數字遼寧GPS網的施測方案與數據處理方法的探討

馬 琴

（國家測繪地理信息局大地測量數據處理中心，陜西西安 710054）

一、引 言

我國于20世紀50年代和80年代分別建立了1954北京坐標系和1980西安坐標系；于2008年7月1日啟用了原點位于地球質心的2000國家大地坐標系（CGCS2000），建立了2000國家大地控制網，構建了我國三維高精度地心坐標框架。前兩套坐標系由于建立年代久遠、點位存在局部形變等原因，后者由于控制網點位數量與密度有限，都不能滿足遼寧省國民經濟建設和社會發展的迫切需求。為了推動遼寧省地理信息產業穩定、快速、可持續發展，遼寧省測繪地理信息局啟動了遼寧現代測繪基準建設項目，它是遼寧省區域性地球動力學研究、局部形變監測、各種精密工程測量及建立地方和城市坐標三維動態大地測量基準框架的需要。本項目的完成將為遼寧省國民經濟和社會發展提供高質量測量基準數據和強有力的技術支持。

二、項目概況、內容、要求及實施過程

1.遼寧GPS網概況

遼寧省位于東經 118°38＇～ 126°12＇，北緯38°45＇～43°28＇之間，南臨黃海、渤海，是東北地區唯一既沿海又沿邊的省份，共轄14個地級市、17個縣級市、27個縣（含海島），覆蓋面積約為14.81萬km2。B級GPS點應均勻布設，平均邊長為30 km。C級GPS點在經濟發達地區適當增加密度，平均邊長可為10 km；東部山區密度可稍微稀疏，平均邊長可為20 km；其他地區平均邊長為15 km。

2.項目內容

主要內容包括GPS外業觀測、GPS觀測數據檢查、內業計算等工作。根據“分級布網，逐級控制”的原則，應在全省GPS B級網的基礎上布設GPS C級點。以B級GPS網點為起算點，充分利用已有符合要求的GPS網水準點、三角點、周邊的地殼運動觀測網絡工程點、2000網點，共計662點。

3.GPS數據采集

遼寧省GPS測量控制網的外業數據采集使用45臺型號分別為天寶5700、天寶NET R3、天寶NET R5、天寶NET R9、SOUTH S86、ZHD_V30雙頻 GPS接收機進行同步觀測，并在測區內進行基線解算，同步環、異步環檢查和兼容性檢查、檢核工作。數據的后期處理采用高精度數據處理專用軟件或隨機商用軟件進行數據處理。外業數據質量檢核執行《全球定位系統（GPS）測量規范》（GB/T 18314—2009）中第12款的相關內容。后期處理包括GPS基線向量網在CGCS2000下的無約束平差和約束平差。GPS網測量數據采集整理后的精度指標見表1。

三、GPS網數據處理與分析

數據處理與分析采用美國麻省理工學院（MIT）的GAMIT/GLOBK軟件。在CGCS2000下，以國家GPS連續運行站、國際IGS站（SUWN）等高等級成果為基準，采用精密星歷或廣播新星歷，首先進行B級網點的數據處理，然后進行 C級網點的數據處理。

表1

1.GPS網數據整理

主要包括外業觀測數據和其他已有數據收集整理、粗差探測與質量評估。以年積日為單位整理觀測數據，使用隨機軟件標準化，并將原始觀測數據轉換為RINEX格式數據；統一點位編號；根據外業觀測手簿，編制觀測儀器、天線、天線高與天線高量取位置等對照表；檢查點名一致性與正確性、接收機與天線型號的正確性、天線高的正確性及年積日的一致性等。收集整理2000國家GPS大地控制網CORS站及周邊IGS站等數據文件；準備IGS精密星歷，衛星和接收機天線相位中心改正信息，IGS站、坐標和速度場，地球極移，章動表信息，太陽與月亮表信息，跳秒，地球定向參數等文件。

2.數據預處理

數據預處理的主要內容包括檢查外業觀測數據的可靠性、完整性、正確性、資料齊全性等。首先對觀測數據進行質量檢核和預處理，對于內外業計算結果不一致或成果超限等問題，應分析查明原因并進行粗差探測和剔除，以剔除超限和不合理成果；其次將符合平差計算要求的絕對觀測值和相對觀測的段差作為最后觀測值，統一進行測量成果編號，按預定的格式生成平差數據文件。

