CORS站在偏遠海島GNSS控制網布設中的應用

王 振 孫炎強

(珠海市測繪院, 廣東 珠海 519170)

0 引言

我國的基礎測量成果一般采用國家坐標系,為了減少變形誤差及滿足精度控制的要求,各城市在地方建設中都會采用城市地方坐標系開展工作,由于歷史原因,珠海市存在著多種地方坐標系,其中位于珠海市東南部的偏遠海島采用的是萬山獨立坐標系[1],此套坐標系統建立于20世紀80年代,一直沿用至今。由于各海島遠離大陸且相互獨立,控制系統缺乏維護,當初建立的控制點破壞相當嚴重,近些年隨著全球導航衛星系統(global navigation satellite system,GNSS)的發展尤其是各地連續運行參考站(continuously operating reference stations,CORS)的不斷建立與完善,充分利用CORS基準站來解決控制網的布設已經越來越普遍[2-4]。再加上國家大力推廣2000國家大地坐標系(China Geodetic Coordinate System 2000,CGCS2000)的背景[5],海島獨立坐標系及過去建立的控制系統已無法滿足現階段的測繪需求。因此,需對一些海島進行GNSS控制網布設,對其坐標基準進行更新。本文通過對珠海市外伶仃島E級GNSS控制網布設的介紹,分析了CORS站在偏遠海島GNSS控制網布設中的應用。

1 工程實例

1.1 測區概況

外伶仃島是珠海市的重要旅游開發島嶼之一,位于珠海市東南部,距珠海市區27.5海里,距深圳35海里,距香港長洲島6海里,海島面積4.23 km2。2014年底,珠海市北斗連續運行衛星導航與位置服務系統(ZHBDCORS)建設完成并投入使用,2018年底,依托珠海市CGCS2000建設項目,在東南部偏遠海島又增設了多座基準站,進一步完善了ZHBDCORS基準站網,為本項目提供了可靠的連續運行衛星導航與位置服務[6-7]。在外伶仃島北部的香港區域分布有多個香港CORS基準站,可用于本項目的CORS站組網。

1.2 控制網布設

由于測區面積較小,ZHBDCORS站在珠海市分布較為分散,測區控制網與ZHBDCORS站之間距離過長,僅使用ZHBDCORS站與測區控制點組網會造成網形不合理,相鄰點間距離差異過大[8-9]。本項目充分利用了香港衛星定位參考站的免費數據服務,將位于外伶仃島附近的香港CORS基準站加入本項目的控制網組網中。在本工程項目中根據數據觀測時長,數據質量及控制點周邊環境采取了三級構網的方式實現基準高精度傳遞與處理,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級網分別參照GPS-B、D、E級標準進行基線解算與平差。布網方案及計算策略如下:

(1)I級網采用GPS-B級限差要求解算。由于外伶仃島處于ZHBDCORS站網的東面邊沿地帶,附近的ZHBDCORS站點數量較少,為完善起算基準站點分布和優化整體網形,采用基于ZHBDCORS聯測外伶仃北側鄰近的香港CORS站點的布網方式,將CGCS2000坐標傳遞至香港CORS站點。選擇ZHBDCORS站GUIS、WALD、DANG站作為起算點,與香港CORS四個基準站HKSL、HKOH、HKNP、HKLM組成Ⅰ級網,如圖1所示。

圖1 Ⅰ級網圖(框架網)

(2)II級網基于采用GPS-D級限差要求解算,利用I級網的鄰近香港CORS站點和附近ZHBDCORS站點聯測僅有的兩個萬山坐標系高級控制點,將CGCS2000坐標傳至外伶仃島已有控制點(僅有萬山獨立坐標系坐標),形成CGCS2000坐標與萬山獨立坐標系坐標重合點。選擇ZHBDCORS站GUIS、WALD及香港CORS站HKSL、HKLM、HKNP作為起算點,與外伶仃島已有控制點WLD1、WLD2組成II級網,如圖2所示。

圖2 II級網圖

(3)III級網采用GPS-E級限差要求解算,進行島內聯測,完善已有控制點分布,使兩套坐標系成果全島覆蓋,為參數求取奠定基礎。以Ⅱ級網成果WLD1、WLD2點及CORS站點WALD作為起算點,與新布設的WLD3～WLD10共計11點,組成Ⅲ級網,如圖3所示。

圖3 III級網圖

2 控制網的解算及精度分析

根據《全球定位系統(GPS)測量規范》(GB/T 18314―2009),12.1.1條規定:“A、B級GPS網基線數據處理應采用高精度數據處理專用的軟件,C、D、E級GPS網基線解算可采用隨接收機配備的商用軟件”[10-11]。本項目分別采用B、D、E級GPS網的技術要求對Ⅰ級網(框架網)、Ⅱ級網、Ⅲ級網進行解算。基線處理軟件采用GAMIT軟件。基線解算采用IGS精密星歷,其軌道精度達到0.05m。

