基于GNSS基準站的三級GPS網解算精度分析*

程廣義 張海東 陳永祥 張英利 趙淑芬

(西安測繪總站，西安 710054)

基于GNSS基準站的三級GPS網解算精度分析*

程廣義 張海東 陳永祥 張英利 趙淑芬

(西安測繪總站，西安 710054)

隨著連續(xù)運行基準站技術在大地測量中的廣泛應用，連續(xù)運行基準站在全國三級GPS網中的布設和數據處理也起到了關鍵作用，不僅加快了建設速度，加大了布網的靈活度，也保證了起算控制和解算精度。與以前相比，陸態(tài)網連續(xù)運行基準站分布密度總體上提高了10倍，重點地區(qū)提高了100倍，觀測手段也有了很大變化。基于網絡工程和陸態(tài)網絡基準站對不同區(qū)域三級GPS網進行了解算和精度統(tǒng)計，分析了基準站對三級GPS網精度的影響。

陸態(tài)網絡;網絡工程;GNSS基準站;三級GPS網;數據處理

1 引言

中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網絡(簡稱陸態(tài)網絡)主要服務于地震監(jiān)測、科學研究、基礎測繪和氣象預報等。陸態(tài)網絡在全國建立了260個連續(xù)運行GNSS基準站和2000個非連續(xù)運行區(qū)域站［1-4］。

全國三級GPS大地控制網(簡稱三級GPS網)是全國一、二級GPS網的補充和加密，與高等級GPS大地控制網共同構成三維基礎大地控制網，為各種比例尺測圖、大地控制網布測以及其他應用提供基礎和聯測起始數據，同時服務于國家高程現代化建設，精化似大地水準面和快速定位的基礎控制等［5］。

三級GPS網通常采用兩種GPS作業(yè)方法，一種是基于連續(xù)運行基準站的作業(yè)模式，一種是高等級點為起算以同步區(qū)為基本觀測單位，滾動式逐步展開的模式。兩種作業(yè)模式比較，第一種方法精度和效率都高于第二種方法，連續(xù)運行基準站是第一種方法的基礎保證。本文利用中國地殼運動觀測網絡(簡稱網絡工程)27個基準站分布的情況下，分析對三級GPS網精度的影響，討論如何充分利用已建成的基準站更好地做好全國三級GPS網數據處理工作［6］。

2 三級GPS網數據處理方法

在三級GPS網技術規(guī)定和技術設計中，GPS觀測可以采用基于GNSS基準站的作業(yè)模式和與起算點組成同步環(huán)滾動式逐步展開的模式。由于基準站全天候不間斷觀測，因此任意未知點在任何觀測時段都可與它們組成結構良好的同步觀測環(huán)，進而可以精密確定未知點的坐標，作業(yè)效率高于傳統(tǒng)的同步環(huán)滾動模式。三級GPS網布設之初，在全國已建成27個網絡工程基準站，因此三級GPS網施測均采用基于連續(xù)運行基準站GPS的作業(yè)模式［7］。

2.1 三級GPS網數據處理的特點

三級GPS網技術規(guī)定要求觀測采用高精度雙頻GPS接收機，觀測數據采樣間隔為30秒，觀測時段長大于4小時，以RINEX格式存儲。

在測區(qū)中間選擇適當點作為臨時基準站，觀測期間每天連續(xù)觀測，三級GPS網點隨時上點觀測，臨時基準站與基準站同步觀測。根據不同的區(qū)域，選擇4～7個不同的基準站，基準站控制臨時基準站，基準站和臨時基準站控制三級GPS網點。原則上已知點(基準站)到未知點的距離不作要求，選取基準站不少于7個，通過計算分析最后選擇不少于4個基準站以保證解算精度。

數據解算觀測量為雙差觀測量，要求基準站與未知點有較多的共視衛(wèi)星［8，9］，以構成較多的雙差觀測量。因此，未知點最好位于基準站構成的多邊形之中。

數據處理采用大型GPS數據分析軟件GAMIT。采用模型改正對流層延遲后，再引入對流層天頂延遲參數作為待定參數進行解算，有效地解決了對流層的空間相關性問題。星歷采用IGS精密星歷。

2.2 三級GPS網數據處理的精度要求

三級GPS網解算精度要求：水平方向分量點位中誤差精度優(yōu)于±3 cm;垂直方向分量點位中誤差精度優(yōu)于±5 cm;相鄰點方位角換算精度優(yōu)于1.5″。

2.3 三級GPS網數據處理的基本過程

三級GPS網數據處理主要包括：軟件的選擇，數據準備，基線解算和平差處理等。

1)軟件的選擇

數據預處理使用商用軟件;基線解算采用Gamit軟件;平差軟件采用Globk軟件;用自主開發(fā)的GPSADJ(GPS數據處理軟件)進行基線重復性檢驗、異步環(huán)檢驗以及平差檢核。

