論環渤海經濟圈海洋測繪GNSS骨干網建設

桑 金，付興武，張永合，張墨起

（交通運輸部北海航海保障中心 天津海事測繪中心，天津 300222）

引 言

環渤海經濟圈亦或稱“環渤海地區”，狹義上是指京津冀、遼東半島、山東半島環渤海濱海經濟帶[1]。按照海洋權屬及海上交通管理的轄區概念，該沿海地區通常稱北方海區，主要范圍為南起連云港北至鴨綠江的黃海東北部、渤海及毗鄰區域（如圖1）。環渤海經濟圈在全國和區域經濟中發揮著集聚、輻射、服務和帶動作用，已成為中國北方經濟發展的引擎，被經濟學家譽為中國經濟的第三個增長極，在中國對外開放的沿海發展戰略中占有極其重要的地位[1]。

環渤海地區海陸空交通發達，區域內擁有 50多個港口[2]，構成了中國最為密集的港口群，同時還具有廣闊的腹地資源，是貫通三北地區經濟以及與國際市場經濟要素流動的重要集散地，區域經濟特別是海洋經濟地位舉足輕重。

海洋測繪是海洋開發利用與海洋環境保護等一系列海洋活動的先導性基礎工作。為了高質量開展區域海洋測繪工作，必須建立并持續維護海洋測繪基礎控制。海洋測繪基礎控制主要包括平面基準和垂直基準，通過綜合利用GNSS技術和水準測量技術進行整體設計、統籌建立。同時還聯合重力等其他多源大地測量數據，建立似大地水準面模型，從而實現三維測繪基準的建設。受篇幅限制，本文重點論述GNSS骨干平面控制網建設的技術路線與實踐方法。

圖1 21世紀環渤海經濟圈概覽示意

1 區域海洋測繪基準發展與現狀

我國海洋測繪活動源遠流長。據古籍文獻記載，早在商代就有暴雨、洪水、海浸等水文觀測活動。魏晉時期，裴秀創立“制圖六體”理論，對推進后世測繪技術影響深遠[3]。劉徽編著《海島算經》已就測高望遠及其計算方法作過系統研究與實踐[3]。特別是明代鄭和七下西洋繪制的《鄭和航海圖》，將中國古代海道測繪技術推向歷史頂峰，為開啟全球大航海時代鋪平了東方航路。后因明宣宗罷停遠洋航海活動，轉而采取閉關鎖國政策，國際航運漸次蕭條，海道測繪日漸衰微。新中國成立后，海軍和交通部以“獨立自主，自力更生”為指針，白手起家，艱苦創業，僅憑幾部六分儀、水砣、算盤等簡陋測繪裝備，開始了艱苦而輝煌的海道測量歷程。

圖2 渤海地區海洋測繪GPS骨干網聯測網

環渤海地區的基礎控制主要由國家測繪局、總參測繪局、海司航保部、國家地震局等單位組織實施，海洋測繪專業基礎控制則主要由海司航保部和水上交通測繪部門建立。我國交通海事部門于本世紀初分四期實施了北方海區GPS控制網建設工程，更是較好地解決了此前由于實施單位不同、年代各異，致使早期控制成果的基準兼容性較差、疏密程度不一且精度等級比較混雜等突出問題[4]。標志著區域海洋測繪平面基礎控制建設工作基本完成，整體上可滿足當時的海道測量初步需要。

但是，早期的區域基礎控制廣泛存在平面基準和垂直基準、陸地垂直基準與海洋垂直基準分離等問題，已經成為陸海一體化地理信息產業發展的技術瓶頸。同時，現代經濟社會發展以及日益活躍的人類海洋活動，對海洋測繪服務提出了更高的要求，牽引現代化海道測量向著陸海一體化、服務精細化、實時或準實時化的三維測繪方向發展。步入21世紀以來，國內外學者對大地水準面精化和海洋測量垂直基準轉換技術在工程化和實用化方面做了大量研究。似大地水準面精化在理論研究、技術方法以及工程應用等方面都取得了長足發展。很多省市級的區域似大地水準面的精度都已經達到了厘米級，蘇州、嘉興、寧波、廣州、南京（二期）、沈陽（二期）以及甘肅等地的似大地水準面精化精度已經優于厘米級，從6 mm到8 mm不等。2008年青島海灣地區似大地水準面的精化精度更是達到了4 mm[5]。均為現代化海洋測繪三維基準建設提供了科學理論支撐和應用技術路徑。

