上海市VRS系統框架穩定性分析

鄒俊平，季善標，余美義

(上海市測繪院，上海 200063)

上海市VRS系統框架穩定性分析

鄒俊平?，季善標，余美義

(上海市測繪院，上海 200063)

目前各個省市都相繼建立了自己的基準站網，國家測繪局亦在籌建全國性的基準站網。上海市VRS系統作為較早一批建立的城市基準站網，至今已有效運行4年多，有必要對上海市VRS系統框架的穩定性進行一些探討分析。本文以上海市VRS系統框架穩定性分析為例，在分析自身系統穩定性的同時，對影響基準站網穩定性的原因進行了簡單的分析，所采用的基準站穩定性分析方法能達到比較理想的效果。本文還希望通過基準站網的穩定性分析等手段拓展基準站網為城市形變分析、維持城市坐標框架等方面的應用。

系統框架；穩定性；重心平差；坐標偏移

上海市VRS系統是上海市GPS綜合應用網的擴展和延伸，是上海市空間信息應用基礎設施，也是上海市數字城市、城市規劃建設的基礎設施。該系統是城市規劃、市政建設、管線測量、變形監控、地震災害、氣象應用、交通運輸等多個行業應用的綜合空間服務系統。上海市VRS系統作為維持上海市城市坐標框架的重要基石，在覆蓋全市的各種比例尺數字地圖生產、保障城市建設等方面發揮著舉足輕重的作用。

上海市VRS系統將幀中繼專線通訊用于參考站與控制中心的實時數據通訊，很好地解決了數據傳輸延遲和安全性問題；而用戶(流動站)采用GPRS數據鏈與控制中心連結，可以實現雙向有關定位修正信息咨詢。在系統集成同時，在內部局域網LAN上研制完成了系統數據發布與應用運行管理平臺，其功能包括實時動態應用和靜態數據下載后處理等各類用戶注冊、監控、服務和管理等。初步形成國內首個基于VRS技術的GPS網絡RTK數據發布與應用系統運行平臺。

上海市VRS系統自2005年建成，2006年6月正式商業化運行以來，系統已經順利、有效運行4年多。院內外用戶數已經達到264個，并且以平均每年30個左右的速度在增長。涉及的行業主要有市政、電力、煤氣、測繪、勘測、儀器廠商等。使用的儀器設備有南方靈銳、徠卡GX1230、拓普康HiPer、泰雷茲Tales、天寶的DGPS產品等。截止到2009年11月，用戶累計RTK(厘米級實時定位)使用時間達到39 530小時，累計RTD(亞米級實時定位)使用時間為792小時。應該說實現了規模化生產，極大地提高了生產效率，也達到了項目建設的預期目標。

然而，系統基準站點雖大多建于穩定的建筑物上，但由于上海地區本身的板塊偏移和沉降因素，特別是在2007年強臺風、2008年汶川地震波的綜合作用下，隨著時間的推移，勢必會對上海市VRS系統基準站點的穩定性造成一定的影響。為保障系統的可靠性并提供有效服務，必須對上海市VRS系統的穩定性進行有效且及時的分析評價。

1 數據處理方法模型

上海天文臺的GPS站(位于佘山)是國際GPS服務網IGS的核心站，它既是全球的基準站，又是全國的基準站，其站坐標的精度優于 1 cm，位移速度的精度優于3 mm/年，是目前全國精度最高的GPS站。在系統框架穩定性分析中以上海天文臺GPS站作為聯測基準站，不僅保證了該網的高精度，保障了系統分析的可靠性，而且能使該網的各種GPS應用服務納入全球的應用服務系統，與國際接軌，建立該網與各種國際GPS服務網之間的聯系和轉換關系。

在數據處理方法上，采取以下3個步驟:

(1)選取上海VRS系統原9個基準站和上海IGS站SHAO于2008年1月～10月中每月3天30秒鐘的原始數據在GAMIT中使用IGS精密星歷進行基線解算。

(2)為分析各基準站的坐標偏移量，對這些基線再在三維空間中進行重心平差，同時確定9個基準站以及上海IGS站SHAO新的上海WGS－84坐標。

(3)將各基準站點的三維空間直角坐標XYZ轉換到各個站點的站心地平直角坐標系坐標，分別從水平北方向(N方向)，水平東方向(E方向)，垂直方向(U方向)對各個基準站坐標進行分析。

在數據處理方面主要涉及基線解算、網平差和坐標轉換。按照數據處理流程簡要介紹其數學模型。采用GAMIT軟件對選取的觀測數據進行基線解算。在完成GAMIT基線解算后，首先進行GPS網三維約束平差。觀測方程如下:

組成法方程后，消去已知點所對應的行和列，利用最小二乘法求解的未知點三維坐標。為充分考慮已知點的穩定性，還需要進行重心平差(擬穩平差)。在上面的觀測方程中，將已知點亦當作未知點進行解算，引入下面的基準方程:

