CORS站在偏遠(yuǎn)海島GNSS控制網(wǎng)布設(shè)中的應(yīng)用

王 振 孫炎強(qiáng)

(珠海市測(cè)繪院, 廣東 珠海 519170)

0 引言

我國(guó)的基礎(chǔ)測(cè)量成果一般采用國(guó)家坐標(biāo)系,為了減少變形誤差及滿足精度控制的要求,各城市在地方建設(shè)中都會(huì)采用城市地方坐標(biāo)系開展工作,由于歷史原因,珠海市存在著多種地方坐標(biāo)系,其中位于珠海市東南部的偏遠(yuǎn)海島采用的是萬(wàn)山獨(dú)立坐標(biāo)系[1],此套坐標(biāo)系統(tǒng)建立于20世紀(jì)80年代,一直沿用至今。由于各海島遠(yuǎn)離大陸且相互獨(dú)立,控制系統(tǒng)缺乏維護(hù),當(dāng)初建立的控制點(diǎn)破壞相當(dāng)嚴(yán)重,近些年隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)的發(fā)展尤其是各地連續(xù)運(yùn)行參考站(continuously operating reference stations,CORS)的不斷建立與完善,充分利用CORS基準(zhǔn)站來(lái)解決控制網(wǎng)的布設(shè)已經(jīng)越來(lái)越普遍[2-4]。再加上國(guó)家大力推廣2000國(guó)家大地坐標(biāo)系(China Geodetic Coordinate System 2000,CGCS2000)的背景[5],海島獨(dú)立坐標(biāo)系及過(guò)去建立的控制系統(tǒng)已無(wú)法滿足現(xiàn)階段的測(cè)繪需求。因此,需對(duì)一些海島進(jìn)行GNSS控制網(wǎng)布設(shè),對(duì)其坐標(biāo)基準(zhǔn)進(jìn)行更新。本文通過(guò)對(duì)珠海市外伶仃島E級(jí)GNSS控制網(wǎng)布設(shè)的介紹,分析了CORS站在偏遠(yuǎn)海島GNSS控制網(wǎng)布設(shè)中的應(yīng)用。

1 工程實(shí)例

1.1 測(cè)區(qū)概況

外伶仃島是珠海市的重要旅游開發(fā)島嶼之一,位于珠海市東南部,距珠海市區(qū)27.5海里,距深圳35海里,距香港長(zhǎng)洲島6海里,海島面積4.23 km2。2014年底,珠海市北斗連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)系統(tǒng)(ZHBDCORS)建設(shè)完成并投入使用,2018年底,依托珠海市CGCS2000建設(shè)項(xiàng)目,在東南部偏遠(yuǎn)海島又增設(shè)了多座基準(zhǔn)站,進(jìn)一步完善了ZHBDCORS基準(zhǔn)站網(wǎng),為本項(xiàng)目提供了可靠的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)[6-7]。在外伶仃島北部的香港區(qū)域分布有多個(gè)香港CORS基準(zhǔn)站,可用于本項(xiàng)目的CORS站組網(wǎng)。

1.2 控制網(wǎng)布設(shè)

由于測(cè)區(qū)面積較小,ZHBDCORS站在珠海市分布較為分散,測(cè)區(qū)控制網(wǎng)與ZHBDCORS站之間距離過(guò)長(zhǎng),僅使用ZHBDCORS站與測(cè)區(qū)控制點(diǎn)組網(wǎng)會(huì)造成網(wǎng)形不合理,相鄰點(diǎn)間距離差異過(guò)大[8-9]。本項(xiàng)目充分利用了香港衛(wèi)星定位參考站的免費(fèi)數(shù)據(jù)服務(wù),將位于外伶仃島附近的香港CORS基準(zhǔn)站加入本項(xiàng)目的控制網(wǎng)組網(wǎng)中。在本工程項(xiàng)目中根據(jù)數(shù)據(jù)觀測(cè)時(shí)長(zhǎng),數(shù)據(jù)質(zhì)量及控制點(diǎn)周邊環(huán)境采取了三級(jí)構(gòu)網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)高精度傳遞與處理,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)網(wǎng)分別參照GPS-B、D、E級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行基線解算與平差。布網(wǎng)方案及計(jì)算策略如下:

(1)I級(jí)網(wǎng)采用GPS-B級(jí)限差要求解算。由于外伶仃島處于ZHBDCORS站網(wǎng)的東面邊沿地帶,附近的ZHBDCORS站點(diǎn)數(shù)量較少,為完善起算基準(zhǔn)站點(diǎn)分布和優(yōu)化整體網(wǎng)形,采用基于ZHBDCORS聯(lián)測(cè)外伶仃北側(cè)鄰近的香港CORS站點(diǎn)的布網(wǎng)方式,將CGCS2000坐標(biāo)傳遞至香港CORS站點(diǎn)。選擇ZHBDCORS站GUIS、WALD、DANG站作為起算點(diǎn),與香港CORS四個(gè)基準(zhǔn)站HKSL、HKOH、HKNP、HKLM組成Ⅰ級(jí)網(wǎng),如圖1所示。