2 區域海洋測繪GNSS骨干網設計

2.1 點位選址與網形設計

根據項目建設目標，綜合考慮區域海洋測繪平面控制基準的中遠期需要、垂直基準的關聯、似大地水準面精化支撐與經濟要素投入等因素，設計建設骨干GNSS控制網為B級，參照《全球定位系統（GPS）測量規范》[6]及《國家一、二等水準測量規范》[7]，點位選址緊緊圍繞環渤海地區已有或規劃建設的潮位站位置及部分腹地位置共設置主點（B級）50個（圖2）、副點（C級）61個，幾何水準按照二等施測。一則是為將沿海潮位站納入國家高程系統進而助推海陸垂直基準一體化，二是考慮重點港口附近的控制基礎保障。此外還要考慮原有控制標志的利用以便保障新測成果與原有成果的有效銜接。新布設的控制點應選擇在交通便利、有利于擴展和連測的位置。點位平均距離等主要精度指標要求摘錄于表1。

表1 B、C級控制網主要技術精度指標[6]

環渤海地區海洋測繪控制網建設不僅是為了滿足區域測繪平面控制基準的需要，同時還要為區域似大地水準面精密模型建立、陸海高程基準統一提供基礎支撐。因此，在方案設計中一并兼顧考慮了GNSS測量、水準連測以及主要潮位觀測站入網等方面的需求，并有所側重。新選主點應建造有強制對中標志的天線墩（海島點除外），標石（觀測墩）拆模后應進行不少于 10天的薄膜養生法養護并經過一個雨季的穩定，以保證觀測墩的應有強度、穩定性和使用年限。

主點是構成區域基礎控制骨干網的點，點位應選在地基堅實穩定、安全僻靜、交通方便、并利于測量標志長期保存和觀測的地方。為保證衛星觀測信號質量，站點應遠離大功率無線電發射源，附近不應有強烈反射接收衛星信號的物體，周圍應視野開闊，障礙物的高度角不宜大于15°[6]。為了便于與潮位觀測站水準連測，主點還應靠近潮位站附近，一般應小于5 km。主點選擇須優先滿足GNSS觀測自身的規定和要求。

副點是骨干網主點向港口、沿海水文站的延伸，是潮位站垂直基準與平面基準相關聯的橋梁和紐帶，位置選取應盡可能靠近潮位站，一般應小于1 km。副點選址可優先考慮點位的水準觀測、水尺零點引測和日常使用與保存，其他要求可適當放寬。

水準點主要用于水深測量垂直基準同陸地高程系統的聯絡，潮位站附近均應設置水準點。基本水準點應重點考慮地基堅實穩定、安全僻靜、交通方便、并利于測量標志長期保存與觀測；工作水準點則應盡量靠近潮位站以便監測潮位站是否存在垂直沉降。條件允許時應優先利用各類已有的測量標志，并包括平面控制與水準共點的標志。

2.2 設備指標設計

GNSS通常可以劃分為導航型和大地測量型兩大類。顧名思義，大地測量型是針對大地測量的特點和要求而設計的，它可以測量載波相位因而可以獲得很高精度的相對定位結果（如兩點的基線向量）。按照載波頻率又可粗略劃分為單頻和雙頻兩個系列。GNSS衛星信號需要穿過電離層、對流層等空間介質才能到達地面接收設備，介質模型參數勢必影響其觀測精度。單頻接收機（L1）只接收調制的 L1信號，雖然可利用導航電文提供的參數，對觀測量進行電離層影響修正，但由于修正模型尚不完善，精度較差[8]。兩站相距越近，其電離層延遲影響越是趨同，故此單頻GNSS接受機通常用于基線短于20 km的測量。雙頻接收機可以同時接收L1、L2載波的信號，由于不同頻率受電離層的延遲影響各異，故可通過求差模型消除電離層對GNSS信號延遲的影響。另一方面，組合兩個頻率上的觀測數據也會增加未知參量，進而帶來相應的解算誤差，故此短基線觀測一般不使用雙頻解算方法[8]。該區域基礎控制骨干網為B級，其平均基線長為50 km，C級網的平均邊長為20 km，因而必需選用雙頻 GNSS接收設備（表 2），同時利用CHOKE RING天線（大地測量扼流圈天線）削弱多路徑效應的影響。

