GNSS在線數據處理系統在工程控制網中的應用與分析

暢 毅，暢 鑫，陳信華

（1.中國石油集團東方公司裝備服務處長慶作業部，寧夏 銀川 750006；2.武漢大學 測繪學院，湖北 武漢 430079；3.福建信息職業技術學院，福建 福州 350007）

隨著計算機技術、GNSS技術和國際互聯網等技術的聯合應用和發展，尤其是基于網絡的GNSS定位技術和數據處理方法的不斷完善，各種網絡GNSS在線數據處理系統如雨后春筍般的發展起來。用戶不論在世界上的任何地方，只要按要求將觀測數據及相關信息通過在線提交或者電子郵件的方式提交給GNSS在線數據處理系統，就可以在電子郵箱中收到數據處理結果，這樣不僅給GNSS用戶帶來了方便，而且還提高了作業質量并降低了作業成本。

目前，主要的GNSS在線處理系統有7個，詳見表1。由于各個系統的設計理念、解決問題的側重面不同，如：AUSPOS（V2.00）、SOPAC－SCOUT、OPUS等系統都是采用自動下載上傳站點附近的3個點（含3個點）以上的IGS或CORS參考站參與計算和網平差的解算方式進行定位計算的；而CSRS－PPP、APPS、GAPS和magicGNSS系統則是采用基于非差技術的精密單點定位的解算方式進行定位解算的。在系統的穩定性、可操作性、適宜條件及數據處理結果的精度和可靠性等方面，已經有不少學者在報告或論文中進行了深入的探討，也給出了相關的結論，但這些報告或論文基本上都是基于固定臺站數據來進行數據處理與分析的。本文主要結合某測區的GNSS工程控制網的實際數據，來探討GNSS在線數據處理系統在工程控制網中的適宜性和精度分析，為用戶在工程控制網中應用GNSS在線數據處理系統提供探討和服務。

表1 7個主要GNSS在線處理系統及網址

1 工程控制網及GNSS在線數據處理系統的主要特點

1.1 工程控制網簡介

鄂爾多斯蘇里格南國際合作區GPS控制網共布設了13個高精度控制點，數據采樣間隔為15s，接收機為Leica 1230。網中每個點最短的觀測時間約為2×23h50m；點間距最大為278km，平均距離為56km；其中：CS16、GT12、GS55、G166均為2000國家大地坐標系成果點，3084、3643、3233、2993、3106、3161為新布設的控制點，SuMu、HuBa、YC01為國家1954年北京坐標系成果點，詳見圖1。

圖1 鄂爾多斯蘇里格南國際合作區GPS控制網

1.2 GNSS在線數據處理系統的主要特點

本 文 采 用 了AUSPOS V2.00、SOPACSCOUT、OPUS、CSRS－PPP及APPS等5個常用GNSS在線數據處理系統，它們的特點［1－4］如下：

1）它們都是免費使用的，AUSPOS（V2.00）、SOPAC－SCOUT及OPUS都無需注冊，而CSRSPPP及APPS需要免費注冊；

2）SOPAC－SCOUT是 采 用GAMIT/GLOBK后臺處理，對用戶的觀測數據質量要求比較高，APPS同樣對用戶的觀測數據質量要求比較高。

2 GNSS在線數據處理結果精度與分析

2.1 數據與數據處理比較方案選取

1）根據鄂爾多斯蘇里格南國際合作區GPS控制網的基本情況，選取了有已知成果（CS16、G166、GT12、GS55）和有平差成果的點（2993）參與數據處理與對比分析；

2）利用TEQC工具軟件將這些點的每個23h50m觀測數據分割為1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h、5h、5.5h、6h、7h、…、23h、23h50m等不同觀測時間長度的數據，采用不同的系統分別處理，利用每個觀測點多日觀測值數據處理結果的平均值與每個觀測時段長度數據處理結果進行比較，分析五大系統的解算精度隨觀測數據時段長度的變化規律，驗證其內符合精度；