2)數據處理的基本流程如圖1所示。

3)軟件解算參數設置

衛(wèi)星軌道約束：10-8;

基準站坐標約束：0.005 m，0.005 m，0.005 m;

待定站點坐標約束：10.0 m，10.0 m，10.0 m;

采樣間隔：30 s;

最大歷元數：2 880;

衛(wèi)星截止高度角：15°;

基線處理模式：松弛解或固定解;

對流層誤差模型：Niel或Saastamoninen模型;

天頂延遲參數個數：兩小時設置一個;

電離層延遲：消除電離層的LC—HELP觀測量;

數據篩選原則：AUTCLN;

光壓模型：BERNE。

圖1 數據處理基本流程Fig.1 Flow chart of data processing

3 基于網絡工程的解算精度

已完成的全國三級GPS網，都是采用基于連續(xù)運行基準站的作業(yè)模式，三級網的坐標是通過和基準站同步解算獲得的。三級網數據處理采用雙差觀測量，要求基準站與三級網點有較多的共視衛(wèi)星，以構成較多的雙差觀測量，保證解算精度。因此，三級網點最好位于基準站構成的多邊形之中。基準站的選取和分布直接關系到三級網布網精度。

3.1 網絡工程基準站分布

27個基準站主要分布在我國東部地區(qū)，西部地區(qū)相對較稀［10］。基準網的分布如圖2所示。

圖2 GPS連續(xù)運行基準站分布Fig.2 Distribution of GPS CORS station

3.2 三級GPS網的解算精度

分別選擇東部、中部、南部和西部4個局部區(qū)域的三級GPS網的數據進行了解算和精度統(tǒng)計。計算方法采用基于基準站控制同步解算的方法，每個局部區(qū)域的三級網解算時都選擇了4個以上基準站作起算控制，數據處理按照三級GPS網數據處理技術要求執(zhí)行。

圖3、4為東部地區(qū)某區(qū)域的三級網的分布及解算精度的統(tǒng)計結果。

圖5、6為中部地區(qū)某區(qū)域的三級網的分布及解算精度的統(tǒng)計結果。

圖7、8為南部地區(qū)某區(qū)域的三級網的分布及解算精度的統(tǒng)計結果。

圖9、10為西部地區(qū)某區(qū)域的三級網的分布及解算精度的統(tǒng)計結果。

圖3 東北區(qū)域三級網分布Fig.3 Distribution of the third-order GPS geodetic network in the east region

圖4 東北區(qū)域三級網精度統(tǒng)計Fig.4 Accuracy statistics of the third-order GPS geodetic network in the east region

圖5 中部區(qū)域三級網分布Fig.5 Distribution of the third-order GPS geodetic network in the centrol region

圖6 中部區(qū)域三級網精度統(tǒng)計Fig.6 Accuracy statistics of the third-order GPS geodetic network in the centrol region

圖7 南部區(qū)域三級網分布Fig.7 Distribution of the third-order GPS geodetic network in the south region

圖8 南部區(qū)域三級網精度統(tǒng)計Fig.8 Accuracy statistics of the third-order GPS geodetic network in the south region

圖9 西部區(qū)域三級網分布Fig.9 Distribution of the third-order GPS geodetic network in the west region

圖10 西部區(qū)域三級網精度統(tǒng)計Fig.10 Accuracy statistics of the third-order GPS geodetic network in the west region

4 基于陸態(tài)網絡的解算精度

4.1 陸態(tài)網絡基準站分布

陸態(tài)網絡基準站的建設是在網絡工程基礎上，改建27個網絡工程基準站，新建223個基準站，其中有10個基準站建在驗潮站上。

如表1所示，與網絡工程相比陸態(tài)網絡基準站分布密度，總體上提高了10倍，重點地區(qū)提高了100倍。具體分布如圖11所示。

4.2 基于陸態(tài)網絡三級GPS網的實驗計算

為了更好的發(fā)揮陸態(tài)網絡GNSS基準站在三級網布設中的作用，在中西部地區(qū)作了基于陸態(tài)網絡GNSS基準站三級網的實驗和計算。

表1 基準站分布密度表Tab.1 Density of refrence station

圖11 GNSS基準站分布(260個站)Fig.11 Distribution of GNSS stations(260)

1)實驗計算方法第一步，按照三級網數據處理現行技術規(guī)定，選取控制三級GPS點的網絡工程基準站(5～7個站)，解算同步觀測的基準站和三級GPS點數據，三級GPS點觀測時間大于3小時，計算出三級GPS點CGSC2000坐標系坐標。

第二步，網絡工程基準站作控制解算實驗需要陸態(tài)網絡GNSS基準站CGSC2000坐標系坐標，陸態(tài)網絡GNSS基準站作控制解算三級GPS點不同時間段的CGSC2000坐標系坐標，三級GPS點觀測時間分別為1小時、2小時和3小時。