表2 B、C級GPS網測量接收機技術要求

2.3 測量模式與技術路線

衛星定位、導航服務一般可以分為偽距測量與載波相位測量、單點與差分、靜態與動態等模式。基于偽距觀測的單點定位和偽距差分定位，不存在多值性的問題，但定位精度相對較低，一般只用于實時導航定位；基于載波相位觀測的各種模式，定位精度很高但存在整周模糊度問題（即多值性），最常見的相對靜態測量主要用于大地控制基礎建立。眾所周知，相位測量的定位精度，取決于波長和相位測量的分辨率。目前主流的大地型GNSS接收機的相位測量的分辨率一般均可達到±1°甚至更高，又GPS載波L1=19 cm，L2=24 cm，相應的測距中誤差優于毫米級。與此同時，利用載波相位進行相對測量，求差模型還可以有效消除（或消弱）許多諸如電離層、對流層以及衛星種差等同源（或相關）誤差，因而可獲得很高的定位精度[9]。環渤海地區海洋測繪GNSS基礎控制網建設工程旨在建立區域高精度控制基，GPS載波相位相對靜態觀測是首選，幾乎也是唯一的測量模式。

整體技術路線就是，利用 GPS載波相位實施相對靜態測量，采用IGS精密星歷，使用國際領先的專業數據處理軟件（GAMIT等）解算基線向量，通過與周邊 IGS跟蹤站網和國家基準一期工程GNSS連續運行基準站網聯結進行平差解算（POWERNET），獲得高精度的 CGCS2000地心坐標（如圖3之雙實線框部分）。通過二等幾何水準連測，初步建立垂直基準。同時，整體考慮水平與垂直基準同步規劃、海陸基準統一以及潮位站零點關聯等工作，為實現區域陸海一體化三維測繪提供基礎框架支撐。

圖3 環渤海地區海洋測繪基準建設整體技術路線

3 數據采集

3.1 主要觀測指標

項目共設計GPS B級點主點50個和與之配套的副點C級點61個。按照規范中B、C級標準要求（表 3）分級進行觀測。共投入雙頻大地測量型GPS（扼流圈天線）11臺套、高精度電子水準儀6臺。觀測模式采用靜態同步觀測，布網方式采用邊連接的方式布設連續網，同步觀測網間連接點數不少于3點，時間基準采用UTC時間（北京時-8）。

表3 GNSS觀測技術指標[6]

3.2 測站工作要求

架設天線時嚴格置平、對中，天線定向線指向磁北，定向誤差不大于±5°。在每時段的觀測前后各量測一次天線高，讀數精確至1 mm。天線高量測時，量測互為 120°天線的三個位置，互差小于3 mm，取中數記入測前、測后天線高的位置。測前、測后中數的互差小于 3 mm時取中數采用[6]，否則應重新觀測本時段。

觀測手簿在觀測現場用2H鉛筆逐頁填寫，使用規范簡化漢字。要求如實記錄測站名稱、等級、接收機類型及天線號碼、天線高、觀測日期/年積日、觀測員、天氣狀況、時段號等內容。

3.3 數據下載與存儲

每一個觀測時段的觀測數據均需及時下載，并使用接收機隨機軟件檢查原始數據下載的正確性、完整性，再將原始觀測數據轉換為 RINEX格式數據。每天的原始觀測數據、RINEX數據分置于不同目錄存放，目錄命名方式為測站編號+年+該天的年積日，原始觀測數據與 RINEX數據的目錄末位分別加注“D”及“R”予以區分。原始觀測數據需在多種不同的介質上備份，并在接收機內存容量尚有足夠空余時，盡可能保存至數據處理完成。

3.4 外業數據質量檢核

在作業過程中，應使用隨機商用軟件或專業工具對觀測數據進行檢查及預處理，確保數據在移交給下一工序后能一次性通過。檢核內容主要包括：觀測衛星總數、數據可利用率、L1，L2頻率載波的多路徑效應影響、GPS接收機鐘漂率等。最直觀有效的判斷方法就是原始觀測數據完整可讀，可以使用隨機商用軟件解算基線向量。詳細可參照接收機技術指標（表 3），實際數據質量指標摘錄見表 4，并對實際測量中出現的問題進行如下處理。

