基于GNSS基準站數據的控制點CGCS2000坐標計算

張吉君,劉彥杰,包暑光

(長江三峽勘測研究院有限公司(武漢),湖北 武漢 430074)

0 引 言

CGCS2000是一個嚴密的坐標系統,是ITRF97框架、2000.0歷元下的瞬時坐標,也是中國目前正在推廣并使用的新一代大地坐標系[1],所有測繪成果均需采用或者轉換到CGCS2000坐標。但是,普通用戶很難獲得具有CGCS2000坐標成果的控制點,需要向測繪成果主管部門申請或者把原始觀測數據送到有關部門解算才能獲得;由于測繪成果保密的原因,這兩種方式既耗時又繁瑣[2]。目前,對于獲取控制點CGCS2000坐標的研究,尹業彪[2]通過GAMIT軟件對IGS站觀測數據進行解算,研究了通過現有資料和技術手段,實現獲取CGCS2000坐標的可行性,提高小型測繪單位CGCS2000坐標的自給率,降低小型測繪活動的生產成本、提高生產效益。胡思華和曾慶春等在工程項目中聯測IGS站獲取CGCS2000坐標,并分析其精度與實用性[3-4]。黎鵬等[5]將待測點與IGS站組網解算得到高精度坐標,然后通過動態轉換獲取CGCS2000坐標,并探討其在實際工程應用中的可行性。劉明波等[6]采用聯測IGS站方法,為計算偏遠地區控制點的CGCS2000坐標提供實用思路。

但是,以上研究都只對某一特定區域GNSS數據進行解算和分析,具有一定的局限性。本文提出一種選用公開的GNSS基準站并對其坐標成果進行驗證的方法,通過將分布于5個不同省份的控制點聯測GNSS基準站,根據CGCS2000定義,結合坐標參考框架轉換和歷元歸算,將對應ITRF框架當前歷元下的坐標轉換為ITRF97框架(參考歷元為2000.0)下的坐標,即CGCS2000坐標。

GAMIT/GLOBK是受到國內外學者一致認可的高精度GNSS數據處理軟件之一,處理基線和連續觀測的靜態數據時,解算時間快,能夠有效地消除或者削弱GNSS測量誤差帶來的影響,獲得高精度基線解算結果[7-10]。基線結果在平差時不受測區已知控制點的約束,采用GNSS基準站作為已知控制點,解算過程中使用衛星精密星歷、對流層等改正模型,獲取測站高精度的三維坐標信息,有效解決了常規GNSS測量依賴已知控制點、短基線解算的缺點[11]。因此,利用GAMIT/GLOBK軟件進行數據處理和平差,可方便快捷地直接獲取控制點CGCS2000坐標。經驗證,該方法可直接獲取大陸地區任意區域的控制點CGCS2000坐標,解決工程項目亟需的已知點坐標問題,具有快捷性和高可靠性。

隨著中國深入推進“雙碳”目標,加快能源結構調整,新疆、西藏等具備豐富新能源資源的偏遠地區正在加緊推進抽水蓄能電站等大批水利水電項目。這些項目所在地通常遠離城鎮,沒有通訊信號。因國家高等級控制點分布不均勻且項目前期申請控制點需要一定周期,對于急需完成各項報批流程的項目,如何盡快完成前期地形圖測繪、地質鉆孔放樣是關注的重點。通過公開的GNSS數據可以及時獲取無網絡信號區域控制點的CGCS2000系坐標,開展各項測繪工作,完成項目申報流程。