2.1 基線檢核

Ⅰ級網(框架網)由7個站點組成，點位如圖1所示,同步圖形之間采用邊連接,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。對于GAMIT軟件基線解的同步環檢核,可以把解的nrms值作為同步環質量好壞的一個指標,一般要求nrms值小于0.5,不大于1.0,若大于1.0,則表明該解算結果不可靠。Ⅰ級網(框架網)計算了7個同步時段,全部nrms值均小于0.210,最大的為0.207。Ⅱ級網全部nrms值均小于0.360,最大的為0.350。Ⅲ級網全部nrms值均小于0.500,最大的為0.426。說明整體外業觀測質量較高,基線解的精度較好。Ⅰ級網(框架網)重復基線總數126條,Ⅱ級網重復基線總數39條,Ⅲ級網重復基線總數55條。經計算,所有重復基線的較差均滿足限差要求。重復基線較差的最大差值見表1。

表1 重復基線長度較差最大值

2.2 平差處理

(1)三維無約束平差。以基準站WALD的三維坐標成果(空間直角坐標)作為起算數據,分別對Ⅰ級網(框架網)Ⅱ級網Ⅲ級網進行三維無約束平差。三維無約束平差中,所有基線分量的改正數絕對值均滿足:VΔx≤3σ,VΔy≤3σ,VΔz≤3σ。三維無約束基線向量改正數最大值見表2。

表2 三維無約束基線向量改正數最大值統計表 單位：cm

(2)三維約束平差:以基準站DANG、GUIS、WALD的三維坐標成果(空間直角坐標)作為起算數據,對Ⅰ級網(框架網)進行三維約束平差,以基準站HKLM、HKNP、HKSL、GUIS、WALD的三維坐標成果(空間直角坐標)作為起算數據,對Ⅱ級網進行三維約束平差,以基準站WALD及Ⅱ級網WLD1、WLD2三維坐標成果(空間直角坐標)作為起算數據,對Ⅲ級網進行三維約束平差,三維約束平差中,所有基線分量的改正數絕對值均滿足:VΔx≤2σ,VΔy≤2σ,VΔz≤2σ。三維約束基線向量改正數最大值見表3。

表3 三維約束基線向量改正數最大值統計表 單位：cm

(3)二維約束平差(萬山獨立坐標系)。為了城市測量的需要,本項目需要獲得萬山獨立坐標系的成果,選取已知萬山獨立坐標系成果的WLD1、WLD2兩點作為固定點,對Ⅲ級網進行二維約束平差[12-13],平差后最弱點為WLD4,點位誤差為1.13 cm,平差后的最弱邊為WLD1-WLD5,相對中誤差為1/308000。

2.3 網平差精度檢核對比

對本項目分別采用GAMIT v10.72與Trimble Business Center v5.31進行基線解算及平差后作整體對比[14-15],對比結果見表4。由表4可以看出,Δx最大值為0.003 0 m,Δy最大值為0.007 2 m,Δz最大值為-0.005 0 m,坐標差值中誤差為0.003 8 m。三個等級的控制網中,GAMIT與TBC處理后基線的平差結果相差很小,具有很強的兼容性。因此可以說明本項目控制網數據質量及數據處理合格,精度可靠。

表4 空間直角坐標檢核結果統計表 單位：m

3 CORS站布設控制網的優勢

本項目中控制網布設利用CORS站數據進行基準傳遞與傳統GPS控制網相比具有以下優勢:

(1)CORS基準站可以與任何時間的觀測數據形成同步觀測基線,充分利用永久性CORS站的實時觀測數據,能極大地減輕外業工作量,有效提高布網效率。

(2)對于遠離內陸的偏遠海島,控制點稀少或破壞嚴重,布設相應等級的GNSS控制網時,可綜合利用海島周邊的CORS站數據,通過多級布網及解算來實現控制網的布設。

(3)通過CORS站分級布網得到海島控制點的CGCS2000坐標及海島獨立坐標系坐標后,可求取二者之間的轉換參數,為以后的海島測量提供基準。

4 結束語

本項目綜合利用ZHBDCORS站及香港CORS站數據,通過分級布網,逐級解算,最終得到外伶仃島GNSS E級控制網的高精度CGCS2000坐標及對應的萬山獨立坐標系坐標,證明了在偏遠海島GNSS控制網建立中利用CORS站數據傳遞基準的可行性。