第三步，比較基于網絡工程基準站解算的三級GPS點坐標和基于陸態(tài)網絡GNSS基準站解算的三級GPS點坐標。

2)實驗計算結果

實驗共選取4個三級GPS點，4個點的觀測條件滿足三級GPS網的技術規(guī)定。對不同方法解算結果進行了三級GPS點點位中誤差的統(tǒng)計(表2)。

表2 三級GPS點點位中誤差統(tǒng)計(單位：cm)Tab.2 Root mean square error statistics of some third-order GPS points(unit：cm)

基于網絡工程基準站進行三級GPS點的解算，三級GPS點觀測時段大約4小時，獲得CGSC2000坐標系坐標，其坐標與基于陸態(tài)網絡基準站解算的三級GPS點坐標進行比較，結果如圖12～15所示。

圖12 S001點3個時段坐標差Fig.12 Coordinate differences of 3 periods at S001

圖13 S002點3個時段坐標差Fig.13 Coordinate differences of 3 periods at S002

圖14 S003點3個時段坐標差Fig.14 Coordinate differences of 3 periods at S003

圖15 S004點3個時段坐標差Fig.15 Coordinate differences of 3 periods at S004

5 分析與結論

1)三級網在全國不同省市進行了布設，分別在我國不同地區(qū)基于網絡工程基準站進行了計算和精度統(tǒng)計。三級GPS點在觀測采用雙頻GPS接收機，觀測時段大于4小時，4～7個基準站控制的條件下，計算精度能夠滿足三級網的設計精度，水平方向分量點位中誤差精度優(yōu)于±3 cm;垂直方向分量點位中誤差精度優(yōu)于±5 cm。

2)陸態(tài)網絡GNSS基準站作為三級網的起算控制點，與僅采用網絡工程基準站三級網的起算控制點，在相同的觀測條件下三級GPS點的精度都有了提高。從表2三級GPS點點位中誤差的統(tǒng)計表中可以看出，基于陸態(tài)網絡基準站解算三級GPS點精度均高于基于網絡工程基準站解算的精度。

3)分別選用1小時、2小時和3小時的觀測數據，在陸態(tài)網絡基準站起算控制下，解算三級GPS點坐標。用不同時間段的坐標與基于網絡工程基準站解算三級GPS點坐標進行比較，網絡工程基準站控制解算三級GPS點的觀測時間大于3小時，3個時段坐標差最大約4 mm，最小約1 mm。在陸態(tài)網絡基準站起算控制下可以縮短三級GPS點的觀測時間。

4)考慮到陸態(tài)網絡GNSS基準站目前尚處于試運行階段，部分站的觀測時間僅數月，而網絡工程原有27站都已經過長達10年左右的連續(xù)觀測，作為三級GPS網的控制，其精度要高于新建的陸態(tài)網絡基準站，在這種情況下采用陸態(tài)網絡基準站布設三級GPS網取得的相對于僅采用網絡工程的基準站布設三級GPS網精度而提高，主要得益于基準站密度和分布的改善。因此有理由相信，隨著時間的推移，通過長期觀測，陸態(tài)網絡基準站本身站坐標精度的提高，選用陸態(tài)網絡GNSS基準站作為三級網的起算控制點，GPS三級網的精度將顯著提高。并且有可能在保證GPS三級網的精度的前提下縮短GPS三級網點上的觀測時間，提高作業(yè)效率，當然這還需要做更多的試驗研究。這一工作正隨著陸態(tài)網絡基準站的連續(xù)運行時間的積累一直處于關注和研究之中。

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ACCURACY ANALYSIS OF THIRD-ORDER GPS GEODETIC NETWORK BASED ON GNSS STATION

Cheng Guangyi，Zhang Haidong，Chen Yongxiang，Zhang Yingli and Zhao Shufen
(Xi’an Division of Surveying and Mapping，Xi’an 710054)

With the use of Continuous Operating Reference Station(CORT)technology in geodesy of large scale，it plays a key role in station distribution and data processing of the third-order GPS geodetic network.This technology not only accelerates the construction speed，increases the network flexibility，but also ensures the initial control and calculation accuracy.Compared with the previous situation，the CORT distribution density increased to 10 times totally，in key areas increased to 100 times.The observing means also have very great changes.On basis of the station of Chinese crustal motion network and CORT，the calculation and accuracy statistics of the third-order GPS geodetic network had been carried out in different areas.By contrast，the latter has the higher accuracy of third-order GPS geodetic network.

CMONOC(Crustal Movement Observation Network of China);Chinese crustal motion network;Continuous Operating Reference Station(CORT);third-order GPS geodetic network;data processing

1671-5942(2011)06-0089-06

2011-07-25

程廣義，男，1964年生，碩士，高級工程師，主要從事衛(wèi)星定位技術及應用研究.E-mail：chenggy_64@163.com

P207

A