低[3]。如果想獲得高精度的成果,必須使用更嚴(yán)謹(jǐn)精密的測(cè)量科研分析軟件。當(dāng)前的高精度GPS數(shù)據(jù)分析軟件主要有:Bernese軟件,由瑞士Bern大學(xué)開發(fā);GAMIT/GLOBK軟件,由美國(guó)麻省理工學(xué)院和SCRIPPS海洋研究所共同開發(fā)[4-7]。由于GAMIT/GLOBK軟件可以免費(fèi)提供給所有用戶使用,這使得它迅速被應(yīng)用到全球各地,深受廣大測(cè)繪人員的好評(píng)。目前,國(guó)內(nèi)主流的平差軟件是武漢大學(xué)獨(dú)立研制的COSAGPS軟件。COSAGPS軟件針對(duì)國(guó)內(nèi)測(cè)量規(guī)范設(shè)置了各種控制網(wǎng)等級(jí)的參數(shù),平差較GLOBK更為方便直觀。IGS數(shù)據(jù)處理中心公布的精密星歷可以為GAMIT軟件提供穩(wěn)定的高精度起算基準(zhǔn)。而聯(lián)測(cè)IGS跟蹤站可以得到所測(cè)控制點(diǎn)在ITRF框架下的坐標(biāo)成果。
本文選擇貴州大學(xué)的4個(gè)強(qiáng)制對(duì)中觀測(cè)墩,且無(wú)其坐標(biāo)信息,鑒于CGCS2000坐標(biāo)系是目前國(guó)內(nèi)精度最高的坐標(biāo)系,在適宜的觀測(cè)方案的基礎(chǔ)上,綜合以上優(yōu)點(diǎn),以期得到高精度的控制點(diǎn)CGCS2000坐標(biāo)成果。
測(cè)區(qū)位于貴陽(yáng)市花溪區(qū),地勢(shì)較為平坦。測(cè)區(qū)范圍為東經(jīng)106.656 4°~106.665 2°、北緯26.444 1°~26.449 3°。測(cè)區(qū)平均高程為1 100 m。四個(gè)觀測(cè)墩分別為GD01、GD02、GD03、GD04。測(cè)區(qū)附近IGS站點(diǎn)分布圖如圖1所示。
圖1 測(cè)區(qū)附近IGS站點(diǎn)分布圖
1.2.1 IGS站的選取
如果選擇測(cè)區(qū)附近均勻分布的5~6個(gè)IGS站,來(lái)自于高程誤差的影響將相互抵消,進(jìn)而提高GAMIT的解算精度。本文選擇bjfs、shao、urum、twtf、cusv、pimo等6個(gè)IGS站點(diǎn),這些站點(diǎn)較為均勻的分布在測(cè)站周圍,并與測(cè)站距離在1 000~2 000 km,有利于GAMIT的長(zhǎng)基線解算。
1.2.2 儀器的類型及精度
本次觀測(cè)方案配備3臺(tái)南方NETS9接收機(jī),在進(jìn)行靜態(tài)數(shù)據(jù)采集時(shí),其平面定位精度為±2.5 mm+1 ppm,其高程定位精度為±5 mm+1 ppm。同時(shí)配備3臺(tái)可弱化多路徑效應(yīng)的南方CR3- G3扼流圈天線。
1.2.3 觀測(cè)方案
本次GPS測(cè)量實(shí)測(cè)4個(gè)點(diǎn),利用3臺(tái)接收機(jī),按照工程三等控制網(wǎng)的要求對(duì)4個(gè)控制點(diǎn)同步觀測(cè)3個(gè)時(shí)段,時(shí)段長(zhǎng)4 h。具體觀測(cè)方案為:第1時(shí)段觀測(cè)GD01、GD02、GD03等三個(gè)控制點(diǎn);第2時(shí)段觀測(cè)GD02、GD03、GD04等三個(gè)控制點(diǎn);第3時(shí)段觀測(cè)GD01、GD02、GD04等三個(gè)控制點(diǎn)。觀測(cè)時(shí)采用的技術(shù)指標(biāo)為:(1)觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)≥5;(2)衛(wèi)星高度角為15°;(3)采樣間隔為30 s。
本次觀測(cè)于2016年5月4日(125日)和5月5日(126日)兩天完成。因此需要在IGS數(shù)據(jù)網(wǎng)站上下載125日和126日兩天的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)以及需要更新的tables表文件。
首先,新建一個(gè)工程目錄,命名為kong。之后,在該目錄下新建igs、brdc和rinex三個(gè)目錄存儲(chǔ)第1時(shí)段的所有原始觀測(cè)數(shù)據(jù)。更新完tables文件后,在終端中執(zhí)行sh_setup 2016 125 kong指令,將其鏈接到kong文件夾中。
將各配置文件準(zhǔn)備好后,根據(jù)觀測(cè)的實(shí)際情況,做以下修改:
