南山并置站本地連接測量GPS控制網數據精度分析

張阿麗，熊福文，朱文耀

(1.中國科學院新疆天文臺，新疆烏魯木齊830011;2.上海市地質調查研究院，上海200072;3.中國科學院上海天文臺，上海200030)

一、引 言

地球及其周圍環境是一個不穩定系統，研究地球的整體運動(地球在空間平動和轉動)和地球的局部運動(巖石圈板塊運動、地殼各種地質地球物理因素引起的地殼形變和空間環境變化等)，必須要有一個固連于地球的地球參考系。

地球參考框架是地球參考系的具體實現和應用形式，對多種技術觀測結果的綜合利用是獲得可靠的高精度、高時間穩定性，以及獨立于任何觀測技術的地球參考框架的必然途徑，這就必然要求多種技術在觀測臺站實現并置。國際地球參考框架(ITRF)是對 VLBI、SLR、GPS、DORIS 等多種空間大地測量技術所實現的地球參考框架的綜合。進行這種綜合的基本約束參數是在多技術并置站獲得不同技術參考點之間的三維坐標差，即本地連接參數。

測站參考點通常指主轉動軸與從屬軸所在平面的交點，位于設備內部，并非一個具體可以觀測的物理參考點。為監測它在ITRF中的變化，一般通過常規大地測量建立參考點和測控點間的位置關系，通過GPS測量獲得測控點在ITRF下的坐標，再經坐標轉換最終得到參考點在ITRF中的坐標。由此可見，GPS測量資料的歸算精度及其與常規大地測量結果之間轉換參數的求解精度將直接影響本地連接參數的測量精度。

新疆天文臺同時擁有GPS與VLBI空間大地測量技術(如圖1所示)，技術多且觀測資料時段長，是國際、國內VLBI觀測網與GPS觀測網的重要觀測臺站之一。但南山觀測站一直以來都缺少高精度的本地連接，可以說是國際、國內并置站的一大缺憾。鑒于此，2011年8月筆者所在單位首次對南山觀測站開展了GPS與VLBI本地連接測量，目的是研究新疆天文臺VLBI、GPS觀測并置站本地連接關系，開展對南山測站參考點的監測，進而研究測站中長期運動。

圖1 南山觀測站GPS與VLBI分布示意圖

二、控制網的布設與觀測

在測量工作中，為控制測量誤差的傳遞與積累，保證必要的測量精度，必須首先在全測區范圍內選定一些控制點構成一定的幾何圖形，用精密的測量儀器和精確的測算方法在統一的坐標系統中確定它們的平面位置和高程，再以這些控制點為基礎，測算其他點的位置，這就將控制測量工作分為平面控制測量和高程控制測量兩種。

新疆天文臺南山觀測站空間大地測量技術的本地連接參數的測量精度要求控制在毫米級，而整個本地連接過程包括GPS主控網觀測、局域三角網觀測、空間方向交會和幾何旋轉中心曲線擬合計算4個部分。GPS控制網的測量是本次本地連接測量的關鍵點之一。

相對于傳統控制測量來說，GPS技術應用于控制測量的優點如下：

1)GPS控制網選點靈活，布網方便，基本不受通視、網形的限制，特別是在地形復雜的測區更顯其優越性。

2)GPS測量精度高。一般雙頻GPS接收機基線解精度為5 mm+1×10－6D，而紅外測距儀標稱精度為5 mm+5×10－6D，GPS測量精度與紅外測距儀相當，但隨著距離的增長，GPS測量的優越性愈加突出。

1.控制網點的分布

工程控制網的布設原則和大地控制網是一致的，但也有一些區別。因為不同的工程有不同的要求，其控制網也就有輕微的差別。一般工程控制網點不需要均勻分布，而是按其需要進行布點。但本地連接所需要的地面GPS控制網由于要考慮本地連接的常規測量網，因此在布點時應根據需要確定點位的位置，并考慮其圖形結構。

南山觀測站高精度GPS控制網布設采用“基于GPS連續運行基準站”的布設方法，與國際IGS網基準站聯測，引入GPS起算基準，采用高精度GPS基線解算方法建立工程控制網的絕對基準。建立高精度工程控制網是確保獲得多技術并置站毫米級本地連接參數的基礎。

