寧波市2000國家大地坐標系聯測及數據處理

曹學禮，張旭東，葛章發，符華年

(寧波市測繪設計研究院，浙江寧波 315041)

寧波市2000國家大地坐標系聯測及數據處理

曹學禮?，張旭東，葛章發，符華年

(寧波市測繪設計研究院，浙江寧波 315041)

寧波市2000國家大地坐標系聯測及數據處理，獲取了寧波市2000國家大地坐標系的大地基準和原有GPS控制點的2000國家大地坐標成果，并經過實地檢測驗證；更新了寧波市GPS控制點的54坐標系、80坐標系的平面坐標，建立了已有坐標系與2000國家大地坐標系的坐標轉換關系，實現了基于NBCORS網絡RTK技術的似大地水準面成果聯合應用。

2000國家大地坐標系；IGS；聯測；數據處理；檢測；坐標轉換

1 引 言

國務院批準自2008年7月1日啟用我國的地心坐標系——2000國家大地坐標系(China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000)。該項工作由國家測繪局統一領導，國務院各有關部門和各級測繪主管部門分工負責，進行各類基礎測繪成果和基礎地理信息數據庫的坐標系轉換，建立各地相對獨立的平面坐標系統與2000國家大地坐標系的有效聯系。寧波市規劃局作為主管全市基礎測繪工作的職能部門，對此十分重視，在已經建成的寧波市現代測繪基準體系基礎上，于2008年下半年著手立項研究寧波市2000國家大地坐標系的建設工作，于2009年初向寧波市測繪設計研究院下達了“寧波市2000國家大地坐標系聯測及數據處理”基礎測繪任務。我院于2009年3月組織該項目的實施，于2009年10月完成。

寧波市2000國家大地坐標系聯測及數據處理的目標是:以新建立的寧波市全球導航衛星系統連續運行參考站網為坐標框架，通過聯測具有2000國家大地坐標的IGS全球跟蹤站，獲取寧波市2000國家大地坐標系的大地基準；通過聯測似大地水準面GPS控制網的框架點，實現基于NBCORS網絡RTK技術的似大地水準面成果聯合應用；通過聯測原寧波市GPS控制網中的基本點，獲取寧波市原有基本點的寧波市2000國家大地坐標成果；通過聯測省GPS基礎控制網在寧波市域分布的GPS控制點，更新寧波市所有GPS控制點的1954北京坐標系、1980西安坐標系的平面坐標；建立寧波市獨立坐標系、1954北京坐標系、1980西安坐標系與2000國家大地坐標系的坐標轉換關系。

2 寧波市現代測繪基準現狀

2.1 寧波市連續運行參考站網

寧波市連續運行參考站網是寧波市連續運行衛星定位服務系統的子系統之一，是NBCORS的數據源，也是用于構建和維持寧波市空間定位參考框架的基準站。它主要用于實現對衛星信號的捕獲、跟蹤、記錄和傳輸，其穩定性和可靠性直接影響到系統運行可靠性。連續運行參考站網由8個站組成，分別是寧波站、余姚站、鄞州站、大榭站、寧海站、象山站、石浦站和慈溪站，2008年建成并投入使用。

2.2 似大地水準面精化網

似大地水準面精化網于2007年建立，全網由框架網和基本網組成，共布設6個框架點和55個基本點。GPS網分別按GPS B、C級精度布設，用二等水準聯測高程，利用重力數據和高精度 GPS水準成果，以GGM02C和WDM94聯合地球重力場模型作為參考重力場，由第二類Helmert凝集法完成了似大地水準面的計算，利用球冠諧調和分析方法將重力似大地水準面與GPS水準聯合求解得出的2′×2′格網似大地水準面，其精度為±0.006 m。

2.3 寧波市GPS控制網

寧波市GPS控制網于2004年完成，全網由框架網、基本網構成。

框架網點6個，聯測了7個國際IGS連續運行站，采用了美國麻省理工學院的GAMITH和GLOBK軟件進行數據處理，獲取了精確的WGS－84坐標，實際精度達到了國家GPS A級點的要求。

基本網點54個，按GPS C級精度布設，具有精確的WGS－84坐標。

2.4 寧波市高程控制網

寧波市高程控制網主要包括寧波市二等基本水準網和市區一、二等地面沉降監測水準網。

3 2000國家大地坐標系的聯測及數據處理

3.1 項目內容

(1)GPS框架網聯測:通過聯測 IGS站建立的2000國家大地坐標系GPS框架網；

(2)GPS基本網聯測:通過聯測 IGS站建立的2000國家大地坐標系GPS基本網；

(3)似大地水準面框架網聯測:實現基于NBCORS網絡RTK技術的似大地水準面成果；

(4)2000 GPS控制網及原有GPS控制網數據處理；

(5)各種坐標系轉換關系的建立；

(6)聯測成果的檢測。

3.2 聯測方案

(1)GPS框架網聯測

2000 GPS框架網聯測工作的主要目的是獲取高精度的2000國家大地坐標，統一NBCORS參考站網與似大地水準面成果的基準，即統一歸屬至2000國家大地坐標系新的坐標參考框架。將8個NBCORS參考站、6個GPS框架網點與IGS站的聯測和高精度的數據處理，精確獲得NBCORS參考站點和GPS框架點的2000國家大地坐標，作為建立寧波市2000國家大地坐標系的大地基準。

