上海市VRS系统框架稳定性分析

邹俊平，季善标，余美义

(上海市测绘院，上海 200063)

上海市VRS系统框架稳定性分析

邹俊平∗，季善标，余美义

(上海市测绘院，上海 200063)

目前各个省市都相继建立了自己的基准站网，国家测绘局亦在筹建全国性的基准站网。上海市VRS系统作为较早一批建立的城市基准站网，至今已有效运行4年多，有必要对上海市VRS系统框架的稳定性进行一些探讨分析。本文以上海市VRS系统框架稳定性分析为例，在分析自身系统稳定性的同时，对影响基准站网稳定性的原因进行了简单的分析，所采用的基准站稳定性分析方法能达到比较理想的效果。本文还希望通过基准站网的稳定性分析等手段拓展基准站网为城市形变分析、维持城市坐标框架等方面的应用。

系统框架；稳定性；重心平差；坐标偏移

上海市VRS系统是上海市GPS综合应用网的扩展和延伸，是上海市空间信息应用基础设施，也是上海市数字城市、城市规划建设的基础设施。该系统是城市规划、市政建设、管线测量、变形监控、地震灾害、气象应用、交通运输等多个行业应用的综合空间服务系统。上海市VRS系统作为维持上海市城市坐标框架的重要基石，在覆盖全市的各种比例尺数字地图生产、保障城市建设等方面发挥着举足轻重的作用。

上海市VRS系统将帧中继专线通讯用于参考站与控制中心的实时数据通讯，很好地解决了数据传输延迟和安全性问题；而用户(流动站)采用GPRS数据链与控制中心连结，可以实现双向有关定位修正信息咨询。在系统集成同时，在内部局域网LAN上研制完成了系统数据发布与应用运行管理平台，其功能包括实时动态应用和静态数据下载后处理等各类用户注册、监控、服务和管理等。初步形成国内首个基于VRS技术的GPS网络RTK数据发布与应用系统运行平台。

上海市VRS系统自2005年建成，2006年6月正式商业化运行以来，系统已经顺利、有效运行4年多。院内外用户数已经达到264个，并且以平均每年30个左右的速度在增长。涉及的行业主要有市政、电力、煤气、测绘、勘测、仪器厂商等。使用的仪器设备有南方灵锐、徕卡GX1230、拓普康HiPer、泰雷兹Tales、天宝的DGPS产品等。截止到2009年11月，用户累计RTK(厘米级实时定位)使用时间达到39 530小时，累计RTD(亚米级实时定位)使用时间为792小时。应该说实现了规模化生产，极大地提高了生产效率，也达到了项目建设的预期目标。

然而，系统基准站点虽大多建于稳定的建筑物上，但由于上海地区本身的板块偏移和沉降因素，特别是在2007年强台风、2008年汶川地震波的综合作用下，随着时间的推移，势必会对上海市VRS系统基准站点的稳定性造成一定的影响。为保障系统的可靠性并提供有效服务，必须对上海市VRS系统的稳定性进行有效且及时的分析评价。

1 数据处理方法模型

上海天文台的GPS站(位于佘山)是国际GPS服务网IGS的核心站，它既是全球的基准站，又是全国的基准站，其站坐标的精度优于 1 cm，位移速度的精度优于3 mm/年，是目前全国精度最高的GPS站。在系统框架稳定性分析中以上海天文台GPS站作为联测基准站，不仅保证了该网的高精度，保障了系统分析的可靠性，而且能使该网的各种GPS应用服务纳入全球的应用服务系统，与国际接轨，建立该网与各种国际GPS服务网之间的联系和转换关系。

在数据处理方法上，采取以下3个步骤:

(1)选取上海VRS系统原9个基准站和上海IGS站SHAO于2008年1月～10月中每月3天30秒钟的原始数据在GAMIT中使用IGS精密星历进行基线解算。

(2)为分析各基准站的坐标偏移量，对这些基线再在三维空间中进行重心平差，同时确定9个基准站以及上海IGS站SHAO新的上海WGS－84坐标。

(3)将各基准站点的三维空间直角坐标XYZ转换到各个站点的站心地平直角坐标系坐标，分别从水平北方向(N方向)，水平东方向(E方向)，垂直方向(U方向)对各个基准站坐标进行分析。

在数据处理方面主要涉及基线解算、网平差和坐标转换。按照数据处理流程简要介绍其数学模型。采用GAMIT软件对选取的观测数据进行基线解算。在完成GAMIT基线解算后，首先进行GPS网三维约束平差。观测方程如下:

组成法方程后，消去已知点所对应的行和列，利用最小二乘法求解的未知点三维坐标。为充分考虑已知点的稳定性，还需要进行重心平差(拟稳平差)。在上面的观测方程中，将已知点亦当作未知点进行解算，引入下面的基准方程:

