我國高精度地心坐標框架確定方法研究

張　鵬，李志才,孫占義，王　凡，陳現軍

(1. 國家基礎地理信息中心，北京 100830； 2. 導航與位置服務國家測繪地理信息局重點實驗室，北京 100830)

Research on Determining High Precision Geocentric Coordinate Reference

Frame in China

ZHANG Peng，LI Zhicai，SUN Zhanyi，WANG Fan，CHEN Xianjun

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我國高精度地心坐標框架確定方法研究

張鵬1，2，李志才1，2,孫占義1，2，王凡1，2，陳現軍1，2

(1. 國家基礎地理信息中心，北京 100830； 2. 導航與位置服務國家測繪地理信息局重點實驗室，北京 100830)

Research on Determining High Precision Geocentric Coordinate Reference

Frame in China

ZHANG Peng，LI Zhicai，SUN Zhanyi，WANG Fan，CHEN Xianjun

摘要：基于我國現有國家GNSS連續運行基準站數據資源，提出了實現我國區域地心坐標框架的方法，重點解決了數據處理過程中分區處理的方法和策略。首次提出了將國家基準站分成7個區域進行單天解處理，再進行聯合平差的策略，以獲得高效、快速的數據處理結果。將區域結果與全球結果進行聯合平差，給出選取全球和我國區域框架點的原則，在此基礎上對單天解解算結果進行坐標參考框架轉換，得到穩定可靠的全球和區域解結果，實現我國地心坐標框架的精確確定。

關鍵詞：地心坐標框架；基準站；數據處理；聯合平差

一、引言

建立和維持高精度、三維動態的國家地心坐標參考框架是國家測繪地理信息局的一項重要任務。我國從2008年7月1日起正式啟用2000國家大地坐標系統(CGCS2000)作為國家法定的坐標系，作為我國新一代的平面基準。其坐標框架由兩部分組成:一是全球導航衛星系統(GNSS)國家級連續運行站網，主要由30個左右的國家級GNSS連續運行基準站網組成；二是國家高精度大地控制網，一共有2542個GPS網點[1]。隨著國內經濟實力的增強及相關重大項目的組織實施，我國GNSS連續運行基準站總規模已經達到2500站，其中國家級基準站約410個(主要包括基準工程360站及927工程50站)，省級基準站約2000個。410個國家級GNSS連續運行基準站均勻覆蓋我國陸域國土，將成為維持我國CGCS2000坐標系的主體。考慮到數據處理策略及方法的不同，本文將主要研究基于這410個國家站建立和實現我國區域地心坐標框架的理論方法。

二、總體方法研究

國家地心坐標框架的確定主要涉及GNSS連續運行基準站的數據處理技術。GNSS高精度數據處理技術已日益成熟，相關的國際組織基于全球分布的IGS站完成了ITRF2000、2005、2008的全球框架實現工作[2-4]。本研究將立足于成熟的GNSS數據處理技術，基于數據處理的連續性、可靠性、穩定性等進行區域地心坐標框架的研究工作，重點包括數據預處理、單日數據處理和平差計算3大部分。其中數據預處理的目的是確保數據標準、規范、質量可靠，剔除錯誤信息等。單日數據處理主要由每站每日的GNSS載波相位觀測量計算獲得測站和衛星軌道的單日區域松弛解，給出區域測站、極移和衛星等參數的松弛解和方差-協方差矩陣，是下一步平差的準觀測值，由于牽涉大網處理，將提出切實可行的分區處理方案。網平差是區域框架實現的最終步驟，將對區域結果與全球結果進行聯合平差，根據一定原則研究選取全球和我國區域框架點，在此基礎上對自由網解算結果進行坐標參考框架轉換，得到最終的全球和區域解結果。

三、數據預處理

數據預處理的目的是數據格式標準化、數據質量檢查、數據錯誤校驗等。數據處理主要采用基于觀測量的雙差處理模式，當基準站多路徑較大或其他原因造成數據質量不好時，可能會影響其他基準站的解算成果，因此需對原始觀測數據進行檢查。利用TEQC軟件，可檢查評估觀測數據多路徑效應及周跳數，如MP1或MP2大于0.5，需根據具體情況分析判斷該站是否進入下一步數據處理流程。

GNSS高精度數據處理時需根據測站信息文件獲取基準站的接收機型號及固件版本號，并據此判定每個通道的觀測數據類型。高精度數據處理時還需考慮天線相位中心改正模型，不同的相位中心改正模型可能造成厘米級的定位誤差。為避免上述誤差的出現，提高定位的精度，每日的計算中需要檢查的測站的頭文件信息主要包括：測站信息正確性的檢驗，如測站點名一致性與正確性；接收機與天線型號的信息檢查；天線高量取的正確性檢查，以及天線高歸算至相對應的參考位置檢查。