圖1 Ⅰ級(jí)網(wǎng)圖(框架網(wǎng))

(2)II級(jí)網(wǎng)基于采用GPS-D級(jí)限差要求解算,利用I級(jí)網(wǎng)的鄰近香港CORS站點(diǎn)和附近ZHBDCORS站點(diǎn)聯(lián)測(cè)僅有的兩個(gè)萬(wàn)山坐標(biāo)系高級(jí)控制點(diǎn),將CGCS2000坐標(biāo)傳至外伶仃島已有控制點(diǎn)(僅有萬(wàn)山獨(dú)立坐標(biāo)系坐標(biāo)),形成CGCS2000坐標(biāo)與萬(wàn)山獨(dú)立坐標(biāo)系坐標(biāo)重合點(diǎn)。選擇ZHBDCORS站GUIS、WALD及香港CORS站HKSL、HKLM、HKNP作為起算點(diǎn),與外伶仃島已有控制點(diǎn)WLD1、WLD2組成II級(jí)網(wǎng),如圖2所示。

圖2 II級(jí)網(wǎng)圖

(3)III級(jí)網(wǎng)采用GPS-E級(jí)限差要求解算,進(jìn)行島內(nèi)聯(lián)測(cè),完善已有控制點(diǎn)分布,使兩套坐標(biāo)系成果全島覆蓋,為參數(shù)求取奠定基礎(chǔ)。以Ⅱ級(jí)網(wǎng)成果WLD1、WLD2點(diǎn)及CORS站點(diǎn)WALD作為起算點(diǎn),與新布設(shè)的WLD3～WLD10共計(jì)11點(diǎn),組成Ⅲ級(jí)網(wǎng),如圖3所示。

圖3 III級(jí)網(wǎng)圖

2 控制網(wǎng)的解算及精度分析

根據(jù)《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》(GB/T 18314―2009),12.1.1條規(guī)定:“A、B級(jí)GPS網(wǎng)基線數(shù)據(jù)處理應(yīng)采用高精度數(shù)據(jù)處理專用的軟件,C、D、E級(jí)GPS網(wǎng)基線解算可采用隨接收機(jī)配備的商用軟件”[10-11]。本項(xiàng)目分別采用B、D、E級(jí)GPS網(wǎng)的技術(shù)要求對(duì)Ⅰ級(jí)網(wǎng)(框架網(wǎng))、Ⅱ級(jí)網(wǎng)、Ⅲ級(jí)網(wǎng)進(jìn)行解算?；€處理軟件采用GAMIT軟件。基線解算采用IGS精密星歷,其軌道精度達(dá)到0.05m。

2.1 基線檢核

Ⅰ級(jí)網(wǎng)(框架網(wǎng))由7個(gè)站點(diǎn)組成，點(diǎn)位如圖1所示,同步圖形之間采用邊連接,由于GAMIT軟件采用的是網(wǎng)解(即全組合解),其同步環(huán)閉合差在基線解算時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了分配。對(duì)于GAMIT軟件基線解的同步環(huán)檢核,可以把解的nrms值作為同步環(huán)質(zhì)量好壞的一個(gè)指標(biāo),一般要求nrms值小于0.5,不大于1.0,若大于1.0,則表明該解算結(jié)果不可靠。Ⅰ級(jí)網(wǎng)(框架網(wǎng))計(jì)算了7個(gè)同步時(shí)段,全部nrms值均小于0.210,最大的為0.207。Ⅱ級(jí)網(wǎng)全部nrms值均小于0.360,最大的為0.350。Ⅲ級(jí)網(wǎng)全部nrms值均小于0.500,最大的為0.426。說(shuō)明整體外業(yè)觀測(cè)質(zhì)量較高,基線解的精度較好。Ⅰ級(jí)網(wǎng)(框架網(wǎng))重復(fù)基線總數(shù)126條,Ⅱ級(jí)網(wǎng)重復(fù)基線總數(shù)39條,Ⅲ級(jí)網(wǎng)重復(fù)基線總數(shù)55條。經(jīng)計(jì)算,所有重復(fù)基線的較差均滿足限差要求。重復(fù)基線較差的最大差值見表1。

表1 重復(fù)基線長(zhǎng)度較差最大值

2.2 平差處理

(1)三維無(wú)約束平差。以基準(zhǔn)站W(wǎng)ALD的三維坐標(biāo)成果(空間直角坐標(biāo))作為起算數(shù)據(jù),分別對(duì)Ⅰ級(jí)網(wǎng)(框架網(wǎng))Ⅱ級(jí)網(wǎng)Ⅲ級(jí)網(wǎng)進(jìn)行三維無(wú)約束平差。三維無(wú)約束平差中,所有基線分量的改正數(shù)絕對(duì)值均滿足:VΔx≤3σ,VΔy≤3σ,VΔz≤3σ。三維無(wú)約束基線向量改正數(shù)最大值見表2。