按GPS A級網精度設計和聯測。

(2)GPS基本網聯測

將原有GPS基本網與NBCORS參考站點和GPS框架點進行聯測，精確求定GPS基本網點的2000國家大地坐標；以GPS框架點獲取8個參考站點1954北京坐標系、1980西安坐標系及寧波市獨立坐標系坐標，建立已有各類坐標系與2000國家大地坐標系的轉換關系。

按GPS C級網精度設計和聯測。

2000 GPS網聯測的測站及聯測時間 表1

6個IGS站的基本情況表 表2

3.3 基線處理

(1)框架網基線處理

基線處理軟件采用美國麻省理工學院(MIT)和Scripps研究所(SIO)共同研制的GAMIT(Ver 10.31)軟件。采用IGS精密星歷，其軌道精度達到 0.05 m。選取具有2000國家大地坐標系成果(ITRF97框架、2000.0歷元)的BJFS、KUNM、SHAO、SUWN、WUHN、DAEL等IGS站為GPS控制網基線解算的約束基準。

(2)基本網基線處理

基本方法同框架網聯測基線處理，但采用的觀測值歷元間隔為 10 s，且軌道固定，起算點為NBCORS參考站及6個框架點。

(3)同步環檢核

框架網聯測共解算了53個時段，nrms值最大為0.37；基本網聯測有 11個時段，最大的 nrms值為0.36。GPS網的整體外業觀測質量較高。

(4)重復基線

框架網聯測的基線重復性在南北方向上為0.95 mm＋0.37×10－8，在東西方向上為1.49 mm＋0.38 ×10－8，在垂直方向為 4.74 mm＋0.53×10－8，在基線長度方向為1.23 mm＋0.25×10－8。

基本網聯測的基線重復性在南北方向上為6.76 mm－3.70×10－8，在東西方向上為7.26 mm－3.31 ×10－8，在垂直方向為 1.46 mm－4.16×10－8，在基線長度方向為 4.48 mm－1.79×10－8。基線處理的精度優于技術設計的要求。

3.4 三維網平差

(1)2000框架網平差

采用武漢大學編制的POWERNET科研版軟件，起算點為WUHN、BJFS、SHAO，采用各同步觀測網的獨立基線向量及其全協方差矩陣作為觀測量。

平差之后進行了結果精度分析。框架網聯測的平均相對精度為0.011 ppm，最弱邊相對精度為0.428 ppm。

GPS點位坐標分量在水平方向上的平均精度為±0.002 0 m，大地高方向為±0.003 8 m。最弱點為XS02，其水平精度為±0.006 7 m，大地高精度為±0.013 6 m。

(2)2000基本網平差

采用武漢大學編制的POWERNET科研版軟件進行平差處理，起算點為:NBCORS參考站點和GPS框架點的CGCS2000坐標，采用各同步觀測網的獨立基線向量及其全協方差矩陣作為觀測量。

平差后的精度:基線精度優于0.5 ppm；最弱邊相對精度為1.443 ppm。

3.5 二維網平差

采用武漢大學GNSS工程研究中心編制的POWERADJ 3.0商業版軟件，基線采用框架網聯測和基本網聯測所得到的獨立基線，起算點為GPS框架點，分別采用的1954北京坐標系、1980西安坐標系和寧波市獨立坐標系坐標進行平差計算。

3.6 新舊成果比較

(1)與2007年似大地水準面精化網成果比較:水平分量最大差值1.4 cm，大地高最大差值4.6 cm；

(2)與2004年基本網成果比較:水平分量最大差值2.8 cm，大地高最大差值8.8 cm。

聯測處理后的2000國家大地坐標成果與原網WGS－84成果比較差異較小，是由于2004年基本網和2007年精化網聯測了國際IGS連續運行站點，充分說明了前期WGS－84成果的可靠性。

4 2000國家大地坐標成果檢測

實地測量原GPS控制網點的2000國家大地坐標，與計算的新成果比較，計算其較差。

檢測點位均勻分布于全市，主要選擇以下點位檢測:

(1)對不同GPS網點中的重合點，尤其是與省GPS基礎控制網重合點進行檢測；

(2)對不同等級的GPS網點進行檢測；

(3)對各GPS控制網的薄弱環節進行檢測。

共檢測32個GPS網點。檢測的方法是基于NBCORS網絡平臺，采用網絡RTK技術直接測量其2000國家大地坐標，每個點位觀測分2個時段共4個測回，每測回采樣率1 s、采集≥30個歷元。