3）將各個系統解算的結果與已知的2000國家大地坐標系成果或用2000國家大地坐標系成果約束下的網平差成果比較，驗證各個系統的外符合精度。

2.2 數據處理結果精度與分析

方案1：圖2～6分別給出了用APPS、AUSPOS（V2.00）、CSRS－PPP、OPUS及SCOUT解 算 的CS16觀測點不同數據量的解算坐標與3d23h50m解算坐標平均值的差值。分析各圖可見：

1）各個系統3d23h50m解算坐標的平均值與不同數據量的解算坐標的差值都隨數據量的增加而趨于平穩，AUSPOS（V2.00）和SCOUT系統的差值最??；而OPUS系統的差值相對較大，基本在2cm。

2）從圖2、圖3可以看出：APPS及CSRS－PPP系統3h后3個坐標分量的差值基本都在10mm以內，其內符合精度較好。

3）從圖4、圖5可以看出：AUSPOS（V2.00）系統3h后3個坐標分量的差值基本在5mm以內；SCOUT系統5h后3個坐標分量的差值基本在5mm以內；其內符合精度最好。

4）從圖6可以看出：OPUS系統4h后3個坐標分量的差值基本都在20mm以內，其內符合精度一般。

方案2：選取具有2000國家坐標系（CGCS2000）坐標的CS16、GT12、GS55、G166 4個點各個系統與其坐標真值進行比較，表2給出了五大GNSS在線處理系統處理的多天平均值與真值的比較（為便于統計對比，表中數據只取小數點前一位及其尾數的部分進行比較，下同），其中：△X最大為0.336 4m，最小達0.301 5m；△Y最大為－0.155 3m，最 小 為0.053 7m；△Z最 大 為0.155 4m，最小為0.088 0m。

表2 五大GNSS在線處理系統處理的多天平均值與真值的比較 m

雖然表2給出的各個系統處理的多天平均值與其坐標真值的差距較大，但不能簡單地判定其外符合精度不好。因2000國家坐標系（CGCS2000）采用的是ITRF97框 架2000.0歷 元［5－6］，而 各 個 系 統數據處理結果都是基于表2最后一行所給出的框架和歷元，由于地球表面上一點的坐標受板塊運動和潮汐影響在時間上和空間上是變化的［7］，所以就導致了不同框架、不同歷元下的同一個站點的坐標差異較大，為便于實用，必須將其結果轉換到基于ITRF97框架2000.0歷元下的坐標，必須進行框架和歷元的轉換，進一步檢核其外符合精度。

3 坐標轉換及精度分析

要把基于參考框架為ITRF XX、指定歷元的觀測數據轉換到ITRF97框架、2000.0歷元下的CGCS2000坐標系統有3種轉換方式［5］：①按已公布的ITRF框架之間的轉換關系進行轉換；②通過公共點求解轉換參數進行坐標轉換；③通過平差的方法將GPS網納入到2000國家大地坐標系。

3.1 坐標轉換

1）按照方法1進行ITRF框架之間的轉換時，2個ITRF框架下的X，Y，Z坐標的轉換參數必須已知，一般不好實現。在沒有直接的轉換關系的情況下，可將ITRFXX框架作為過渡實施轉換。在ITRF框架固定的前提下，控制點在不同歷元下對應的坐標也是不同的，通過轉換公式將同一框架下不同參考歷元的控制點坐標轉換為同一參考歷元下的坐標成果［5，8－9］。

通 過 式（1）分 別 將ITRF2008、ITRF2005、ITRF2000框架下的2011即時歷元的待處理坐標轉換為2000.0歷元坐標成果。

將參考歷元t1轉換為t2的轉換公式為

式中：t1為原參考歷元，t2為需轉換到的參考歷元，［Xt1，Yt1，Zt1］T為原參考歷元下控制點坐標，［Xt2，Yt2，Zt2］T為需轉換到的參考歷元的控制點坐標，［VX，VY，VZ］T為控制點的速率。原參考歷元下控制點坐標及速率，可以從ITRF網站（http://itrf.ensg.ign.fr/ITRF）所提供的相應的框架站點坐標文件獲取。

再利用式（2）布爾薩·沃爾夫模型及CS16、GS55、GT12、G166 4個公共點中的3個（CS16、GS55、GT12）分別求取的ITRF2008、ITRF2005、ITRF2000框架下的2000.0歷元的坐標到ITRF97框架下的2000.0歷元的坐標的轉換參數，依其不同的轉換參數分別進行坐標轉換（方法2），G166點作為檢核點，根據計算參數進行坐標轉換后的坐標值與真值較差來檢驗各系統外符合精度，詳見表3。

