BDS監測站坐標維持的探討

曹解放，畢再寬，董海靜，聶國興，韓雪峰

(1.61365部隊，天津 300403; 2.61206部隊，北京 100094)

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BDS監測站坐標維持的探討

曹解放1，畢再寬2，董海靜1，聶國興1，韓雪峰1

(1.61365部隊，天津 300403; 2.61206部隊，北京 100094)

北斗二代衛星導航系統(BDS)監測站建設是在北斗一代的基礎上進行的，為方便管理，監測天線安裝在各監測站樓頂上，穩定性不夠，同時北斗二代衛星導航系統目前采用的2000中國大地坐標系，歸算誤差較大。本文針對這些問題，分析了北斗衛星導航系統監測站由時變效應引起的位置變化量和地表沉降對監測站坐標維持的影響，論述了目前時變效應處理方法存在的誤差的量級，討論了美國GPS所使用的WGS-84坐標框架的維持與更新方法。最后，結合北斗衛星導航系統監測站的建設現狀，從監測站的建設、數據處理等方面提出了建立測站坐標時間序列，維持北斗衛星導航系統監測站坐標的可行性方法，并提出了意見與建議。

北斗衛星導航系統；坐標維持；時變效應；地表沉降；坐標時間序列

0 引 言

北斗衛星導航系統(BDS)是我國獨立自主的區域/全球衛星導航系統，它具有全天候、全天時、連續的三維定位、測速、短報文通信和授時能力。北斗衛星導航系統監測站坐標是提供精確衛星軌道產品的重要基礎，精確的軌道產品是支撐高性能導航系統的基礎，是高精度導航定位的必要條件。理論分析和實際經驗都表明，欲得到具有cm級的衛星軌道，監測站的坐標必須具有cm級的精度[1]，這就必須考慮時變效應對地面監測站坐標產生的影響。本文首先分析了時變效應對BDS監測站坐標精度的影響，然后介紹了美國GPS使用的WGS-84[2]坐標框架的維持與更新，接著從監測站的建設、數據處理等方面對監測站坐標維持方法進行了探討。

1 影響BDS監測站坐標精度的主要因素

時變效應是大地測量達到一定精度時要顧及的一個參量，其假定任何固定于地殼的測量標志都受巖石圈運動和潮汐等因素的影響，地面點的位置會隨時間發生變化。時變效應主要有兩個方面：一是板塊運動影響。在地心坐標系中，由于地殼板塊運動的影響，會引起點位坐標的變化。在我國西部地區，板塊運動引起的測站坐標變化每年可達4～5 cm[3]；二是潮汐效應[4]。由于BDS監測站的站坐標在數據處理時，已經采用相應潮汐模型，歸算至無潮汐系統，因此本文不再詳細討論潮汐效應方面的內容。

還有一個要顧及的影響站坐標精度的因素是局部地表沉降，這部分的影響在特殊地區最大年變化量可達9 cm[5]，所以監測站建在樓頂穩定性較差，滿足不了高精度應用的需要。目前，BDS采用的2000中國大地坐標系(CGCS2000)坐標，并沒有歸算到歷元2000.0，這主要有兩方面要考慮，一是歸算時間過長，引起的歸算誤差過大；二是沒有精確的監測站坐標時間序列。

(1)

時變效應由站速度體現，用站速度可以把一個站的坐標從一個歷元歸算至要求的歷元。目前可用的歷元歸算方法有兩種：板塊運動模型和旋轉矢量經驗模型。

1.1 板塊運動模型能達到的精度

板塊運動對站位置的影響，一般情況下可以用NNR-NUVEL1A模型進行改正。按照NNR-NUVEL1A模型，

(2)

式中：x、y、z為站的地固直角坐標，單位：m；vx、vy、vz為站的地固速度，單位：m,速度單位為m/s.