觀測的要求按《NBCORS網絡RTK測量技術規定(試行)》標準執行。其主要技術指標如表3。

NBCORS網絡RTK測量檢測技術要求 表3

檢測結果:水平方向的較差絕對值的平均值為0.018 m，最大值為0.040 m，標準差為0.009 m；垂直方向的較差絕對值的平均值為 0.019 m，最大值為0.048 m，標準差為0.015 m。

網絡RTK動態測量的檢測結果與其靜態測量的平差結果符合性較好，說明其不同GPS控制網點的2000國家大地坐標系下的平差精度較高，這不僅達到了本項目數據處理的設計要求，而且滿足了寧波市2000國家大地坐標成果的應用需求。

5 坐標轉換

5.1 轉換關系

由于新建了寧波市的2000國家大地坐標系，同時更新了1954北京坐標系、1980西安坐標系和寧波市獨立坐標系的成果，且原有的轉換關系與2000國家大地坐標系無聯系，為此須建立坐標系間新的轉換關系。

各種坐標系統間的轉換關系如圖1所示。

圖1 寧波市空間坐標系轉換關系圖

5.2 轉換模型及轉換數據

寧波市獨立坐標系、1954北京坐標系及1980西安坐標系的坐標轉換主要是獲取其平面坐標，而正常高的計算主要還是依賴似大地水準面精化的成果，為此坐標轉換主要考慮其平面坐標的精度。但2000國家大地坐標系的數據均是三維坐標，且網絡RTK儀器目前內置的轉換模型也均采用七參數法，顧及到寧波市域東西距離為110 km(不包括海域)，若采用平面四參數法轉換將會帶來較大的變形誤差，因此坐標轉換模型采用了布爾莎三維七參數轉換模型。

利用寧波市原GPS控制網點、新建2000 GPS控制網點、參考站點和框架點(共61個)的各種坐標系成果作為坐標轉換數據，采用我院“寧波市空間坐標轉換系統”軟件進行轉換，轉換殘差的中誤差為±1.48 cm。

6 結 語

寧波市2000國家大地坐標系聯測及數據處理，獲取了寧波市2000國家大地坐標系的大地基準和原有GPS控制點的2000國家大地坐標成果，更新了寧波市GPS控制點的1954北京坐標系、1980西安坐標系的平面坐標，實現了基于NBCORS網絡RTK技術的似大地水準面成果聯合應用，建立了寧波市獨立坐標系、1954北京坐標系、1980西安坐標系與2000國家大地坐標系之間的坐標轉換關系。其主要特點如下:

(1)寧波市2000 GPS控制網聯測方案，聯測了IGS連續運行跟蹤站點、NBCORS站點、GPS框架網與基本網點、省GPS基礎控制網點和寧波市似大地水準面精化網點，顧及了聯合應用的需要，具有前瞻性和科學性。

(2)數據采集采用了多臺雙頻GPS接收機同步觀測，同步圖形之間采用基準站網聯式連接，觀測的各項技術指標優于規范要求，采集的數據精度高，質量可靠。

(3)數據處理方法先進，軟件模型嚴密，起算數據準確，計算成果可靠，并經過實地檢測驗證。

(4)新的2000國家大地坐標成果與原網點WGS－84成果差異很小，水平分量最大差值2.8 cm，大地高最大差值8.8 cm。

(5)建立了的坐標系間的精確坐標轉換關系，實現了各種坐標系與2000國家大地坐標系的聯系。

[1]陳俊勇，黨亞民，張鵬.建設我國現代化測繪基準體系的思考.測繪通報，2009(7)

[2]施一民.現代大地控制測量[M].北京:測繪出版社，2003

[3]施一民，王勇紅，施寶湘等.改建城市控制網的探討與實踐.工程勘察，2006(1)

[4]曹學禮，張旭東，金頌偉等.寧波市現代測繪基準體系的構建.城市勘測，2008(2)

Associated Measurement and Data Processing of China Geodetic Coordinate System 2000 in NingBo city

Cao XueLi，Zhang XuDong，Ge ZhangFa，Fu HuaNian
(NingBo design research institute of surveying and mapping，NingBo 315041，China)

Throuth the associated measurement and data processing of China Geodetic Coordinate System 2000 of NingBo city，wo have got the geodetic datum and the coordinates of original GPS control point of China Geodetic Coordinate System 2000.At the same time，the coordinates have been validated；We also have updated the GPS control point of 54 coorsdinates system and 80 coordinates system of Ningbo City，established the coordinates transformation relations between original coordinates systems and China Geodetic Coordinates System 2000，realized the application of quasi－geoid on the base of NBCORS network－based RTK technology.

China Geodetic Coordinate System 2000；IGS；associated measurement；data processing；detection；coordinates transformation

1672－8262(2010)04－86－04

P228

A

2009—12—02

曹學禮(1956—)，男，總工程師，教授級高級工程師，主要從事測繪科技管理和研究工作。