四、單日數據處理

單日數據處理主要由每站每天的GNSS載波相位觀測量計算測站位置、接收機鐘差與衛星鐘差、GNSS衛星軌道參數、大氣延遲參數、地球定向參數EOP等多種未知數。在解算中對各參數都給予了松弛的約束，最終獲得測站和衛星軌道的單日區域松弛解，該單日解給出了區域測站、極移和衛星等參數的松弛解和方差-協方差矩陣，是下一步平差的準觀測值。

1. 數據處理模型策略

GNSS定位精度的提高源于兩個方面：一方面是衛星系統的改進、完善和接收技術的進步；另一方面是數據處理中所涉及的各種模型的精化和地球參考框架的改進。在數據處理中，誤差的消除或減弱通常采用模型改正或附加參數估計的方法。隨著衛星對地觀測技術的發展，以及對GNSS定位誤差源的認知不斷深入，這些模型和方法經歷著一個不斷完善和精化的過程。在GNSS數據處理中，每一個方法、模型和框架的改變都會對定位結果產生影響，為了減少這些對定位結果的影響，應盡可能采用更準確的物理模型。

衛星軌道采用軌道松弛模式，在估算測站位置的同時, 還允許衛星軌道(IGS精密星歷)和地球自轉參數(Bull_A)有微量的調整，同時參數估計衛星天線的徑向偏差。

大氣折射模型采用SAAS模型[5]計算對流層天頂的干、濕延遲分量的初始值，同時每個測站每2個小時估計1個天頂延遲參數，氣象數據由GPT模型[6]獲得，映射函數采用GMF模型； 同時還對每個測站的東西向和南北向各附加一個大氣水平梯度參數估計。

數據處理中采用的地球重力場、固體潮和極潮模型都遵循IERS2003規范[4]。海潮引發的測站地殼形變改正采用最新的全球海潮模型FES2004[4]，并同時顧及海潮導致的地球質心變化。

綜上所述，對大腸癌合并糖尿病圍手術期患者實施腸外營養支持及綜合護理干預，能縮短患者進食及排氣時間，有利于控制血糖穩定，對患者愈合具有重要意義，值得臨床應用。

觀測量的隨機模型：數據的觀測誤差主要源于信號的多路徑效應和大氣對流層的折射誤差，這些誤差是與衛星的截止高度角密切相關的，為此采用了依據衛星截止高度角確定觀測誤差的隨機模型方法，即數據誤差為衛星截止高度角的函數，函數系數由數據驗后殘差擬合確定。

2. 子網劃分策略

由于全球及全國每日需要聯合處理的站數超過400站，考慮到軟件數據處理能力，本文提出將全球、中國大陸測站劃分為不同子網分別處理，然后通過公共聯系點綁定在一起。因此，針對數據軟件單日處理能力，提出以下子網劃分方案：

綜合考慮中國大陸板塊分布、國際及國內早期GNSS基準站點地理位置和站點數量，以及國家基準網410個基準站的分布密度，按照東北區、華北區、華中區、華南區、西部區和新藏區劃分為6個分區。這樣劃分的優點是每個分區的基準站分布密度相同，周邊相鄰IGS和早期地殼網絡的基準站分布及數量利用相對合理，每個分區測站數量基本上控制在70～80站。

3. 單日數據處理方案

東北區、華北區、華中區、華南區、西部區和新藏區在單日解算時，每個子網中都加入了子網覆蓋區域及周邊的地殼網絡基準站。地殼網絡基準站及20個IGS站形成一個分區，共7個分區，形成單日解h文件(hngcc01、hngcc02、…、hngcc07)。

各子網加入其附近及周邊地殼網絡基準站主要顧及以下因素：①目前地殼網絡基準站經過多年連續觀測，已經具備較好的坐標和速度成果，可以實現區域坐標參考框架控制；②建立各子網之間聯系，在各子網之間增加公共點，便于后續各子網的合并；③由于地殼網絡基準站已知其精確坐標，在解算中對其給予約束，可保證解算過程中能快速、正確解算模糊度，提高解算精度并加快解算速度。

IGS站與地殼網絡基準站單獨分區的目的是將我國區域解算結果與全球解合并，以實現將解算結果轉換到全球坐標參考框架下。各分區站點組成見表1。

表1　各分區站點組成

五、整體平差計算

利用相應軟件將圣地亞哥海洋研究所軌道中心(SOPAC)產出的全球IGS跟蹤站的7個單日松弛解(IGS1—IGS7)和每天的各個子網單日松弛解文件通過公共參數(公共測站位置參數和衛星軌道參數)進行合并，得到一個包含所有IGS測站、基準網測站、極移和衛星參數的松弛解及方差-協方差矩陣，即每日整體單日松弛解。整體單日松弛解是下一步平差計算的準觀測值。

