基于連續運行基準站的首級控制網改造數據處理

王林

(合肥市測繪設計研究院，安徽 合肥 230061)

1 引 言

合肥市首級控制網[1]由合肥CORS系統和似大地水準面精化網組成，其中合肥CORS系統由5座基準站組成，使用Topcon Odyssey-RS雙星接收機和CR-3扼流圈天線，于2007年建成并投入使用；似大地水準面精化網于2009年建成，55個基本控制點按照C級網[2]布設并聯測二等水準高程。

2011年合肥市行政區劃調整(如圖1)，目前合肥市首級平面控制網面臨覆蓋范圍不足、參考站接收機受周翻跳事件影響無法使用、部分參考站站址不適合繼續使用和基本控制點破壞嚴重等問題，升級改造勢在必行。升級改造的目標是基于高等級GNSS基準站網，使用衛星定位技術建立覆蓋市域的城市首級平面控制網(簡稱HFGNSS控制網，如圖1所示)，由全球導航衛星系統連續運行基準站網[3](HFGNSS基準站網)和基本控制網組成，其中HFGNSS基準站網包括17座基準站，基本控制網包括37個基本控制點，按照“一次布設，同步聯測，分級平差”的原則完成。

數據處理是控制網建設的核心環節，很多文獻進行過探討，如文獻[4]探討框架網與基本網，文獻[5]探討基線重復性、文獻[6]探討基線解算質量評價、文獻[7]探討分級平差精度、文獻[8]探討起算點影響、文獻[9]探討GAMIT與TBS混合基線平差算法分析、文獻[9]探討GAMIT在省級基準站解算中的應用。

圖1 HFGNSS控制網點位示意圖

2 數據處理過程

2.1 觀測數據整理與分析

(1)觀測數據概況

外業觀測采用基于連續運行基準站的模式進行，主要指標如表1所示。

HFGNSS控制網外業觀測一覽表 表1

(2)觀測數據預處理

標準化觀測數據文件SITEDAYS.YYO和導航電文文件SITEDAYS.YYN，將觀測數據按年積日及觀測時段整理為rinex格式，進行正確性檢驗，包括接收機與天線型號的正確性、天線高的正確性、年積日的一致性、天線高的歸算、收集周邊國際和國家基準站(如圖2所示)。

圖2 IGS站、國家站和HFGNSS控制網分布圖

(3)觀測數據質量分析

在數據質量分析前，首先對開關機時間、時段長度、連續性等指標進行檢查，剔除無效觀測時段，將短時間斷開的觀測數據進行合并。在此基礎上使用TEQC對觀測數據進行質量檢查，包括數據有效利用率、多路徑效應mp1和mp2等進行統計分析。

①HFGNSS基準站網觀測數據質量分析

對17座HFGNSS基準站網觀測數據的有效利用率和多路徑效應進行分析統計(圖3)，可以看出各基準站數據有效利用率大于95%的約占97.3%，各點多路徑效應mp1值、mp2值均較小，其中mp1值小于 0.5 m的約占90.4%，mp2值小于 0.5 m的約占92.8%。

圖3 HFGNSS基準站網觀測數據質量分析統計圖

②基本控制網觀測數據質量分析

對37個基本控制點觀測數據的有效利用率和多路徑效應進行分析統計(如圖4所示)，可以看出各點數據有效利用率大于90%的約占92.4%，各點多路徑效應mp1值、mp2值均較小，其中mp1值小于 0.5 m的約占64.9%，mp2值小于 0.5 m的約占70.3%。經核實，部分點由于自然環境因素如被樹木包圍或距離房屋、圍墻等物體較近等，從而導致其觀測數據的多路徑效應mp1值、mp2值較大。

圖4 基本控制網觀測數據質量分析統計圖

2.2 起算基準站分析

起算基準站選取應滿足：①連續性原則：測站在近3年連續觀測；②穩定性原則：站點坐標時序穩定性好，坐標成果變化小；③平衡性原則：站點盡量均勻分布。

(1)起算基準站坐標變化分析

利用收集的中國及附近區域的BJFS、DAEJ、WUHN、TWTF 4個IGS站數據作為已知點，解算起算基準站AHBB、AHAQ、ZJJD、HAQS、JSLS的坐標，將計算結果與2019年“現代測繪基準維持與服務全國衛星導航定位基準站網平差”項目CGCS2000成果進行比較(如表2)，可看出5個起算基準站的坐標變化量較小。