(1)將sestbl.中的Use otl.list = N和Use otl.grid = N中的N改為Y來(lái)進(jìn)行潮汐改正。
(2)修改sessio.info中的起始觀測(cè)時(shí)間和歷元數(shù)。
(3)對(duì)各IGS站的先驗(yàn)坐標(biāo)做0.05 m的強(qiáng)約束,對(duì)4個(gè)控制點(diǎn)做9.99 m的松弛約束。
由于本文觀測(cè)使用的天線并未出現(xiàn)在rcvant.dat中,需要進(jìn)行如下處理:
(1)訪問(wèn)NGS網(wǎng)站,找到STHCR3-G3的ANTEX格式的天線相位中心參數(shù),復(fù)制粘貼到antmod.dat文件中。
(2)將STHCR3-G3天線的編碼標(biāo)識(shí)加入到rcvant.dat中。
(3)在hi.dat中添加STHCR3-G3天線的改正信息,GAMIT在其解算過(guò)程中會(huì)利用該參數(shù)改正天線高。
如表1所示,IGS數(shù)據(jù)處理中心提供的星歷有3種:超快速星歷IGU,主要有觀測(cè)和預(yù)報(bào)兩部分,發(fā)布速度最快;快速星歷IGR,質(zhì)量較好,發(fā)布速度也較快;最終精密星歷IGS,經(jīng)IGS處理中心加權(quán)后發(fā)布的,效果最好,但發(fā)布速度太慢。本文選用最終精密星歷IGS進(jìn)行解算。
表1 3種精密星歷參數(shù)
在各項(xiàng)準(zhǔn)備工作都進(jìn)行完畢后,在kong目錄下打開終端,輸入基于最終精密星歷IGS的批處理命令:sh_gamit -expt kong -d 2016 125 -pres ELEV -orbit IGSF -copt x k p -dopts c ao,GAMIT軟件開始自動(dòng)處理觀測(cè)數(shù)據(jù),得到分析記錄文件o文件。第2、3時(shí)段的數(shù)據(jù)仍按上述步驟做基線解算的處理。最終獲得的3個(gè)時(shí)段的o文件的均方根誤差均在0.2左右,表示基線解算精度高[8]。(本文同時(shí)進(jìn)行了松弛軌道解和固定軌道解兩種方式的基線解算,對(duì)比發(fā)現(xiàn)采用松弛軌道解的解算結(jié)果精度更高,因此本文采用松弛軌道解進(jìn)行基線解算。)
COSAGPS軟件是武漢大學(xué)獨(dú)立研制的一款專用GPS網(wǎng)平差軟件。COSAGPS軟件可讀取多種GPS軟件的基線數(shù)據(jù),自動(dòng)進(jìn)行各種指標(biāo)的計(jì)算。
同時(shí),COSAGPS軟件針對(duì)國(guó)內(nèi)的GPS測(cè)量規(guī)范設(shè)計(jì)了各種控制等級(jí),減少了測(cè)繪人員處理數(shù)據(jù)時(shí)查找各種規(guī)范的煩惱,因而備受推崇。由于COSAGPS軟件運(yùn)算速度快,且能保持非常高的整體性,是國(guó)內(nèi)最受認(rèn)可的權(quán)威平差軟件。
由于國(guó)內(nèi)IGS站建立相對(duì)較晚,不能直接從ITRF官網(wǎng)上得到各IGS站點(diǎn)的CGCS2000坐標(biāo)。因此,首先找到各IGS站點(diǎn)在ITRF05,2000.0歷元(2000年1月1日所屬歷元)下的坐標(biāo),然后通過(guò)圖2所示框架轉(zhuǎn)換流程得到其CGCS2000坐標(biāo)(各轉(zhuǎn)換參數(shù)均改正至2000.0歷元下)。
圖2 ITRF框架轉(zhuǎn)換流程圖
同時(shí),考慮到各點(diǎn)所在板塊的不均勻運(yùn)動(dòng)對(duì)其坐標(biāo)的影響,通過(guò)轉(zhuǎn)換歷元得到了表2所示的各IGS站在ITRF97框架,2016.344歷元(2016年126日所屬歷元)下的坐標(biāo)[9-13]。
表2 各IGS站點(diǎn)在ITRF97,2016.344歷元的坐標(biāo)/m
在COSAGPS軟件中新建一個(gè)工程,等級(jí)設(shè)置為工程三等。然后,導(dǎo)入GAMIT基于最終精密星歷IGS的基線解算數(shù)據(jù)并形成獨(dú)立基線文件,選擇BJFS作為無(wú)約束平差的已知坐標(biāo),進(jìn)行各項(xiàng)控制指標(biāo)的計(jì)算。
在《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》(GB/T18314-2009)中,同步環(huán)閉合差的限差為[14]:
(1)
從表3中可知,各方向坐標(biāo)閉合差均在-0.1~0.1 mm之間,無(wú)明顯差別,精度較高,滿足規(guī)范的要求。