1 控制點計算方法

公開的GNSS數據包括全球IGS站觀測文件、香港CORS(Continuously Operating Reference Stations)網觀測文件以及其在各參考框架下的三維坐標和速度信息,還包括廣播星歷、精密星歷、精密鐘差等GNSS解算相關文件。利用公開的GNSS數據,將控制點聯測公開的GNSS基準站,采用GAMIT軟件進行基線處理;目前GAMIT求解的基線結果是ITRF2014框架、當前歷元下的成果,從ITRF網站(https:∥itrf.ign.fr/)獲取GNSS基準站ITRF2014(當前歷元)下的精確坐標作為起算點,利用GLOBK軟件進行空間三維平差,獲取未知控制點ITRF2014(當前歷元)下空間三維坐標,然后進行框架歷元轉換,由ITRF14框架(當前歷元)下坐標轉換到CGCS2000(ITRF97框架、2000.0歷元)坐標成果。圖1為聯測GNSS基準站計算控制點CGCS2000坐標的流程。框架轉換參數可從ITRF網站上獲取,其精度有保障;歷元轉換必須要獲得觀測控制點的速度值,其數值是利用控制點ITRF2014框架當前歷元下的三維空間坐標,基于全國2 300多個控制點多年實測速度擬合而成,或者利用CPM-CGCS2000板塊歐拉矢量計算控制點速度值[12]。

圖1 聯測GNSS基準站計算控制點CGCS2000坐標的流程Fig.1 Process of calculating control point CGCS2000 coordinate with GNSS reference station

2 選用公開的GNSS基準站

由于中國各省CORS站數據不公開,IGS站數據存在著分布數量偏少,且數據發布不連續的問題。因此,選用中國及其周邊地區數據發布連續和穩定的IGS站點作為基準控制點,根據CH/T 2014-2016《大地測量控制點坐標轉換技術規范》,基準控制點需要遵循連續性、穩定性、高精度、多種解、均衡性以及精度一致性原則。通過查閱International GNSSService網站,核實IGS站點的數據信息和點位分布情況,如表1所示,最終選用41個IGS站點作為常用的GNSS基準站。

表1 常用的GNSS基準站Tab.1 Common GNSS reference stations

為了檢驗所選IGS站點的穩定性,首先通過ITRF網站獲取IGS站點對應框架和歷元下的坐標,基準站ITRF2020框架(2015.0歷元)和ITRF2014框架(2010.0歷元)下的三維坐標及速度作為轉換前輸入成果,基準站ITRF2014框架(2000.0歷元)和ITRF97框架(2000.0歷元)下的坐標作為已知成果,然后通過以下3種方式檢驗IGS站點的穩定性和框架歷元轉換的正確性。轉換結果見表2～3。

表2 方式一和方式二轉換結果與已知成果比較差值Tab.2 Difference between the conversion result of method 1 and method 2 and the known result cm

(1) 方式一:獲取站點ITRF2020框架(2015.0歷元)下的三維坐標以及速度,將其框架歷元轉換為ITRF2014框架(2000.0歷元)下的坐標。

(2) 方式二:獲取站點ITRF2014框架(2010.0歷元)下的三維坐標以及速度,將其框架歷元轉換為ITRF2014框架(2000.0歷元)下的坐標。

(3) 方式三:獲取站點ITRF2014框架(2010.0歷元)下的三維坐標以及速度,將其框架歷元轉換為ITRF97框架(2000.0歷元)下的坐標。

將框架歷元轉換后的坐標與已知成果進行比較,即可驗證所選IGS站點的穩定性。從表2和表3可知,通過框架歷元轉換獲得的坐標精度為厘米級,方式一最大點位誤差為3.75 cm(站點BJFS),方式二比較結果最大點位誤差為4.94 cm(站點PIMO),方式三比較結果最大點位誤差為2.76 cm(站點IISC),證明了此法獲取CGCS2000坐標精度的可靠性。最后根據工程項目所在位置,在此41個IGS站點中選用合適的GNSS基準站作為聯測點,用于計算未知控制點CGCS2000坐標。

表3 方式三轉換結果與已知成果比較差值Tab.3 Difference between the conversion result of method 3 and the known result cm

3 基線解算策略和精度評定方法

3.1 基線解算策略

利用GAMIT軟件,采用IGS精密星歷,使用批處理方式進行基線解算。在Station.info文件中配置好各個控制點測站信息,包括控制點編號和點名、觀測時間段、儀器類型、天線類型、天線高以及其量測方式等。在Process.defaults文件中設置好采樣率、觀測歷元時長以及基線開始處理時間等。Site.defaults設置好rinex數據來源方式、參與平差的控制點和已知點。在Sestbl表中,觀測值選項(Choice of observable)設定為LC_AUTCLN;試驗選項(Choice of Experiment)設定為BASELINE。所有文件其余主要選項采用軟件推薦的缺省值。