3.采用基準

1）大地基準:CGCS2000、1954北京坐標系和1980西安坐標系。

2）高程基準:高程系統采用正常高系統，高程基準采用1985國家高程基準。

3）時間系統:觀測記錄時間采用北京時。

4.測量精度

GPS B級點相鄰點基線水平分量中誤差為5 mm，垂直分量中誤差為10 mm。

GPS C級點相鄰點基線水平分量中誤差為10 mm，垂直分量中誤差為20 mm。

5.基線解算

首先基于CGCS2000獲取先驗坐標，其坐標精度可以達到0.1 m以內。解算結果可采用雙差解、單差解，并使得同步環的Nrms小于0.5周。基線解算結束后應進行重復基線、同步環、異步環的檢核，檢核結果應符合規范要求。

重復基線統計:A、B級GPS網同一基線不同時段的較差應滿足限差要求，其限差應按下式計算

基線精度處理后應計算基線的Δx分量、Δy分量、Δz分量及邊長的重復性，重復性定義為

式中，n為同一基線的總觀測時段數；Ci為一個時段的基線某一分量或邊長；為該時段i相應于Ci分量的方差；Cm為各時段的加權平均值。各時段基線向量的重復性反映了基線解的內部精度，是衡量基線解質量的一個重要指標。

如圖1所示，GPS B級網點重復基線的較差均分布在2/3限差內，基線總體解算結果比較理想，但仍有個別重復基線較差超限。若精度確實很差（超出限差的部分達到了厘米級），應將其刪除，同一時段觀測值的數據剔除率不宜大于10%；保證舍棄基線后的獨立環所含基線數滿足《全球定位系統（GPS）測量規范》（GB/T 18314—2009）的規定。同步環閉合差、異步環閉合差均應滿足該規范的要求。

圖1 GPS B級網點重復基線較差分布圖

6.數據檢驗

根據GAMIT基線解算結果，對整網的全部基線結果進行了χ2檢驗，一般應小于10。本文χ2檢驗值均小于8，數據全部通過檢驗，均可參與平差。

7.GPS網平差計算

1）在基線向量檢核符合要求后，以其中一個點在CGCS2000中的三維坐標作為起算依據，進行無約束平差。平差后還應對結果進行精度分析，其目的是對整體網的內部精度進行檢驗和評估。

2）以國家 GPS連續運行站、國際 IGS站（SUWN）、LN-CORS等高等級成果為基準，采用三維約束平差，計算出GPS B級點的坐標；再以GPS B級網點為基準，采用三維約束平差，將所有獨立基線向量及其經調整后的協方差陣作為觀測量，平差時為消除星歷和網的傳遞誤差引起的整網在尺度和方向上的系統性偏差，平差后還應對結果進行精度分析，對整體網的精度進行檢驗和評估，求出GPS C級網點坐標。

3）精度統計:對基線相對精度和平差后各測站三維大地坐標內外符合精度進行統計，結果見表2。

表2 平差精度 mm

4）計算GPS網1980西安坐標系和1954北京坐標系成果。

通過GPS數據處理獲得的是各 GPS點在CGCS2000下的三維地心坐標，而對于遼寧省GPS C級網的1980西安坐標系和1954北京坐標系坐標，必須在聯測相應高等級控制點的前提下，通過轉換或平差方法獲取，以提高轉換精度。

四、結果分析

本次遼寧GPS網的觀測包括GPS B、C級網的觀測，三角點GPS聯測及似大地水準面檢核點水準點的觀測。作業過程符合GPS網的實施方案和技術要求，經過上述數據處理，確保了GPS與水準成果的現勢性和一致性。同時對高精度水準起算點的穩定性進行了檢測。B級網大部分設站3次以上，每點不少于3條邊連接，每個環長不超過6條基線邊。對當天的觀測數據進行處理和檢核，漏測或數據處理后不滿足精度要求的，有關成果應及時補測，確保了外業成果的準確無誤；符合GPS點觀測條件的可直接利用。經內業計算GPS B級網基線相對中誤差完全能滿足GPS測量規范和城市測量規范的要求，遼寧省 GPS網的內、外業精度整體良好。

五、結束語

綜上所述，遼寧省GPS網的建立和觀測、內業數據傳輸、數據整理、數據格式都符合相關技術要求。遼寧省GPS控制網的數據完整性和可靠性符合兩個相關條件:一是網的整體可靠性高，可用內外可靠性的平均指標衡量；二是網中各觀測量的可靠性指標相差不大，即各觀測量的可靠性分布較為均勻。該項目的完成一方面能夠推動遼寧省測繪技術的進步，加快了遼寧省現代測繪基準體系的建設；另一方面對預報大地震災害、預防環境與自然災害等提供了準確的測繪基準，促進了我國地理國情監測事業的發展。

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