表3 同步環(huán)閉合差計(jì)算結(jié)果
在《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》(GB/T18314-2009)中,異步環(huán)閉合差的限差為[14]:
(2)
從表4中同樣可以得知,各方向異步環(huán)閉合差均在-0.1~0.1 mm之間,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于限差(各限差允許值均在19 000 mm以上),WS最大值為0.14 mm,同樣遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于限差(各限差允許值均在33 000 mm以上),均滿足規(guī)范要求,由此表明采用精密星歷在長(zhǎng)線路的異步環(huán)計(jì)算中具有較高的精度。
表4 異步環(huán)閉合差計(jì)算結(jié)果/mm
在《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》(GB/T18314-2009)中,重復(fù)基線較差的限差為[14]:
(3)
從表5中亦知,各重復(fù)基線長(zhǎng)度差均在0.245 6~3.763 1 mm之間,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于限差允許值(21 000 mm以上),均符合規(guī)范要求,由此表明采用精密星歷在長(zhǎng)線路的重復(fù)基線計(jì)算中具有較高的精度。
表5 基于IGS精密星歷的重復(fù)基線長(zhǎng)度較差計(jì)算結(jié)果
在《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》(GB/T18314-2009)中,三維無(wú)約束平差基線向量殘差的限差為[14]:
VDX,VDY,VDZ≤3σ
(4)
從表6中可知,各方向基線向量殘差均不超過(guò)±2 cm,精度較高,計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。
表6 三維無(wú)約束平差基線向量殘差計(jì)算結(jié)果/cm
本文選擇IGS站中最穩(wěn)定的BJFS、SHAO、URUM三個(gè)站的坐標(biāo)作為已知坐標(biāo)進(jìn)行三維約束平差,平差后的控制點(diǎn)在ITRF97,2 016.344歷元下的坐標(biāo)如表7所示。
表7 平差后的控制點(diǎn)坐標(biāo)
平差后的最弱邊為GD01-GD02,其中誤差為1/73 000,滿足《工程測(cè)量規(guī)范》(GB50026-2007)三等工程控制網(wǎng)最弱邊中誤差≤1/700 00的要求。Y方向誤差略大于X、Z方向誤差。平差后的最弱點(diǎn)為GD01,其中誤差為17 mm,滿足《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》(GBT18314-2009)最弱點(diǎn)中誤差≤±25 mm的限差要求。綜上可得,平差后的控制點(diǎn)坐標(biāo)成果是可靠的。
在GPS高精度數(shù)據(jù)處理中,有許多誤差會(huì)影響到最終的結(jié)果,本文在外業(yè)觀測(cè)時(shí)就通過(guò)配備扼流圈天線的接收機(jī)來(lái)消除多路徑效應(yīng),而GAMIT軟件通過(guò)設(shè)置好配置文件可以對(duì)天線相位中心偏差、潮汐、極移、章動(dòng)、閏秒等誤差的影響進(jìn)行改正。誤差的改正是高精度數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵。
通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)觀測(cè)、采用精密星歷以及聯(lián)測(cè)測(cè)區(qū)附近分布均勻的6個(gè)IGS站, GAMIT軟件可以建立嚴(yán)密的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)解算,從而得到高質(zhì)量的基線數(shù)據(jù)。再采用國(guó)內(nèi)測(cè)繪領(lǐng)域最受歡迎的權(quán)威平差軟件COSAGPS,對(duì)GAMIT軟件解算的基線數(shù)據(jù)進(jìn)行平差,最終得到了控制點(diǎn)在CGCS2000下的坐標(biāo),精度滿足工程測(cè)量規(guī)范三等控制網(wǎng)的要求。