3.2 精度評定方法

標準化均方根誤差NRMS值一般用來描述在單位時段內基線解算值與其加權平均值的偏離程度,是從歷元的模糊度解算中得出的殘差值,也是衡量解算質量的最主要指標之一[7]。NRMS值越小,基線解算精度越高。一般認為NRMS值不大于0.3說明解算成功,若數值大于0.5,說明解算過程中部分周跳可能未被探測修復,出現了某些參數數值偏差較大等異常,需檢查原因,重新解算[7]。

4 控制點CGCS2000坐標的計算與驗證

挑選5個區域的控制點進行靜態測量,區域1～4控制點已知成果由權威機構解算獲得,區域5已知成果為向測繪主管部門申請獲取。5個區域的靜態測量和GNSS基準站信息如表4所示。

表4 5個區域的靜態測量信息和GNSS基準站信息Tab.4 Static measurement information and GNSS reference station information of five regions

利用GAMIT對各個區域靜態測量數據和聯測GNSS基準站數據進行基線處理,采用NRMS值來衡量基線處理的質量好壞,如表5所示,GAMIT軟件基線解算的NRMS值均為0.19～0.21,這說明各個區域GNSS網的整體外業觀測質量較高,基線解的精度好。利用GLOBK軟件對各個區域基線處理后的結果進行平差處理,平差后獲得各個控制點ITRF2014框架(當前歷元)下坐標,接著計算控制點速度值,最后進行框架歷元轉換,獲取觀測控制點CGCS2000空間三維坐標和高斯平面坐標。

表5 基線處理精度統計Tab.5 Statistics of baseline processing accuracy

將控制點計算的CGCS2000坐標與已知成果比較,統計各個控制點點位較差及其均值如圖2、表6所示。從比較成果可知:① 采用聯測GNSS基準站方法求取控制點的CGCS2000坐標是可行的,平面精度效果較好,高程精度效果不佳;② 區域1～4空間三維點位較差dp基本都保持在5 cm以內,點位較差均值最大的是區域2(4.16cm),最小的是區域4(2.15 cm);③ 區域1～4高斯平面點位較差ds基本保持在3 cm以內,點位較差均值最大的是區域1(2.32 cm),最小的是區域3(0.47 cm);高程精度均值dH保持在4 cm以內;④ 由于區域2～4的已知成果也是采用GAMIT/GLOBK計算所得,平面點位較差最大是1.88 cm,精度在2 cm以內;但是因為聯測的GNSS基準站和GAMIT/GLOBK軟件數據處理設置參數不一致,高程精度比較差,基本保持在 5 cm 以內;⑤ 區域1已知成果是使用其他數據處理軟件計算出來的,平面坐標存在X方向差別較大的現象,平面點位精度和高程精度都在3 cm以內;⑥ 區域5已知成果是向測繪主管部門申請獲得,由于已知控制點都在高層房屋樓頂,埋設年代久遠,計算成果與已知成果比較存在一定偏差,點位精度不大于5.5 cm。

表6 聯測GNSS基準站計算CGCS2000坐標成果與已知成果的比較Tab.6 Comparison of CGCS2000 coordinate results calculated by joint survey GNSS reference station with known results cm

圖2 點位較差均值統計Fig.2 Mean value statistics of point calibration difference

5 結 語

聯測公開的GNSS基準站可以方便獲取已知點對應ITRF框架當前歷元下的三維空間坐標,通過GAMIT/GLOBK軟件基線處理和平差計算,可獲得未知控制點對應ITRF框架當前歷元下的三維空間坐標,再進行框架歷元轉換,即可獲得未知點的CGCS2000坐標。比較不同省份的5個區域計算成果與已知成果,結果表明:平面精度效果較好,基本保持在3 cm以內;高程精度效果略差,基本保持在5 cm以內。該方法利用GAMIT/GLOBK軟件計算出控制點的CGCS2000坐標具有快捷性和高可靠性,其精度滿足項目申報前期需要快速獲取控制點CGCS2000坐標的需求,可用于項目控制點CGCS2000坐標的校核,也可用于某些中小型工程或者測區周邊沒有已知高等級控制點的區域。