表3 G166點各系統數據處理結果轉換值與真值比較m

布爾薩·沃爾夫模型又稱為七參數轉換或七參數赫爾模特變換，在該模型中共采用了7個參數，分別是3個平移參數、3個旋轉參數（也被稱為3個歐拉角）和1個尺度參數m。設有2個分別基于不同基準的空間直角坐標系，OA－XAYAZA和Ob－XBYBZB，采用布爾沙模型將OA－XAYAZA下坐標轉換為Ob－XBYBZB的坐標轉換公式為

式中：ΔX0、ΔY0、ΔZ0為3個平移參數，εX、εY、εZ為3個旋轉參數，m為尺度變化因子［8］。

2）鄂爾多斯蘇里格南國際合作區GPS控制網觀測數據是采用Leica 1230隨機軟件LGO 7.0加精密星歷處理的，網平差則是選取CS16、GS55、GT12、G166 4個具有2000國家大地坐標系坐標的點，約束其CS16、GS55、GT12 3點的坐標進行平差，求取網中其它點的2000國家大地坐標系坐標（平差值），G166點作為檢核點，根據平差后的坐標值與真值較差來檢驗工程控制網的外符合精度，見表4、表5。

表4 2993點各系統數據處理結果轉換值與平差值比較m

表5 G166點平差值與真值比較 m

3.2 精度分析

1）經過將ITRF2008、ITRF2005、ITRF2000框架下的歷元轉換及相同歷元下的不同框架的轉換，所得的G166點各系統數據處理結果轉換值與真值比較，X，Y，Z坐標差值最大為2.75cm，最小為0.9mm，符合精度很好；

2）經過將ITRF2008、ITRF2005、ITRF2000框架下的歷元轉換及相同歷元下的不同框架的轉換，所得的2993點各系統數據處理結果轉換值與平差值比較，X，Y，Z坐標差值最大為1.8cm，最小為1.0mm，符合精度也很好；

3）經過基于2000國家大地坐標系，約束其CS16、GS55、GT12 3點的坐標進行平差，所得的G166點的平差值與真值比較，X，Y，Z坐標差依次為：0.1mm、0.3mm和0.5mm，符合精度更好。

4 結 論

1）本文所用到的5個GNSS在線數據處理系統，不論是以觀測點附近的3個點（含3個點）以上的IGS或CORS參考站參與計算和網平差解算方式進行定位計算的系統，還是基于非差技術的精密單點定位解算方式進行定位解算系統，其性能都很穩定、方便和快捷，只需用戶按一定要求上傳數據，就可獲得準確的處理結果，除APPS以外的系統都支持網頁提交數據，界面友好，交互性強；

2）對于以觀測點附近的3個點（含3個點）以上的IGS或CORS參考站參與計算和網平差解算方式進行定位計算的AUSPOS（V2.00）、SOPACSCOUT、OPUS等系統，盡管本文分析指出觀測數據大于4h就可得到厘米級的定位精度，但實際上由于目前國內能參與計算或能提供轉換所需的精準坐標及速度的IGS或CORS站不多且分布不均，甚至距觀測點都在數百千米以外，所以，建議觀測時間最好選6h以上，以獲得穩定可靠的成果；

3）對基于非差技術的精密單點定位解算方式進行定位解算的CSRS－PPP、APPS等系統，因數據處理過程中要探測和剔除帶有誤差的數據，求得“干凈”的數據參與計算，所以，建議觀測時間最好選6h以上，以獲得穩定可靠的成果；

4）鑒于各個系統的優越性，只要數據觀測量足夠，對于任何工程控制網，用戶都可放心使用本文介紹的任一系統或幾個系統處理數據，這樣既可以減少作業人員的勞動強度，又節約作業成本。

5）由于受地球上板塊運動和潮汐影響在時間和空間上的變化，加之坐標系統間的差異，建議在實際工作中一定要顧及位置和時間的變化，將框架和歷元歸算到統一規定的系統下使用。

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