根據文獻[4]計算出的站速度三個分量在我國境內，一般年變化量為3cm左右，自2007年至今的BDS監測站坐標測量結果，歸算至歷元2000.0，由于站速度的影響，坐標三分量的最大變化量可達34cm，國外站的速度影響除南美較小外，都與國內量級相當，以后還會隨著時間的推延而增大。這樣大的影響，在計算衛星軌道時是必須要考慮的。

利用NNR-NUVEL1A模型計算速度的誤差，在一般地區約為每年5mm，青藏地區約為每年10mm.這樣看來，即使監測站建在局部地殼運動穩定的基巖上，自2007年開始至今的測量結果，按NNR-NUVEL1A板塊模型歸算到歷元2000.0，最小也有3.5cm的坐標誤差，最大可達11.0cm.這樣大的歸算誤差顯然不能滿足BDS地面站坐標誤差的測量要求。

1.2 旋轉矢量經驗模型能達到的精度

另一個可以采用的精度較高的歸算模型是旋轉矢量經驗模型。旋轉矢量經驗模型是基于待求點周圍局部區域為一剛性塊體的假設，利用包圍待求點的局部區域的實測速度數據建立的地殼運動和地殼形變模型。用經驗模型改正的具體方法是，首先利用位于塊體內三個或三個以上已知點的水平速度，求定Ωx、Ωy、Ωz的最小二乘估值，然后用得到的估值按式(2)計算待求點的速度。

利用現有927個GPS點的速度數據，構建旋轉矢量經驗模型計算一點的速度，水平分量的誤差平均為每年2.2 mm；在實測數據較少的東北、東南和青藏地區或其他邊疆地區，水平分量速度的誤差為每年3.5 mm[6].

按照旋轉矢量經驗模型，目前測量的BDS監測站坐標結果歸算到歷元2000.0的坐標，變化量與采用NNR-NUVEL1A板塊模型歸算的坐標變化量相當，其誤差最小有2.2 cm的水平誤差，似乎勉強可以滿足BDS的測量要求。但旋轉矢量經驗模型有兩個問題不能忽略：一是旋轉矢量經驗模型數據是在假設垂直分量為零的情況下得出的，沒有顧及垂直分量；二是構建模型的測站絕大多數是地殼運動監測網絡的監測站，這樣的點作為建立國家速度場的基準，滿足一般測量要求還是適合的，但要作為BDS的基準并不合適。而且大多數站是定期觀測，所得結果并不是很可靠。另外，這個模型只能適用于國內，國外的站我們還是無法解決。

1.3 局部地表沉降引起的站坐標變化

監測站多數建在普通建筑物頂部，抽取淺表地下水、季節、降水等因素都會引起監測站高程的變化，這個變化量用NNR-NUVEL1A板塊模型和旋轉矢量經驗模型都是無法很好解決的，因為這兩個模型都是基于地殼基巖層變化的，而低層樓房的基礎大多建在十幾至幾十米的軟土層。地表沉降的資料我們掌握得不多，根據公開的資料，北京、天津、江蘇、山西、四川、哈爾濱、湖南、河北等不少地區地表存在程度不同的上升或下降，最大年沉降量可達9 cm[7].如：自 1959 年到2007年為止, 天津最大累計沉降量達 2.96 m，沉降面積達到8000 km2[8]；1992-1999年天津地區楊柳青附近的局部下降速率在每年- 90 mm以下[7]；2007年3月至2009年 7月期間，北京亦莊地區沉降量113.55 mm，年下沉速率為每年48. 7 mm[5].以上數據都是全國有名的幾個漏斗區的數據，并不具有普遍的代表性，但也提醒注意這方面的影響。

2 WGS-84坐標系的維持與更新

WGS-84的坐標系維持由一組全球分布的監測站坐標來實現的，監測站坐標用來計算 GPS的精密星歷。早期GPS監測站有美國地理空間情報局負責的位于澳大利亞、阿根廷、英國、巴林和厄瓜多爾的5個監測站和美國空軍負責的位于美國科羅拉多、阿森群島、多哥、夸賈林島和夏威夷的5個監測站。這10個站的地心直角坐標最初是由這些站對子午儀衛星導航系統(TRANSIT)多普勒觀測的數據處理后得到的。由于TRANSIT衛星星歷采用的是NSWC9Z-2參考系，為使新建的WGS-84與國際時間局(BIH)的BTS84一致，對由多普勒觀測數據計算的監測站坐標隱含的參考框架做了相應調整，使得這一框架的原點和尺度與BTS84一致，調整后的10個監測站坐標體現了WGS-84的最初實現，并于1987年1月正式使用[2]。