起算基準站坐標變化差異 表2

(2)起算基準站時間序列分析

收集五個國家基準站年積日162～192共31天的觀測數據，對起算基準站進行時間序列分析，從時間序列殘差圖可看出：選取的5個國家基準站在N、E、U三個方向的穩定度高，在平面上與垂直方向上變化量小，且無明顯的跳變。

綜合以上坐標變化和時間序列分析可得，起算基準站穩定可靠且分布均勻。

2.3 基線解算

基線結算時先驗坐標通過基準站差分獲得，衛星軌道使用IGS精密星歷，對流層改正采用Saastamoinen模型，解算模式選擇周跳自動修復技術。

(1)基準站選擇

第一步以HAQS、AHBB、JSLS、ZJJD、AHAQ五座國家基準站和一座IGS站(WUHN)作為起算，解算HFGNSS基準站網基線(如圖5所示)。

圖5 HFGNSS基準站網解算示意圖

第二步以HAQS、AHBB、JSLS、AHAQ四座國家基準站和七座HFGNSS基準站作為起算，解算基本控制網基線(如圖6所示)。

圖6 HFGNSS基本控制網解算示意圖

(2)同步環Nrms值統計

以GPS Day(年積日)為單位進行基線解算并統計標準均方根Nrms(表3)，從表中可以看出Nrms均小于0.2周，表明基線解算時周跳基本剔除干凈。

HFGNSS控制網Nrms統計表 表3

2.4 基線重復性統計

對HFGNSS基準站網進行基線重復性和整網重復精度統計如表4、表5所示，可以看出基線重復性良好，整網重復精度較高。

HFGNSS基準站網基線重復性統計表 表4

HFGNSS基準站網基線重復性直線擬合結果統計表 表5

2.5 平差計算

與基線解算一致，平差計算遵循“分級平差”的原則，第一步以HAQS、AHBB、JSLS、ZJJD、AHAQ五座國家基準站和一座IGS站(WUHN)作為起算做三維約束平差獲得HFGNSS基準站網的CGCS2000成果，第二步以上一步獲取的HFGNSS基準站做約束平差獲取基本控制網的CGCS2000成果。

3 精度分析

3.1 精度評定

HFGNSS控制網坐標精度和基線精度統計如表6和表7所示，結果表明HFGNSS控制網精度可以達到B級網的精度，為后續擴展奠定良好基礎。

HFGNSS控制網坐標精度統計表 表6

HFGNSS控制網基線精度統計表 表7

(1)HFGNSS基準站網南北分量的中誤差平均值為 ±0.2 mm，最大值為 ±0.6 mm；東西分量的中誤差平均值為 ±0.2 mm，最大值為 ±0.6 mm；高程分量的中誤差平均值為 ±1.0 mm，最大值為 ±2.5 mm；基線相對中誤差平均值3.89×10-9，最大值7.62×10-9。

(2)基本控制網南北分量的中誤差平均值為 ±1.6 mm，最大值為 ±2.7 mm；東西分量的中誤差平均值為 ±1.7 mm，最大值為 ±3.3 mm；高程分量的中誤差平均值為 ±8.1 mm，最大值為 ±15.0 mm；基線相對中誤差平均值4.47×10-8，最大值為2.76×10-7。

3.2 新舊成果比較

HFGNSS控制網與2009年合肥市似大地水準面精化網有7個重合點，新舊成果比較得出：平面最大差值 1.2 cm，大地高最大差值 4.7 cm，表明HFGNSS成果可靠且穩定。

4 結 語

隨著我國各級基準站網的建設，無論是城市首級控制網改造或復測還是常規的工程控制網，基于連續運行參考站的模式得到普及與應用，本文介紹的數據處理與分析方法可以為同類測繪工程項目提供參考。