基于Gamit解算的NNCORS站點CGCS2000坐標的確定方法

莫 懦,韋廖軍,鄧 娟,林仁超

(南寧市勘察測繪地理信息院,廣西 南寧 530023)

0 引 言

NNCORS系統由5個連續運行參考站點組成,維持著南寧地區的測量框架和基準,隨著CGCS2000大地坐標系的推廣,南寧地區正逐漸從以前坐標系過渡到CGCS2000大地坐標系,但NNCORS站點坐標是基于ITRF2005框架,參考歷元為瞬時歷元;而CGCS2000坐標對應著ITRF1997框架,參考歷元為2000.0歷元;如何正確求解NNCORS站點的CGCS2000坐標,是南寧市測量工作者關心的一個問題。目前求解方法有兩種[1]∶1)基線平差法,即聯測南寧地區已知的CGCS2000坐標成果的高級控制點,例如國家的A、B級點;2)框架轉換法,利用目前國際上高精度GPS后處理軟件解算出當前最新ITRF框架下的坐標,再利用SOPAC網站公布的框架之間的轉換參數進行坐標轉換,得出CGCS2000坐標。本文分別論述了兩種方法,分析兩種方法的解算精度,并對兩種解算結果進行比較。

1 NNCORS概況

NNCORS系統共有5個連續運行參考站,布設在南寧市及周邊地區,設為那樓站、那陳站、七塘站、金陵站和南寧站,站間最長距離69 km,最短距離30 km,平均間距48.6 km,數據處理中心設在南寧市。系統完全覆蓋南寧市六城區,全天后向南寧六城區提供高精度、高時空分辨率、高效率、高覆蓋率的全球導航衛星系統綜合信息服務,維護著南寧地區的測量框架和基準。

2 Gamit軟件介紹

GAMIT/GLOBK是美國麻省理工學院(MIT)與斯克里普斯海洋研究所(SIO)共同研發的高精度GPS定位定軌軟件,并得到美國哈佛大學和美國國家科學基金會的支持,目前已廣泛用于大尺度、高精度GPS定位和地殼形變分析。Gamit解算參數估計采用最小二乘算法,進行雙差觀測量處理,完全消除了接收機和衛星鐘差的影響,削弱了軌道,大氣折射等系統性誤差,其對于長基線解算精度可達到10-7～10-9量級[2-3]。

3 NNCORS站點CGCS2000坐標的確定

為了分析兩種求解結果差異性,本文選取了同一時間段的NNCORS站點數據,采用相同的GAMIT數據處理策略進行基線處理。

南寧地區距離北部灣海岸300多公里,數據處理策略中不考慮海潮模型改正,并從極潮中移去平均值;考慮固體潮改正、依賴于頻率的改正、極潮改正,所有數據采用間隔均為30″,并用IGS的精密星歷進行逐日處理。

3.1 基線平差法

基線平差法基本思想是將NNCORS站點聯測周邊具有CGCS2000精確坐標,采用GAMIT軟件進行基線處理,再提取GAMIT處理的基線文件,用武漢大學研制的COSAGPS進行平差, 三維約束平差采用具有CGCS2000精確坐標的高級點進行,進而獲得NNCORS站點的精確CGCS2000坐標。根據NNCORS站點分布情況,本文選取了8個南寧周邊精度指標較好的高級點,與NNCORS站點進行24 h以上的聯測。將聯測數據采用GAMIT進行基線處理,采用表1的數據處理策略對數據進行處理,數據處理后,查看處理文件中的Q文件中的均方根殘差(nrms),nrms是衡量基線解算質量的重要指標之一,nrms值要求小于0.5,如果nrms值大于0.5,則認為數據中有大周跳沒有剔除,需要進行重新處理或者使用CVIEW進行人工剔除，本例中nrms=0.187,滿足要求。

表1 數據處理策略

提取GAMIT處理結果文件中的Q-FILE或者0-FILE基線解算結果文件,GAMIT對基線進行了兩次迭代處理,第二次迭代處理的基線數據是平差采用的數據,利用COSAGPS軟件對GAMIT處理的基線結果進行網平差,三維約束網平差控制點采用高級點的CGCS2000坐標進行約束,得出NNCORS站點的CGCW2000坐標。網平差解算結果如表2所示。

表2 網平差邊長相對精度

表3 NNCORS站點CGCS2000坐標及精度

限于篇幅,表3只示出了部分邊長及最弱邊相對精度,其中JZ01-NANN為最弱邊,相對精度達到了2.32×10-7,其他邊長相對精度均小于此值,坐標量中誤差均在毫米級,達到了國家GPS B級網的精度要求。