此后，為了維持框架的精確性和穩定性，分別于1994年6月、1997年1月、2002年1月和2012年2月WGS-84先后4次進行了更新，即對 GPS監測站的坐標進行了4次更新，以使框架對準ITRF。使用的基本方法是，通過聯合處理GPS監測站和國際GNSS服務組織(IGS)站的測量數據，把IGS站的坐標約束到ITRF框架下，同時利用板塊運動模型測站坐標歸算到框架相應的歷元，獲得監測站的地心坐標。WGS-84的4次更新實現的坐標框架，依次稱為WGS-84(G730)、WGS-84(G873)、WGS-84(G1150)、WGS-84(G1674)。目前，使用的WGS-84(G1674)監測站平差后的點位精度優于±1 cm.

3 BDS監測站坐標維持現狀與方法探討

WGS-84、ITRS、CGCS2000都遵循《IERS convention》標準，可以說他們的定義是一致的[9]。文獻[10]曾比較過WGS-84和CGCS2000的一致性，認為CGCS2000和 WGS-84(G1150)在坐標系的實現精度范圍內是一致的。因此，可以參照WGS-84維持坐標系的方法來維持BDS的監測站坐標。

3.1 BDS監測站的建設

我國北斗二代系統監測站建設是在北斗一代系統監測站的基礎上進行的，監測站的選擇是根據北斗一代衛星定軌和電離層改正的需要進行的，考慮方便使用和管理其監測天線安裝在各監測站樓頂上，未考慮當地的地質情況和大樓的沉降變化，北斗二代組網衛星發射后，其監測天線亦安裝在樓頂，監測站所在地位置地質是否穩定、樓房是否沉降，會對定軌精度產生一定影響。因此，在建設每個BDS監測站時，要選在地質條件好的地區，盡可能建在基巖上。同時，要建立全球衛星導航系統(GNSS)連續運行觀測站，以便與國際國內的框架網進行聯測，以獲得與其它框架的聯系，減少監測站境外分布不足的影響。同時，這種方法不僅投入較少，而且可以無人值守、精度高，還可以取得連續的站坐標時間序列，顧及了局部地表沉降，為向某一確定歷元歸算提供精確的手段。

3.2 BDS監測站數據的處理

目前，BDS監測站坐標觀測都是獨立觀測，監測站間沒有同步觀測，這樣監測站間的聯系減少了。數據處理是將監測站觀測數據與鄰近陸態網絡基準站的觀測數據聯合解算，并沒有與全球分布的ITRF站聯合解算，因陸態網絡基準站坐標強制約束于ITRF2000，所以BDS框架對準的是ITRF2000，而不是CGCS2000的框架ITRF1997，二者不能簡單用其坐標轉換參數把地面監測站的ITRF2000框架下的坐標轉換到CGCS2000框架[9]，所以現行的北斗坐標系事實上也不是CGCS2000.另外，監測站只有坐標值，沒有速度值，如歸算到CGCS2000坐標對應的歷元2000.0，因歸算時間過長，坐標誤差較大。因此，在數據處理時，監測站數據要與IGS站的觀測數據聯合解算，得到精確的測站坐標時間序列，把BDS的監測站坐標精確化算到確定歷元，同時還顧及了局部地表沉降。同時，建議盡快啟動北斗衛星導航系統專用坐標系，真正建立起面向全球、便于精化與更新的北斗衛星導航系統坐標系。

4 結束語

1) NNR-NUVEL1A模型計算出的站速度三個分量在我國境內，一般年變化量為3 cm左右，自2007年至今的BDS監測站坐標測量結果，歸算至歷元2000.0，由于站速度的影響，坐標三分量的最大變化量可達34 cm，坐標誤差最大可達11.0 cm.這樣大的歸算誤差不能滿足BDS的測量要求。

2) 旋轉矢量經驗模型數據是在假設垂直分量為零的情況下得出的，沒有顧及垂直分量；構建模型的測站絕大多數建在地殼運動活躍的斷裂帶上，目的是監測局部地面水平運動，不宜作為BDS的基準，且該模型只適用于國內。

3) 上述兩種方法都不能很好地解決局部地表沉降引起的誤解差，需要在監測站建設連續運行觀測站，解算監測站坐標時間序列。

4) 建設啟用面向全球、便于精化與更新的北斗衛星導航系統專用坐標系，使其與CGCS2000相分離。

[1] 魏子卿.關于北斗衛星導航系統坐標系的研討[J].測繪科學與工程,2013,33(2):1-5.

