基于GNSS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)的控制點CGCS2000坐標(biāo)計算

張吉君,劉彥杰,包暑光

(長江三峽勘測研究院有限公司(武漢),湖北 武漢 430074)

0 引 言

CGCS2000是一個嚴(yán)密的坐標(biāo)系統(tǒng),是ITRF97框架、2000.0歷元下的瞬時坐標(biāo),也是中國目前正在推廣并使用的新一代大地坐標(biāo)系[1],所有測繪成果均需采用或者轉(zhuǎn)換到CGCS2000坐標(biāo)。但是,普通用戶很難獲得具有CGCS2000坐標(biāo)成果的控制點,需要向測繪成果主管部門申請或者把原始觀測數(shù)據(jù)送到有關(guān)部門解算才能獲得;由于測繪成果保密的原因,這兩種方式既耗時又繁瑣[2]。目前,對于獲取控制點CGCS2000坐標(biāo)的研究,尹業(yè)彪[2]通過GAMIT軟件對IGS站觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行解算,研究了通過現(xiàn)有資料和技術(shù)手段,實現(xiàn)獲取CGCS2000坐標(biāo)的可行性,提高小型測繪單位CGCS2000坐標(biāo)的自給率,降低小型測繪活動的生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效益。胡思華和曾慶春等在工程項目中聯(lián)測IGS站獲取CGCS2000坐標(biāo),并分析其精度與實用性[3-4]。黎鵬等[5]將待測點與IGS站組網(wǎng)解算得到高精度坐標(biāo),然后通過動態(tài)轉(zhuǎn)換獲取CGCS2000坐標(biāo),并探討其在實際工程應(yīng)用中的可行性。劉明波等[6]采用聯(lián)測IGS站方法,為計算偏遠(yuǎn)地區(qū)控制點的CGCS2000坐標(biāo)提供實用思路。

但是,以上研究都只對某一特定區(qū)域GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行解算和分析,具有一定的局限性。本文提出一種選用公開的GNSS基準(zhǔn)站并對其坐標(biāo)成果進(jìn)行驗證的方法,通過將分布于5個不同省份的控制點聯(lián)測GNSS基準(zhǔn)站,根據(jù)CGCS2000定義,結(jié)合坐標(biāo)參考框架轉(zhuǎn)換和歷元歸算,將對應(yīng)ITRF框架當(dāng)前歷元下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為ITRF97框架(參考?xì)v元為2000.0)下的坐標(biāo),即CGCS2000坐標(biāo)。

GAMIT/GLOBK是受到國內(nèi)外學(xué)者一致認(rèn)可的高精度GNSS數(shù)據(jù)處理軟件之一,處理基線和連續(xù)觀測的靜態(tài)數(shù)據(jù)時,解算時間快,能夠有效地消除或者削弱GNSS測量誤差帶來的影響,獲得高精度基線解算結(jié)果[7-10]?；€結(jié)果在平差時不受測區(qū)已知控制點的約束,采用GNSS基準(zhǔn)站作為已知控制點,解算過程中使用衛(wèi)星精密星歷、對流層等改正模型,獲取測站高精度的三維坐標(biāo)信息,有效解決了常規(guī)GNSS測量依賴已知控制點、短基線解算的缺點[11]。因此,利用GAMIT/GLOBK軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和平差,可方便快捷地直接獲取控制點CGCS2000坐標(biāo)。經(jīng)驗證,該方法可直接獲取大陸地區(qū)任意區(qū)域的控制點CGCS2000坐標(biāo),解決工程項目亟需的已知點坐標(biāo)問題,具有快捷性和高可靠性。