3.2 框架轉換法

ITRF國際地球參考框架是IERS的具體實現,是一個地心四維坐標參考框架,是基于VBVI、LLR、SSR、GPS和DORIS等空間技術所建立起來的,是全球IGS站和速度場的具體實現。目前最新的ITRF框架為ITRF2008參考框架,最新精密星歷計算的坐標為ITRF2008框架下的坐標,而CGCS2000對應的框架為ITRF97,Epoch=2 000.0,ITRF2008坐標轉換到CGCS2000坐標,實質就是框架之間的轉換。然而ITRF2008到ITRF97框架之間沒有直接的轉換參數,根據ITRF所公布的框架轉換參數,可根據ITRF2008與ITRF2000、ITRF2000與ITRF97的轉換關系得到。表4示出了ITRF2008與ITRF2000、ITRF2000與ITRF97的轉換參數及參數變率。

表4 ITRF2008至各框架轉換參數及其速率

表4所列數據為特定歷元下的轉換參數,而當前求解的ITRF2008框架下的坐標與CGCS2000參考歷元跨度達10年以上,需要考慮板塊漂移和地殼形變等因素。地球表面的觀測點會隨時間的推移進行漂移及升降,不同歷元基準的坐標應進行歷元基準的歸算,公式為[4]

(1)

公式中的IGS測站的速度為年變率。t1為框架歷元,t2為需轉換到的歷元,這里為CGCS2000所在的歷元,即2 000.0.為了獲取準確的CGCS200精確坐標,必須獲得精度為毫米級的點位速度場,而南寧地區目前沒有CORS站維持本地區的速度場模型,所以實際操作中南寧地區速度場可以采用加權平均法[5]和NNR-NUVEL-1A板塊運動模型[6]所獲得,南寧地區上某一點的速度公式可以采用

(2)

選取了2013年,年積日為280,…,289十天的NNCORS站點數據,選取CUSV、PIMO、LHAZ、SHAO、TWTF、BJFS、SUWN的ITRF2008框架下的坐標做約束,采用IGS站精密星歷進行處理,處理后得到單天的松弛解,再用GLOBK軟件單日解合并,平差得到ITRF2008框架,Ecoph=2 013.781下的精確坐標,單日解水平精度5 mm,垂直精度10 mm.同時根據以上框架轉換和歷元基準之間的轉換關系,編制了程序,計算出了NNCORS的CGCS2000坐標，坐標如表5所示。

表5 NNCORS CGCS2000坐標

用基線平差法與框架轉換法計算出的NNCORS站點的CGCS2000坐標作了比較,比較結果如表6所示,比較結果表明,各站點坐標分量較差大部分都小于1 cm,達到毫米級。最大較差絕對值1.6 cm,最小較差絕對值為0.5 cm.

表6 CGCS2000坐標較差

4 結束語

本文闡述的基線平差法和框架轉換法計算NNCORS的CGCS2000坐標保持了高度的一致,但在計算過程中需注意以下幾個方面:

1)城市CORS站點CGCS2000精確坐標的確定,在國家A、B級坐標點密度分布不均勻的地區框架轉換法比基線平差法有優勢。

2)IGS站的選取應兼顧平衡性與精度一致性原則;

3)不同框架,不同歷元下的坐標轉換,其點位速度場起關鍵性作用,因此需獲得轉換點的精確速度場,否則會影響轉換精度;

4)用基線平差法時,應選擇精度高、穩定性好的高級點作為聯測點。

[1]成英燕,2000國家大地坐標框架轉換方法[R].2009.

[2]李 杰, 王曉強. 應用GAMIT軟件進行高精度GPS定位解算[J].內陸地震, 2001, 15 (4): 355-359.

[3]鄂棟臣, 詹必偉, 姜衛平,等. 應用GAMIT/GLOBK軟件進行高精度GPS數據處理[J].極地研究,2005, 17 (3): 173-182.

[4]劉 立,成英燕.坐標框架轉換若干問題的研究[J].全球定位系統,2010,35(1):20-25.

[5]林曉靜,張小紅,郭 斐.ITRF2005與CGCS2000坐標轉換方法與精度分析[J].大地測量與地球動力學,2010(2):117-120,124.

[6]榮 敏,周 魏.基于ITRF2005的全球版塊運動模型[J].海洋測繪,2009(1):1-3