為了獲取南山高精度本地連接參數，根據觀測角度和控制網圖形強度的要求，同時為了保證GPS網的可靠性，在南山觀測站經現場踏勘，用混凝土現場澆灌并建立了永久性的觀測基墩5個(見圖2中點 0001、0002、0003、0004、0005)，并且兩兩通視，基墩上方中心處安置了強制歸心裝置，組成了包括GUAO CORS站在內共計6個控制點的GPS控制網。圖2中“GPS”所示位置為國際GPS服務(IGS)基準站(GUAO)。

2.GPS測量

(1)技術要求

在南山觀測站GPS控制網的5個(0001、0002、0003、0004、0005)觀測基墩上，同時安置 5臺雙頻GPS接收機，連同GUAO站共6臺雙頻GPS接收機，按照《全球定位系統(GPS)測量規范》(GB/T 18314—2009)B級網技術要求連續觀測。

1)觀測儀器。使用5臺Ashtech Z-Surveyor雙頻接收機(配備扼流圈天線)同步觀測，精度為3 mm+1×10－6D。扼流圈天線是目前精度最高的GPS天線，中間的渦流狀結構有效地阻止了多路徑效應等干擾信號，提高了GPS信號的接收品質，從而保證了原始數據的可靠性。

2)觀測技術要求。作業時的主要技術要求如下：觀測衛星高度角≥15°;有效觀測衛星數≥5;時段長度24 h;時段數≥3;數據采樣間隔30 s。

(2)測量實施

于2011年8月31日 9∶24—9月6日2∶53(相當于年積日DOY243—DOY249)進行了連續觀測，觀測時間見表1。統一型號的扼流圈天線和同步連續觀測，為良好的GPS觀測成果打下了堅實的基礎。

三、GPS數據處理與精度分析

1.基線處理

進行三維無約束平差及約束平差前要進行基線向量解算。對于一組具有一個共同端點的同步觀測基線來說，由于在進行基線解算時用到了一部分相同的觀測數據，數據中的誤差將同時影響這些基線向量。因此，它們之間應存在固有的統計相關性，在進行基線解算時應考慮這種相關性，并通過基線向量估值的方差-協方差陣加以體現，從而能最終應用于后續的網平差。

圖2 GPS控制網示意圖

南山站GPS控制網數據處理時采用多基線解，選取南山GPS觀測站GUAO站作為起算基準。基線處理采用麻省理工學院GAMIT 10.4版軟件，采用SP3格式IGS精密星歷，在Sittbl文件中不固定任何點，只是給GUAO站較強的約束值，處理5個本地連接點和GUAOCORS站GPS數據及氣象數據。按照年積日分別計算出243—249單日基線解。

目前，國際上常用的GPS數據處理軟件有美國麻省理工學院等單位研制的GAMIT、瑞士伯爾尼天文研究所研制的Bernese、美國宇航局噴氣式推進實驗室研制的GIPSY［1］等。利用精密星歷，在參考站坐標精確已知的情況下，GAMIT解算基線的相對精度可達10－9，其源代碼開放，用戶可以根據需要進行源程序修改。鑒于南山25 m天線周圍GPS觀測采用了雙頻接收機，且距離測控點150 m內的GUAO坐標精確已知，可作為參考站，與5個測控點組成了超短基線網。若利用GAMIT并采用雙差固定解，可以有效地減弱衛星軌道誤差、衛星鐘差、接收機鐘差，以及電離層和對流層延遲誤差等影響，因此南山GPS測控網選用了GAMIT軟件進行GPS資料歸算。

2.GPS網平差

在GPS網的數據處理過程中基線解算所得到的基線向量僅能確定GPS網的幾何形狀，卻無法提供最終確定控制網中點的絕對坐標所必需的絕對位置基準。在GPS網平差中，通過起算點坐標可以達到引入絕對基準的目的。通常，無法通過某個單一類型的網平差過程來達到目的，而必須分階段采用不同類型的網平差方法。

南山站GPS控制網平差采用GPS_NET軟件(同濟大學)，固定 GUAO站在 ITRF2008框架下2 011.660 27(2011.8.30 日)歷元的坐標(見表2)，對整網進行平差，平差后 0001、0002、0003、0004 四個點的X、Y、Z坐標精度達0.4 mm，只有0005點的坐標精度稍差一些，為0.5 mm。本地連接控制點空間坐標及網平差精度見表3、表4。