同時考慮已知點改正數平方和最小，根據觀測方程和基準方程，按照最小二乘原理進行平差解算，得到WGS－84空間平差結果。

圖1 空間大地直角坐標與站心地平直角坐標轉換示意

為對各基準站點穩定性進行分析，還需要將WGS－84空間三維坐標轉換成以各基準站點為站心的測站坐標。采用最常用的左手系的站心地平直角坐標系，如圖1所示。3個坐標軸X，Y，Z表示空間大地直角坐標系，N，E，U表示左手系的站心地平直角坐標系，以測站P0點為原點，以站心P0點的法線為U軸，取大地天頂方向為正向；在地平面上，以子午線方向為N軸(向北為正)，E軸與N軸正交(東向為正)。就坐標系的不同表述形式而言，站心地平直角坐標與空間大地直角坐標所屬的兩種坐標系的坐標原點及3個坐標軸指向均不相同，存在著平移和旋轉的轉換關系。為此可將坐標原點從橢球中心平移到測站中心P0，3個平移量即為P0點在空間大地直角坐標系中的3個坐標分量，它的3個坐標軸用來表示，分別平行于X，Y，Z軸，以此坐標系為過渡，即可得出任一網點i的站心地平直角坐標(Ni，Ei，Ui)與空間大地直角坐標(Xi，Yi，Zi)之間的轉換關系式 :

上式中，(B0，L0，H0)乃是站心坐標系原點P0的大地坐標，(Ni，Ei，Ui)為網點i在該站心地平直角坐標系中的坐標，(Xi，Yi，Zi)表示網點i的空間大地直角坐標。

處理數據基準站站名:IGS站1點:SHAO(佘山)；上海VRS系統基準點9點:CMMZ(崇明)，LGXC(臨港)，SHBS(寶山)，SHCH(測繪院)，SHJD(嘉定)，SHJS(金山)，SHQP(青浦)，SHXZ(莘莊)，SSJG(三甲港)；江蘇3點:JSDS(淀山)，JSQD(啟東)，JSTC(太倉)，網圖如圖2所示。

圖2 基準站網網點分布示意圖

2 數據處理結果比較

依照上述數據處理方法和模型，將各基準站計算結果與目前采用的基準站坐標分別在NEU 3個方向進行比較分析。發現水平北方向和水平東方向基準站點的平均坐標偏移都在10 mm以內(除SHAO站)，在垂直方向的平均坐標偏移普遍達到20 mm，特別是SHCH站點達到40 mm左右，具體數據比較如圖3～圖5所示。

圖3 各站點北方向與已知坐標偏移量

圖4 各站點東方向與已知坐標偏移量

圖5 各站點垂直方向與已知坐標偏移量

3 坐標偏移原因分析

水平北方向和水平東方向兩個方向的偏移應該主要是由于采取的計算模型誤差所引起的。由于采取重心平差的方式，將觀測誤差在各個站點上進行了一定的分配，造成各個站點計算結果均會出現一定的偏移量。其次，由于整個板塊的漂移，可能產生一定的整體坐標系統偏移。

垂直方向的偏移主要是由于上海地區的沉降造成。同時造成各個基準站U方向偏移量相差比較大的主要原因，應該是上海本身各個地區沉降不均勻所造成的。由于沉降的不均勻性，會對整個VRS系統測量的精度與上海城市坐標系統框架產生影響。為對偏移量進行一定的量化分析，選取沉降比較嚴重的SHCH為例，采用10個月的數據進行了線形回歸分析，結果如表1所示。

SHCH(測繪院)站點3個方向坐標偏移量線形回歸分析 表1

4 結 論

剔除觀測誤差，數據處理誤差的影響，水平北方向與水平東方向的坐標偏移主要原因應該由板塊漂移所引起，考慮到上海城市坐標系統的整體性與穩定性可以不進行改正。垂直方向的坐標偏移量，從回歸函數上看已經達到41.877 mm，有必要對SHCH站該方向坐標進行一定的調整，以滿足城市VRS測量以及維持坐標框架精度的需要。至于調整的方法，推薦采用約束其他基準站點坐標方式進行空間三維經典平差求取SHCH新坐標，對此，本文不再詳細介紹。

[1]陳俊平，王解先.中國境內IGS站數據處理及地殼運動研究.同濟大學學報，2005年10月第33卷第10期

[2]季善標，王解先.上海市首級控制網改造.工程勘察，2004 (5)

[3]施一民，王勇紅，張虎等.GPS附和網3維平差的方法和應用.測繪通報，2005(7)

Framework Stability Analysis of Shanghai Virtual Reference System(VRS)

Zou JunPing，Ji ShanBiao，Yu MeiYi
(Shanghai Municipal Institute of Surveying and Mapping(SMISM)，Shanghai 200063，China)

At present，various GNSS station networks of local provinces and municipalities have been set up step by step，and a nationwide GNSS station network is prepared to be set up by the State Bureau of Surveying and Mapping(SBSM)in the near future.As the earlier GNSS station network，the Virtual Reference System(VRS)which is built by Shanghai Municipal Institute of Surveying and Mapping(SHSMI)has been in effective operation for 4 years.It’s necessary to analyze the framework stability of Shanghai Virtual Reference System in order to improve the service of shanghai VRS.In this paper，the author signs up some reasons which affecting the framework stability and proposes a useful method which can be applied in the framework stability analysis of the VRS.The effective of this method has also been proved at last. The author also hopes that the framework stability analysis method to be used in area of urban deformation analysis and the maintenance of city coordinates framework.

system framework；stability；barycenter adjustment；coordinates offset

1672－8262(2010)04－80－03

P228

A

2010—01—05

鄒俊平(1982—)，男，工程師，主要從事精密工程測量與GPS應用研究。