整體單日松弛解中保持了整網內部測站之間相對位置的準確性，類似無基準的自由網解，再通過參考框架的實現，即可得到全球框架下站點坐標時間序列。

1. 全球框架站選取

為得到國家GNSS基準站點在ITRF2008框架下的坐標和速度，需要對全球框架站點的選取進行合理、嚴密的分析。在平差中擬選取92個國際站作為框架站，選取步驟為:首先利用站點時間序列等資料按照一定標準對各臺站的數據質量進行分析，并對測站進行初步篩選；其次利用七參數法對初選臺站進行精選；然后對精選的測站進行監督分類；最后采用分級柵格化的方法使臺站在全球的分布符合均勻化的原則。

2. 平差策略

整網采取無約束平差，即平差過程中對站點和衛星均采用松弛約束，進行“無基準”平差。實現參考框架的方法有約束法和相似變換法。

采用約束法需要比較清楚地了解參考點的實測精度，即參考點的實測結果與ITRF或其IGS實現的基準值間的差異，并以此對參考點的位置和速度參數施加約束。不合理的約束將導致GNSS站點間的相對位置關系發生畸變，而且這種畸變與參考點的分布相關，即距參考點越近的地方畸變越大。約束法通常適用于獨立的區域性應用(該區域只有少數參考點)或速度基準的確定。

相似變換法是目前更通行的方法，不僅能夠完全維持GNSS站點間的相對關系不變，而且還能很好地消除地表質量再分配所導致的地球質心的變化。因此，本方案設計選擇七參數的相似變換方法實現參考框架，即通過全球框架站求取整體單日松弛解到ITRF2008框架下的七參數，單日松弛解經過七參數變換，實現整體平移、旋轉、縮放至ITRF2008框架基準下。

3. 國家GNSS連續運行基準站網平差

進行整網的無約束平差，即平差過程中對站點和衛星均采用松弛約束，利用序貫卡爾曼濾波，允許每一個單日松弛解有整體的平移、旋轉和縮放，同時允許測站位置有隨機漫步噪聲，將無約束平差結果旋轉至ITRF2008框架中。ITRF2008框架是通過用已選取的全球分布的多個IGS站為框架站實現的，框架站點的控制信息采用IERS發布的相應站點在ITRF2008框架下的坐標與速度值。

此外，本研究重點是實現我國的區域地心坐標框架成果，提供我國CGCS2000坐標系下的基準站坐標時間序列，具體實現原理及方法同上。CGCS2000框架通過我國周邊及內部20個IGS基準站及地殼網絡基準站實現，框架點的控制信息采用CGCS2000下的坐標及速度值。

六、基準控制及精度統計分析

1. 單日解數據處理精度

單日數據處理結果的計算質量可以用NRMS值來評定，通常認為NRMS約為0.25周時，解算結果較合理。NRMS過小，表明解算時給予的約束過松；NRMS大于0.5，表明解算時可能有整周模糊度固定錯誤或存在其他模型參數解算錯誤等問題。以2012年中國大陸構造環境監測網絡260站數據處理為例，每日解算結果的NRMS值在0.20周以下(如圖1所示)，說明單天解的計算精度較好，精度均符合要求，可以作為下步網平差的基礎。

圖1　2012年度單天解數據處理精度統計

2. 網平差數據處理精度

對平差結果精度的綜合分析是保證數據處理成果可靠性的重要方法，通常用來衡量結果精度的重要指標是單日解基線或坐標重復性。利用該模型計算陸態網絡260站2011—2013年的平差結果，相應的精度統計見表2。從表2可以看出，計算精度基本在1 cm以內，說明平差的精度非常高，可基本滿足要求。

表2　陸態網點坐標平差精度　mm

七、結束語

本文基于我國現有國家GNSS連續運行基準站數據資源，提出了實現我國區域地心坐標框架的方法，重點解決了數據處理過程中分區處理的方法和策略。首次提出將國家基準站分成7個區域進行單天解處理， 再進行聯合平差的策略，以獲得高效、快速的數據處理結果。將區域結果與全球結果進行聯合平差，給出選取全球和我國區域框架點的原則，在此基礎上對單天解解算結果進行了坐標參考框架轉

換，得到了穩定可靠的全球和區域解結果，實現了我國地心坐標框架的精確確定。

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作者簡介：張鵬(1973—)，男，博士，教授級高級工程師，研究方向為大地測量與衛星導航。E-mail：zcli@nsdi.gov.cn

基金項目：國家863科技計劃(2013AA122501)；國家自然科學基金(41274030)；國家測繪地理信息局公益性行業專項(201512001)

收稿日期：2014-10-26; 修回日期： 2015-04-05

中圖分類號：P226

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2015)12-0001-04

引文格式： 張鵬，李志才，孫占義，等. 我國高精度地心坐標框架確定方法研究[J].測繪通報，2015(12)：1-4.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.364