同时考虑已知点改正数平方和最小，根据观测方程和基准方程，按照最小二乘原理进行平差解算，得到WGS－84空间平差结果。

图1 空间大地直角坐标与站心地平直角坐标转换示意

为对各基准站点稳定性进行分析，还需要将WGS－84空间三维坐标转换成以各基准站点为站心的测站坐标。采用最常用的左手系的站心地平直角坐标系，如图1所示。3个坐标轴X，Y，Z表示空间大地直角坐标系，N，E，U表示左手系的站心地平直角坐标系，以测站P0点为原点，以站心P0点的法线为U轴，取大地天顶方向为正向；在地平面上，以子午线方向为N轴(向北为正)，E轴与N轴正交(东向为正)。就坐标系的不同表述形式而言，站心地平直角坐标与空间大地直角坐标所属的两种坐标系的坐标原点及3个坐标轴指向均不相同，存在着平移和旋转的转换关系。为此可将坐标原点从椭球中心平移到测站中心P0，3个平移量即为P0点在空间大地直角坐标系中的3个坐标分量，它的3个坐标轴用来表示，分别平行于X，Y，Z轴，以此坐标系为过渡，即可得出任一网点i的站心地平直角坐标(Ni，Ei，Ui)与空间大地直角坐标(Xi，Yi，Zi)之间的转换关系式 :

上式中，(B0，L0，H0)乃是站心坐标系原点P0的大地坐标，(Ni，Ei，Ui)为网点i在该站心地平直角坐标系中的坐标，(Xi，Yi，Zi)表示网点i的空间大地直角坐标。

处理数据基准站站名:IGS站1点:SHAO(佘山)；上海VRS系统基准点9点:CMMZ(崇明)，LGXC(临港)，SHBS(宝山)，SHCH(测绘院)，SHJD(嘉定)，SHJS(金山)，SHQP(青浦)，SHXZ(莘庄)，SSJG(三甲港)；江苏3点:JSDS(淀山)，JSQD(启东)，JSTC(太仓)，网图如图2所示。

图2 基准站网网点分布示意图

2 数据处理结果比较

依照上述数据处理方法和模型，将各基准站计算结果与目前采用的基准站坐标分别在NEU 3个方向进行比较分析。发现水平北方向和水平东方向基准站点的平均坐标偏移都在10 mm以内(除SHAO站)，在垂直方向的平均坐标偏移普遍达到20 mm，特别是SHCH站点达到40 mm左右，具体数据比较如图3～图5所示。

图3 各站点北方向与已知坐标偏移量

图4 各站点东方向与已知坐标偏移量

图5 各站点垂直方向与已知坐标偏移量

3 坐标偏移原因分析

水平北方向和水平东方向两个方向的偏移应该主要是由于采取的计算模型误差所引起的。由于采取重心平差的方式，将观测误差在各个站点上进行了一定的分配，造成各个站点计算结果均会出现一定的偏移量。其次，由于整个板块的漂移，可能产生一定的整体坐标系统偏移。

垂直方向的偏移主要是由于上海地区的沉降造成。同时造成各个基准站U方向偏移量相差比较大的主要原因，应该是上海本身各个地区沉降不均匀所造成的。由于沉降的不均匀性，会对整个VRS系统测量的精度与上海城市坐标系统框架产生影响。为对偏移量进行一定的量化分析，选取沉降比较严重的SHCH为例，采用10个月的数据进行了线形回归分析，结果如表1所示。

SHCH(测绘院)站点3个方向坐标偏移量线形回归分析 表1

4 结 论

剔除观测误差，数据处理误差的影响，水平北方向与水平东方向的坐标偏移主要原因应该由板块漂移所引起，考虑到上海城市坐标系统的整体性与稳定性可以不进行改正。垂直方向的坐标偏移量，从回归函数上看已经达到41.877 mm，有必要对SHCH站该方向坐标进行一定的调整，以满足城市VRS测量以及维持坐标框架精度的需要。至于调整的方法，推荐采用约束其他基准站点坐标方式进行空间三维经典平差求取SHCH新坐标，对此，本文不再详细介绍。

[1]陈俊平，王解先.中国境内IGS站数据处理及地壳运动研究.同济大学学报，2005年10月第33卷第10期

[2]季善标，王解先.上海市首级控制网改造.工程勘察，2004 (5)

[3]施一民，王勇红，张虎等.GPS附和网3维平差的方法和应用.测绘通报，2005(7)

Framework Stability Analysis of Shanghai Virtual Reference System(VRS)

Zou JunPing，Ji ShanBiao，Yu MeiYi
(Shanghai Municipal Institute of Surveying and Mapping(SMISM)，Shanghai 200063，China)

At present，various GNSS station networks of local provinces and municipalities have been set up step by step，and a nationwide GNSS station network is prepared to be set up by the State Bureau of Surveying and Mapping(SBSM)in the near future.As the earlier GNSS station network，the Virtual Reference System(VRS)which is built by Shanghai Municipal Institute of Surveying and Mapping(SHSMI)has been in effective operation for 4 years.It’s necessary to analyze the framework stability of Shanghai Virtual Reference System in order to improve the service of shanghai VRS.In this paper，the author signs up some reasons which affecting the framework stability and proposes a useful method which can be applied in the framework stability analysis of the VRS.The effective of this method has also been proved at last. The author also hopes that the framework stability analysis method to be used in area of urban deformation analysis and the maintenance of city coordinates framework.

system framework；stability；barycenter adjustment；coordinates offset

1672－8262(2010)04－80－03

P228

A

2010—01—05

邹俊平(1982—)，男，工程师，主要从事精密工程测量与GPS应用研究。