表4 觀測數據可利用率等指標統計

一是部分埋石點位周圍環境對 GPS觀測產生一定影響，造成個別點位數據多路徑效應影響MP1、MP2值偏大或有些點位數據利用率超限。如南長山島、蓬萊、萊陽等點位周邊有房屋構筑物或樹木遮擋，造成部分觀測時段觀測數據可利用率較低，隨后都采取升高儀器高的方法進行補充測量，并主要采用全站儀輔助對中桿的方式進行對中整平，保證觀測總體時段數和數據利用率等指標滿足要求。

二是采集數據年積日與實際日期不符的問題處理。Ashtech ProFlex 500儀器在進行B級網第五環第二時段（年積日 154）、第五環第三時段（年積日 155）、第六環第一時段（年積日 158）、第六環第二時段（年積日 159）觀測時出現儀器日期設置有誤，導致采集數據年積日與實際不符，在實際處理中采用IGS參考站的BJFS站點廣播星歷進行數據檢查匹配處理，數據質量各項指標均滿足要求。還有個別觀測時段由于觀測時開機時間早于北京時間 08：00，導致數據文件名稱年積日為設計觀測日的前一天，其它技術指標合格，不影響最終數據處理使用。

三是由數據中斷原因導致的重測與補測。在B級網中沾化第四環第一時段第二時段、上古林第四環第二時段、女島第七環第三時段、石臼第八環第一時段等個別站點某些時段出現了不同程度的數據中斷，均在后期進行了補測。

4 數據處理與成果精度評價

4.1 基線處理

按照全球定位系統測量規范要求，A、B級GPS基線解算處理應采用精密星歷，C級及以下可采用廣播星歷。B、C級GPS網基線解算可采用雙差解、單差解。長度小于15 km的基線應采用雙差固定解。長度大于15 km的基線可在固定雙差解和浮動雙差解中選擇最優結果[6]。

1）數據整理

數據整理是進行基線解算之前的一項重要工作。首先，根據GNSS數據處理軟件（如GAMIT）要求清查測站點名編號并進行規范化處理，利用舊點的站點，編制新老點號點名對照表。其次是根據軟件要求，對不同類型設備天線高的量測方法、測量位置、天線類型和天線改正數等進行統一歸算改正。然后在將多型號GNSS采集的原始數據轉換為RINEX格式，并對每個測站觀測數據O文件、星歷 N文件等分類存放于統一命名的文件目錄。同時還要收集所需的全球站數據及精密星歷，予以框架和歷元改算。

2）基線解算處理

GNSS B級網不但承擔區域控制的骨干網，還可以將區域基礎控制網與國家及周邊IGS跟蹤站網和GNSS連續運行基準站網聯結起來，獲得高精度的CGCS2000地心坐標。同時還可以為C級網提供控制基準。故此，基線處理也按照先B級、后C級兩步進行。

基線處理軟件采用美國麻省理工學院和Scripps研究所共同研制的 GAMIT 10.60版本軟件，我國A、B級GNSS網的基線解算就采用了該軟件。在利用精密星歷的情況下，GAMIT的基線解的相對精度能夠達到10-9左右，是世界上最優秀的GNSS軟件之一[10-12]。

表5 基線解算的主要模型和參數

衛星軌道的精度直接影響 GNSS基線解算質量，故本項目采用IGS精密星歷，其軌道精度達到5 cm，對于百公里長的基線，星歷誤差影響不超過0.1 mm。基線解算中，引進高精度的國家CGCS 2000 GNSS控制網點（框架 ITRF97、歷元為2000.0）和全球跟蹤站作為基準，基線解算的主要模型和參數見表5。

3）基線檢核

同一基線各不同時段的向量重復性客觀地反映了基線解的內符合性精度，是衡量基線解質量的一項重要指標。通常可采用固定誤差和比例誤差兩部分表示，即：

σ=a+bl

式中：

σ為分量的中誤差；

a為分量的固定誤差；

b為比例誤差；

l為分量的長度。

B級網有1 560組重復基線，C級網有315組重復基線，整網的基線向量重復性如表6所示。從表中可知，基線長度平均重復精度 B級網為1.18 mm+0.04×10-8、C 級網為 2.05 mm+0.1×10-8。基線處理的精度達到了項目技術設計的要求。