表2 GUAO站在ITRF2008框架下2011.66027歷元坐標 m

表3 本地連接控制點在ITRF2008框架下2 011.660 27歷元坐標 m

表4 GPS控制網平差效果

為了檢測和衡量GPS測量的精度，采取了統計單日解N、E、U 3個方向分量重復性的方法，以避免控制網平差時控制點帶入的起算基準誤差，基線三維分量的重復性直接反映了基線兩個端點之間的相對精度，若其中的一個點視為穩定的不動點，其相對精度值即可看做是另外一點的精度。

《全球定位系統(GPS)測量規范》(GB/T 18314—2009)中重復性定義為

式中，n為同一基線的觀測時段總數;Ci為同一觀測時段的基線的某一坐標分量或邊長;為Ci分量相應的方差;Cm為各時段Ci的加權平均值。

根據式(1)，對DOY243—249間共計7 d的基線文件進行統計分析，得出N、E、U 3個方向和長度分量重復性(見表5)。表5表明基線在N、E和長度方向的重復性較高，在0.3～0.4 mm之間;U方向分量重復性稍遜色一點，重復性為1.4 mm。基線相對精度為0.8×10－8，滿足《全球定位系統(GPS)測量規范》(GB/T 18314—2009)中A級網基線相對精度1×10－8的要求。

表5 GPS控制網基線處理重復性統計表

四、結 論

本文通過對南山站本地連接中GPS控制網布設、觀測、數據處理、精度進行分析研究，得出如下結論：

1)在本地連接GPS控制網網形設計中，圍繞VLBI天線布設同步GPS觀測網是最佳的選擇，既便于位于VLBI天線上靶標的交會觀測，又有利于GPS控制網、三角網的精度控制。

2)觀測中應盡可能采用多臺GPS接收機進行同步觀測，減少遷站和對中誤差、量高誤差的影響，對保證GPS控制網精度十分有利。

3)GPS基線處理、網平差、精度分析各階段應充分發揮國際精密定軌軟件、國產嚴密平差軟件的優勢和滿足測量規范的要求，以滿足本地連接測量需要。

4)文中GPS控制網精度達到《全球定位系統(GPS)測量規范》(GB/T 18314—2009)中A級網的技術要求，為后期坐標轉換、VLBI天線參考點坐標計算奠定了較好的基礎。

5)利用GAMIT解算與網平差軟件，獲得了測控網在ITRF下測控點的高精確坐標，用于局域網與地心坐標系之間的轉換，有利于確保南山并置站的高精度本地連接參數的測量精度，同時也為開展測站參考點中長期穩定性的監測與研究創造了良好的基礎。

［1］朱文耀，熊永清，程宗頤，等.上海VLBI，SLR和GPS站站坐標的精密測定和精度估計［J］.中國科學院上海天文臺年刊，1996(17)：7-8.

［2］劉光明，馬金輝，唐穎哲.VLBI歸心測量中的空間擬合［J］.測繪通報，2011(10)：11-13，19.

［3］王解先，季善標，施一民.上海天文臺的VLBI、SLR、GPS站的空間歸心測量［J］.解放軍測繪學院學報，1997，14(1)：7-10.

［4］熊永清，朱文耀.上海天文臺VLBI，SLR和GPS站的歸心結果與分析［J］.中國科學院上海天文臺年刊，1996(17)：67-72.

［5］ABBONDANZA C，ALTAMINI Z，SARTI P，et al.Local Effects of Redundant Terrestrial and GPS-based tie Vectors in ITRF-like Combinations［J］.J Geod，2009(83)：1031-1040.

［6］臧德彥.精密工程測量中強制歸心裝置的制作［J］.測繪通報，2006(10)：46-48.

［7］SARTI P.Height Bias and Scali Effect Induced by Antenna Gravitational Deformations in Geodetic VLBI Data Analysis［J］.JGeod，2011(83)：1-8.

［8］施一民.GPS衛星定位的應用與數據處理［M］.上海：同濟大學出版社，1994.

［9］王解先，季善標，施一民.利用GPS和常規技術進行空間歸心測量［J］.工程勘察，1997(3)：52-55.

［10］沈云中，陳廷武.上海天文臺并址站的空間歸心測量［J］.同濟大學學報：自然科學版，2006，34(2)：217-220.