[2] National Imagery and Mapping Agency. Department of Defense World Geodetic System 1984: its definition and relationships with local geodetic system [EB/OL]. (2000-01-03) [2015-04-21].http://earth-info.nga.mil/GandG/publications/tr8350.2/wgs84fin.pdf.

[3] 吳顯兵,馮來平,任紅飛.實測板塊運動模型修正導航系統監測站坐標精度分析[J].大地測量與地球動力學, 2011,31(1):83-86.

[4] 中國人民解放軍總裝備部.2000中國大地測量系統:GJB 6304-2008[M].北京:總裝備部軍標出版發行部, 2008:13-15.

[5] 陳阜超,紀靜,塔拉,等.京津水準復測與垂直形變特征[J].華北地震科學,2011,29(2):31-34.

[6] 吳顯兵,馮來平,任紅飛.實測板塊運動模型修正導航系統監測站坐標精度分析[J].大地測量與地球動力學:2011:31(1):83-86.

[7] 郭良遷,薄萬舉,陳宇坤,等.天津地區的垂直形變與構造活動研究[J].大地測量與地球動力學,2009,29(5):1-5.

[8] 于強,王威,易長榮,等.天津市地面沉降及地下水位監測自動化系統的設計與應用[J].地下水,2007, 29(5):101-104.

[9] 曾安敏,明鋒,景一帆.WGS84坐標框架與我國BDS坐標框架的建設[J].導航定位學報,2015,3(3):43-48+68.

[10] 魏子卿.2000中國大地坐標系及其與WGS84的比較[J].大地測量與地球動力學,2008,28(5):1-5.

Discussion on the Coordinate Maintenance of BDS Monitoring Station

CAO Jiefang1,BI Zaikuan2,DONG Haijing1,NIE Guoxing1,HAN Xuefeng1

(1.Troops61365,Tianjin300403; 2.Troops61206,Beijing100094)

The monitoring stations of BeiDou 2nd generation navigation satellite system are built based on the 1st generation system, for the convenience of management, monitoring antennas are installed on the roof of the monitoring station. So their stability are not enough. At the same time, the coordinate system of BeiDou 2nd generation navigation satellite system is 2000 China Geodetic Coordinate System (CGCS2000) at present and the calculation error is out of range. According to these problems, the effect of time-varying and ground subsidence are analyzed in this paper, and the error order of magnitude processed by methods of time-varying effect is also pointed out at present. We discuss the initial implementation and refinement realizations of the World Geodetic System 1984(WGS84) frame, which used as the terrestrial reference system for GPS. Finally, for the situation of BDS monitoring stations, we propose to set up coordinate time series through Global Navigation Satellite System (GNSS) continuous observation to maintenance the coordinate of monitoring station. Some suggestions are put forward for the monitoring station construction, data processing etc.

BeiDou Navigation Satellite System; coordinate maintenance; time-varying effect; ground subsidence; coordinate time series

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.01.003

2016-08-04

P228.4

A

1008-9268(2017)01-0012-04

曹解放 (1976-)，男，河南虞城人，碩士，高級工程師，主要從事大地測量數據分析處理工作。

畢再寬 (1976-)，男，長春吉林人，碩士，高級工程師，主要從事地圖制圖與GNSS數據分析處理工作。

董海靜 (1978-)，女，天津寶坻人，工程師，主要從事大地測量數據分析處理工作。

聶國興 (1967-)，男，河南南陽人，碩士，工程師，主要從事大地測量數據分析處理工作。

韓雪峰 (1985-)，男，河北曲陽人，碩士，工程師，主要從事GNSS野外數據采集和數據處理工作。

聯系人： 曹解放E-mail: 345841036@qq.com