表6 基線向量重復性統計

另一項反映GNSS外業觀測質量和基線解算質量可靠性的指標是同步環閉合差和異步環閉合差。前者反映的是一個同步環數據質量的好壞，后者反映的則是整個GNSS網的外業觀測質量和基線解算質量的可靠性，因而異步環閉合差對GNSS成果質量更為重要。由于GAMIT軟件采用的是網解（即全組合解），其同步環閉合差在基線解算時已經進行了分配[10-12]。B級網共檢核由平差所用的獨立基線構成的最簡異步環747個，所有的異步環閉合差都小于國家GNSS規范的要求（見表7）；C級網共檢核由平差所用的獨立基線構成的最簡異步環123個，所有的異步環閉合差都小于規范的要求。

表7 異步環最大閉合差統計

4.2 GNSS網三維平差

網平差采用武漢大學研制的POWERNET科研版平差軟件，選取兼容性好的網絡工程基準站點的 CGCS2000成果（框架為 ITRF97，歷元為2000.0）為基準，以 GAMIT軟件解算的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先進行B級網平差。再進行C級網平差處理。

1）三維無約束平差

三維無約束平差旨在進行粗差分析，以發現觀測量中的粗差并消除其影響；通過調整觀測量的協方差分量因子，使其與實際精度相匹配；進而對整體網的內部精度進行檢驗和評估。

本項目參與 B級網三維無約束平差的基線共818條。從表8可以看出，B級網基線的三維方向向量改正小于4.5 cm，基線改正數都在±2.6 cm以內，說明觀測質量較好，基線解的精度較高。

表8 B級網基線改正數統計

2）三維約束平差

整體約束平差的目的是引入外部基準，將所有獨立基線向量及其經調整后的協方差陣作為觀測量，消除因星歷和網的傳遞誤差引起的整網在尺度和方向上的系統性偏差。經過兼容性檢核，最終確定以 BJFS、BJSH、JIXN、TAIN等站作為本骨干網的起算基準。

圖4 三維約束平差觀測邊長相對精度統計分布

最終結果表明，三維約束平差后B級網的平均相對精度為 0.0037 ppm，最弱邊相對精度為0.0177 ppm（圖4），最弱點水平精度為0.010 m，大地高精度為0.0271 m。

GNSS C級網參與平差的基線有200條。約束平差后的平均相對精度為0.93 ppm，也獲得了很好的精度（在此不贅述）。

5 結 語

區域海洋測繪基礎控制網通常兼具范圍廣、跨度大、經濟發展不平衡等特征。環渤海經濟圈骨干控制網就橫跨了遼寧、河北、天津、山東三省一市以及江蘇東北部分區域，海洋經濟發展特色各異，在控制網設計時必須充分考慮點位的相對均衡布設又要兼顧不同區域的個性化需要。因受工期所限，如果部分土層天線墩不滿足經過一個雨季的穩定時限要求，在實際作業中可采取現場注水模擬雨季的方式加以彌補。

環渤海經濟圈骨干控制網旨在服務區域海洋測繪及海洋工程等活動需要，使得很多GNSS點不得不選址于大面積水域附近或港口設施密集區域，環境因素造成的信號遮蔽、多路徑影響必須予以充分考慮妥善解決。同時由于海洋和無人居住島嶼的阻隔，且海上航行受風浪、雨霧等影響很大，造成進行同步環觀測時，各點位之間的協調調度難度較大。因此，在外業觀測時需科學計劃、合理調度。針對油庫碼頭、企業廠區等敏感站點還要提前溝通保證測量作業時可順利按時到位。

原始觀測數據的質量是最終成果精度的基礎保障，必須嚴格按照相關規范和設計的技術指標執行。GNSS網的基線處理推薦采用GAMIT等專業科研軟件，武漢大學研制的POWERNET科研版平差軟件則是網平差的不二選擇。

基礎控制是海洋測繪乃至一切海洋工程等活動的基礎，需要立足當下著眼長遠，區域骨干控制網可以B級網為主框架輔以C、D級點作為個性化需求補充。同時，還要注重平面基準與垂直基準統籌謀劃、有序建設，并納入國家控制基準。