隨著中國深入推進(jìn)“雙碳”目標(biāo),加快能源結(jié)構(gòu)調(diào)整,新疆、西藏等具備豐富新能源資源的偏遠(yuǎn)地區(qū)正在加緊推進(jìn)抽水蓄能電站等大批水利水電項目。這些項目所在地通常遠(yuǎn)離城鎮(zhèn),沒有通訊信號。因國家高等級控制點分布不均勻且項目前期申請控制點需要一定周期,對于急需完成各項報批流程的項目,如何盡快完成前期地形圖測繪、地質(zhì)鉆孔放樣是關(guān)注的重點。通過公開的GNSS數(shù)據(jù)可以及時獲取無網(wǎng)絡(luò)信號區(qū)域控制點的CGCS2000系坐標(biāo),開展各項測繪工作,完成項目申報流程。

1 控制點計算方法

公開的GNSS數(shù)據(jù)包括全球IGS站觀測文件、香港CORS(Continuously Operating Reference Stations)網(wǎng)觀測文件以及其在各參考框架下的三維坐標(biāo)和速度信息,還包括廣播星歷、精密星歷、精密鐘差等GNSS解算相關(guān)文件。利用公開的GNSS數(shù)據(jù),將控制點聯(lián)測公開的GNSS基準(zhǔn)站,采用GAMIT軟件進(jìn)行基線處理;目前GAMIT求解的基線結(jié)果是ITRF2014框架、當(dāng)前歷元下的成果,從ITRF網(wǎng)站(https:∥itrf.ign.fr/)獲取GNSS基準(zhǔn)站ITRF2014(當(dāng)前歷元)下的精確坐標(biāo)作為起算點,利用GLOBK軟件進(jìn)行空間三維平差,獲取未知控制點ITRF2014(當(dāng)前歷元)下空間三維坐標(biāo),然后進(jìn)行框架歷元轉(zhuǎn)換,由ITRF14框架(當(dāng)前歷元)下坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到CGCS2000(ITRF97框架、2000.0歷元)坐標(biāo)成果。圖1為聯(lián)測GNSS基準(zhǔn)站計算控制點CGCS2000坐標(biāo)的流程?？蚣苻D(zhuǎn)換參數(shù)可從ITRF網(wǎng)站上獲取,其精度有保障;歷元轉(zhuǎn)換必須要獲得觀測控制點的速度值,其數(shù)值是利用控制點ITRF2014框架當(dāng)前歷元下的三維空間坐標(biāo),基于全國2 300多個控制點多年實測速度擬合而成,或者利用CPM-CGCS2000板塊歐拉矢量計算控制點速度值[12]。

圖1 聯(lián)測GNSS基準(zhǔn)站計算控制點CGCS2000坐標(biāo)的流程Fig.1 Process of calculating control point CGCS2000 coordinate with GNSS reference station

2 選用公開的GNSS基準(zhǔn)站

由于中國各省CORS站數(shù)據(jù)不公開,IGS站數(shù)據(jù)存在著分布數(shù)量偏少,且數(shù)據(jù)發(fā)布不連續(xù)的問題。因此,選用中國及其周邊地區(qū)數(shù)據(jù)發(fā)布連續(xù)和穩(wěn)定的IGS站點作為基準(zhǔn)控制點,根據(jù)CH/T 2014-2016《大地測量控制點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)規(guī)范》,基準(zhǔn)控制點需要遵循連續(xù)性、穩(wěn)定性、高精度、多種解、均衡性以及精度一致性原則。通過查閱International GNSSService網(wǎng)站,核實IGS站點的數(shù)據(jù)信息和點位分布情況,如表1所示,最終選用41個IGS站點作為常用的GNSS基準(zhǔn)站。

表1 常用的GNSS基準(zhǔn)站Tab.1 Common GNSS reference stations

為了檢驗所選IGS站點的穩(wěn)定性,首先通過ITRF網(wǎng)站獲取IGS站點對應(yīng)框架和歷元下的坐標(biāo),基準(zhǔn)站ITRF2020框架(2015.0歷元)和ITRF2014框架(2010.0歷元)下的三維坐標(biāo)及速度作為轉(zhuǎn)換前輸入成果,基準(zhǔn)站ITRF2014框架(2000.0歷元)和ITRF97框架(2000.0歷元)下的坐標(biāo)作為已知成果,然后通過以下3種方式檢驗IGS站點的穩(wěn)定性和框架歷元轉(zhuǎn)換的正確性。轉(zhuǎn)換結(jié)果見表2～3。