表2 三維無(wú)約束基線向量改正數(shù)最大值統(tǒng)計(jì)表 單位：cm

(2)三維約束平差:以基準(zhǔn)站DANG、GUIS、WALD的三維坐標(biāo)成果(空間直角坐標(biāo))作為起算數(shù)據(jù),對(duì)Ⅰ級(jí)網(wǎng)(框架網(wǎng))進(jìn)行三維約束平差,以基準(zhǔn)站HKLM、HKNP、HKSL、GUIS、WALD的三維坐標(biāo)成果(空間直角坐標(biāo))作為起算數(shù)據(jù),對(duì)Ⅱ級(jí)網(wǎng)進(jìn)行三維約束平差,以基準(zhǔn)站W(wǎng)ALD及Ⅱ級(jí)網(wǎng)WLD1、WLD2三維坐標(biāo)成果(空間直角坐標(biāo))作為起算數(shù)據(jù),對(duì)Ⅲ級(jí)網(wǎng)進(jìn)行三維約束平差,三維約束平差中,所有基線分量的改正數(shù)絕對(duì)值均滿足:VΔx≤2σ,VΔy≤2σ,VΔz≤2σ。三維約束基線向量改正數(shù)最大值見表3。

表3 三維約束基線向量改正數(shù)最大值統(tǒng)計(jì)表 單位：cm

(3)二維約束平差(萬(wàn)山獨(dú)立坐標(biāo)系)。為了城市測(cè)量的需要,本項(xiàng)目需要獲得萬(wàn)山獨(dú)立坐標(biāo)系的成果,選取已知萬(wàn)山獨(dú)立坐標(biāo)系成果的WLD1、WLD2兩點(diǎn)作為固定點(diǎn),對(duì)Ⅲ級(jí)網(wǎng)進(jìn)行二維約束平差[12-13],平差后最弱點(diǎn)為WLD4,點(diǎn)位誤差為1.13 cm,平差后的最弱邊為WLD1-WLD5,相對(duì)中誤差為1/308000。

2.3 網(wǎng)平差精度檢核對(duì)比

對(duì)本項(xiàng)目分別采用GAMIT v10.72與Trimble Business Center v5.31進(jìn)行基線解算及平差后作整體對(duì)比[14-15],對(duì)比結(jié)果見表4。由表4可以看出,Δx最大值為0.003 0 m,Δy最大值為0.007 2 m,Δz最大值為-0.005 0 m,坐標(biāo)差值中誤差為0.003 8 m。三個(gè)等級(jí)的控制網(wǎng)中,GAMIT與TBC處理后基線的平差結(jié)果相差很小,具有很強(qiáng)的兼容性。因此可以說(shuō)明本項(xiàng)目控制網(wǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量及數(shù)據(jù)處理合格,精度可靠。

表4 空間直角坐標(biāo)檢核結(jié)果統(tǒng)計(jì)表 單位：m

3 CORS站布設(shè)控制網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)

本項(xiàng)目中控制網(wǎng)布設(shè)利用CORS站數(shù)據(jù)進(jìn)行基準(zhǔn)傳遞與傳統(tǒng)GPS控制網(wǎng)相比具有以下優(yōu)勢(shì):

(1)CORS基準(zhǔn)站可以與任何時(shí)間的觀測(cè)數(shù)據(jù)形成同步觀測(cè)基線,充分利用永久性CORS站的實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù),能極大地減輕外業(yè)工作量,有效提高布網(wǎng)效率。

(2)對(duì)于遠(yuǎn)離內(nèi)陸的偏遠(yuǎn)海島,控制點(diǎn)稀少或破壞嚴(yán)重,布設(shè)相應(yīng)等級(jí)的GNSS控制網(wǎng)時(shí),可綜合利用海島周邊的CORS站數(shù)據(jù),通過(guò)多級(jí)布網(wǎng)及解算來(lái)實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)的布設(shè)。

(3)通過(guò)CORS站分級(jí)布網(wǎng)得到海島控制點(diǎn)的CGCS2000坐標(biāo)及海島獨(dú)立坐標(biāo)系坐標(biāo)后,可求取二者之間的轉(zhuǎn)換參數(shù),為以后的海島測(cè)量提供基準(zhǔn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目綜合利用ZHBDCORS站及香港CORS站數(shù)據(jù),通過(guò)分級(jí)布網(wǎng),逐級(jí)解算,最終得到外伶仃島GNSS E級(jí)控制網(wǎng)的高精度CGCS2000坐標(biāo)及對(duì)應(yīng)的萬(wàn)山獨(dú)立坐標(biāo)系坐標(biāo),證明了在偏遠(yuǎn)海島GNSS控制網(wǎng)建立中利用CORS站數(shù)據(jù)傳遞基準(zhǔn)的可行性。