表2 方式一和方式二轉(zhuǎn)換結(jié)果與已知成果比較差值Tab.2 Difference between the conversion result of method 1 and method 2 and the known result cm

(1) 方式一:獲取站點ITRF2020框架(2015.0歷元)下的三維坐標(biāo)以及速度,將其框架歷元轉(zhuǎn)換為ITRF2014框架(2000.0歷元)下的坐標(biāo)。

(2) 方式二:獲取站點ITRF2014框架(2010.0歷元)下的三維坐標(biāo)以及速度,將其框架歷元轉(zhuǎn)換為ITRF2014框架(2000.0歷元)下的坐標(biāo)。

(3) 方式三:獲取站點ITRF2014框架(2010.0歷元)下的三維坐標(biāo)以及速度,將其框架歷元轉(zhuǎn)換為ITRF97框架(2000.0歷元)下的坐標(biāo)。

將框架歷元轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)與已知成果進(jìn)行比較,即可驗證所選IGS站點的穩(wěn)定性。從表2和表3可知,通過框架歷元轉(zhuǎn)換獲得的坐標(biāo)精度為厘米級,方式一最大點位誤差為3.75 cm(站點BJFS),方式二比較結(jié)果最大點位誤差為4.94 cm(站點PIMO),方式三比較結(jié)果最大點位誤差為2.76 cm(站點IISC),證明了此法獲取CGCS2000坐標(biāo)精度的可靠性。最后根據(jù)工程項目所在位置,在此41個IGS站點中選用合適的GNSS基準(zhǔn)站作為聯(lián)測點,用于計算未知控制點CGCS2000坐標(biāo)。

表3 方式三轉(zhuǎn)換結(jié)果與已知成果比較差值Tab.3 Difference between the conversion result of method 3 and the known result cm

3 基線解算策略和精度評定方法

3.1 基線解算策略

利用GAMIT軟件,采用IGS精密星歷,使用批處理方式進(jìn)行基線解算。在Station.info文件中配置好各個控制點測站信息,包括控制點編號和點名、觀測時間段、儀器類型、天線類型、天線高以及其量測方式等。在Process.defaults文件中設(shè)置好采樣率、觀測歷元時長以及基線開始處理時間等。Site.defaults設(shè)置好rinex數(shù)據(jù)來源方式、參與平差的控制點和已知點。在Sestbl表中,觀測值選項(Choice of observable)設(shè)定為LC_AUTCLN;試驗選項(Choice of Experiment)設(shè)定為BASELINE。所有文件其余主要選項采用軟件推薦的缺省值。

3.2 精度評定方法

標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差NRMS值一般用來描述在單位時段內(nèi)基線解算值與其加權(quán)平均值的偏離程度,是從歷元的模糊度解算中得出的殘差值,也是衡量解算質(zhì)量的最主要指標(biāo)之一[7]。NRMS值越小,基線解算精度越高。一般認(rèn)為NRMS值不大于0.3說明解算成功,若數(shù)值大于0.5,說明解算過程中部分周跳可能未被探測修復(fù),出現(xiàn)了某些參數(shù)數(shù)值偏差較大等異常,需檢查原因,重新解算[7]。

4 控制點CGCS2000坐標(biāo)的計算與驗證

挑選5個區(qū)域的控制點進(jìn)行靜態(tài)測量,區(qū)域1～4控制點已知成果由權(quán)威機(jī)構(gòu)解算獲得,區(qū)域5已知成果為向測繪主管部門申請獲取。5個區(qū)域的靜態(tài)測量和GNSS基準(zhǔn)站信息如表4所示。

表4 5個區(qū)域的靜態(tài)測量信息和GNSS基準(zhǔn)站信息Tab.4 Static measurement information and GNSS reference station information of five regions

利用GAMIT對各個區(qū)域靜態(tài)測量數(shù)據(jù)和聯(lián)測GNSS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)進(jìn)行基線處理,采用NRMS值來衡量基線處理的質(zhì)量好壞,如表5所示,GAMIT軟件基線解算的NRMS值均為0.19～0.21,這說明各個區(qū)域GNSS網(wǎng)的整體外業(yè)觀測質(zhì)量較高,基線解的精度好。利用GLOBK軟件對各個區(qū)域基線處理后的結(jié)果進(jìn)行平差處理,平差后獲得各個控制點ITRF2014框架(當(dāng)前歷元)下坐標(biāo),接著計算控制點速度值,最后進(jìn)行框架歷元轉(zhuǎn)換,獲取觀測控制點CGCS2000空間三維坐標(biāo)和高斯平面坐標(biāo)。

表5 基線處理精度統(tǒng)計Tab.5 Statistics of baseline processing accuracy

將控制點計算的CGCS2000坐標(biāo)與已知成果比較,統(tǒng)計各個控制點點位較差及其均值如圖2、表6所示。從比較成果可知:① 采用聯(lián)測GNSS基準(zhǔn)站方法求取控制點的CGCS2000坐標(biāo)是可行的,平面精度效果較好,高程精度效果不佳;② 區(qū)域1～4空間三維點位較差dp基本都保持在5 cm以內(nèi),點位較差均值最大的是區(qū)域2(4.16cm),最小的是區(qū)域4(2.15 cm);③ 區(qū)域1～4高斯平面點位較差ds基本保持在3 cm以內(nèi),點位較差均值最大的是區(qū)域1(2.32 cm),最小的是區(qū)域3(0.47 cm);高程精度均值dH保持在4 cm以內(nèi);④ 由于區(qū)域2～4的已知成果也是采用GAMIT/GLOBK計算所得,平面點位較差最大是1.88 cm,精度在2 cm以內(nèi);但是因為聯(lián)測的GNSS基準(zhǔn)站和GAMIT/GLOBK軟件數(shù)據(jù)處理設(shè)置參數(shù)不一致,高程精度比較差,基本保持在 5 cm 以內(nèi);⑤ 區(qū)域1已知成果是使用其他數(shù)據(jù)處理軟件計算出來的,平面坐標(biāo)存在X方向差別較大的現(xiàn)象,平面點位精度和高程精度都在3 cm以內(nèi);⑥ 區(qū)域5已知成果是向測繪主管部門申請獲得,由于已知控制點都在高層房屋樓頂,埋設(shè)年代久遠(yuǎn),計算成果與已知成果比較存在一定偏差,點位精度不大于5.5 cm。

表6 聯(lián)測GNSS基準(zhǔn)站計算CGCS2000坐標(biāo)成果與已知成果的比較Tab.6 Comparison of CGCS2000 coordinate results calculated by joint survey GNSS reference station with known results cm

圖2 點位較差均值統(tǒng)計Fig.2 Mean value statistics of point calibration difference

5 結(jié) 語

聯(lián)測公開的GNSS基準(zhǔn)站可以方便獲取已知點對應(yīng)ITRF框架當(dāng)前歷元下的三維空間坐標(biāo),通過GAMIT/GLOBK軟件基線處理和平差計算,可獲得未知控制點對應(yīng)ITRF框架當(dāng)前歷元下的三維空間坐標(biāo),再進(jìn)行框架歷元轉(zhuǎn)換,即可獲得未知點的CGCS2000坐標(biāo)。比較不同省份的5個區(qū)域計算成果與已知成果,結(jié)果表明:平面精度效果較好,基本保持在3 cm以內(nèi);高程精度效果略差,基本保持在5 cm以內(nèi)。該方法利用GAMIT/GLOBK軟件計算出控制點的CGCS2000坐標(biāo)具有快捷性和高可靠性,其精度滿足項目申報前期需要快速獲取控制點CGCS2000坐標(biāo)的需求,可用于項目控制點CGCS2000坐標(biāo)的校核,也可用于某些中小型工程或者測區(qū)周邊沒有已知高等級控制點的區(qū)域。