GPS 网WGS-84起算点坐标的来源分析*

康世英，杨春华

(江苏华东地质调查(集团)有限公司，江苏 南京 210007)

GPS 网WGS-84起算点坐标的来源分析*

康世英，杨春华

(江苏华东地质调查(集团)有限公司，江苏 南京 210007)

GPS控制网在执行无约束平差时需要一个具有较精确WGS-84坐标的点，另外求解WGS-84坐标系与当地坐标系的坐标转换参数需要多个控制点同时具有两套坐标系坐标。据此，介绍了获得GPS网点起算点WGS-84坐标的途径和方法，分析比较了超快速星历和最终星历对定位精度的影响。通过对实例数据解算精度的分析，得出一些有益的结论，为工程实际应用提供参考。

GPS网;长基线;单点定位;WGS-84坐标系;坐标转换;超快速星历;广播星历;最终星历

0 引言

在GPS相对定位中，进行基线解算之前一般应先以某个点的伪距单点定位WGS-84的结果为起算点进行基线解算，此时平差获得的控制网点的WGS-84坐标是不准确的，精度约为±10 m(绝大多数随机软件无单点解算功能，起算点坐标为导入数据时文件表头的概略坐标)。据研究:要求达到1×10－6m的相对精度，起算点的WGS-84坐标应达到±2.5 m。要求达到100×10－6m的相对精度，起算点的 WGS-84坐标应达到±25 m[1]。起算数据不准确，会给整个测区求坐标转换参数的求取带来影响。

目前，对于普通的工程施工中，WGS-84坐标系虽然只是一种过渡的坐标系，通过求取过渡转换参数，应用差分技术进行处理，但对于以WGS-84为基准的数据(如遥感，遥感数据坐标系统是WGS-84 UTM坐标)则需要相对准确的转换参数，因此获取测区内控制点的精确WGS-84坐标成为必要。另外，对似大地水准面精化来说，精化计算是在地面控制点精确的WGS-84坐标基础上进行的。因此，用于精化水准面的GPS控制网点都必须计算出其在WGS-84坐标系下的坐标。若能收集到测区内或附近WGS-84控制点，可通过联测这些控制点，布设GPS控制网的方式解决问题。而在实际生产中，勘探区域的基准信息一般只能得到基于当地坐标系的坐标基准和高程基准，很难得到具有较精确WGS-84坐标的已知控制点。

精密单点定位技术与测区附近的IGS站点联测是一种实时获取WGS-84坐标的方法，对观测数据进行处理后，将直接获得这些点在ITRF框架下的厘米级精度成果，本文就此方面的技术进行简要阐述，通过实例对比分析，得出了一些有益的结论。

1 GPS采用的坐标系统

WGS-84坐标系是一个由全球地心参考框架、一组相应的模型(包括地球重力场模型)和WGS-84大地水准面所组成的测量参考系。WGS-84大地坐标系在1984年建立后，目前已经经过了3次精化:1994年一次精化WGS-84(G730)、1996年2次精化WGS-84(G873)、2001年再次精化WGS-84(1150)，GPS系统内部均使用这个参考系。

WGS-84(G873)与 ITRF符合精度(RMS)在5 cm以内，WGS-84(1150)与ITRF框架基本一致，整体精度在各个分量上都优于1 cm。ITRF框架与WGS-84可通过7参数实现互相转换。WGS-84(1150)坐标，以固定 IGS(ITRF2000，历元2001.000)监测站坐标，通过处理计算得来，以使框架对准ITRF。因此，一般可认为WGS-84(1150)与ITRF2000框架下历元2001.000时一致。

如果采用GPS广播星历(WGS-84)，则测站坐标同任一ITRFyy的一致性在1 m以内，利用精化了的WGS-84(G1150)星历，则两者的一致性在1 cm以内。如果使用IGS精密星历，测站坐标与IGS生成精密星历所采用的ITRFyy一致。

2 GPS站点WGS-84坐标的获取途径

2.1 传统单点定位技术

传统的单点定位SPP(Single Point Positioning)，就是利用单台GPS接收机接收的测码伪距以及广播星历给出的卫星的轨道参数及钟差改正参数进行定位。目前广播星历提供的卫星轨道精度总体上达到±3 m左右，卫星钟差改正的精度在±20 ns左右，由于传统单点定位技术受到利用的C/A码观测值精度较差，利用广播星历计算的卫星位置和修正后的卫星钟差精度较低，以及无法较好消除大气层延迟等因素的影响其精度较低。有SA影响的情况下，伪距单点定位精度在±100 m左右，在目前GPS状态下，SPP静态定位精度优于±2 m，动态定位精度在±3 m左右[2]。

2.2 精密单点定位技术

PPP(Precise Point Positioning)，是利用单台GPS双频双码接收机的载波相位观测值以及IGS等组织提供的GPS卫星精密星历和精密钟差来进行实时的或事后的高精度单点定位的方法。在GPS定位中，主要的误差来源于轨道误差、卫星钟差和电离层延时等。采用双频接收机，可利用LC相位组合，消除电离层延时的影响，定位误差只有轨道误差和卫星钟差两类。再利用IGS提供精确的精密星历和卫星钟差，利用观测得到的相位观测值，就能精确地计算出接收机位置和对流层延时等信息[3]。

精密单点定位软件，通过处理单台GPS双频接收机的非差伪距与相位观测值，可实现毫米级到厘米级的静态单点定位和厘米级到分米级的动态单点定位，直接得到ITRF框架坐标。

实际的解算表明PPP静态定位结果与通过高精度GPS软件处理的结果是一致的，单天解的定位精度在水平方向达到±1 cm，高程方向达到 ±2 cm[3]，动态定位精度水平方向优于 ±10 cm[2]。

2.3 联测IGS跟踪站，长基线差分解算

根据全球IGS站点的分布，选择合适的IGS跟踪站作为区域网的相连已知点，从相关网站下载相对应的观测时段的跟踪站观测数据及相应观测时段时GPS卫星的轨道文件和星历文件，使用处理软件进行基线处理，得到GPS网点的相对于国际地球参考框架的起算基准。

2.4 软件现状

目前，GPS均配备相应机型的随机软件或较高精度的商用软件。如:天宝(TRIMBLE)的 TGO、TTC、TBC，徕卡(LEICA)的LGO，中海达的HDS2003，南方测绘的GPSPro，华测的COMPASS等。GPSPro、TTC和LGO可实现传统单点定位的处理。

常见的高精度的GPS处理软件包括瑞士尼泊尔大学的Bernese软件、美国的GAMIT/GLOBK软件、德国地学研究中心的EPOS软件、加拿大Calgary大学的P3软件等。

精密单点定位技术从1997年提出后，迅速走向成熟，许多研究机构或者公司纷纷推出自己的软件产品或在其原有GPS解算软件中添加了精密单点定位解算模块，比如:JPL(美国加利福利亚理工学院喷气推进实验室)的GIPSY/OASISII软件、P3软件、Bernese软件、EPOS软件、国内武汉大学张小红教授研制的 Trip 软件等[3]。

精密解算软件使用起来十分复杂，有些软件安装运行还需要使用特定的操作系统平台。GIPSY软件只供科研使用，不供商用。EPOS软件应用范围较为局限，主要在欧洲国家使用，也是科研软件为主。Trip V1.0测试版不但有使用次数(50次)的限制，还有使用期限的限制(只能处理2006年12月31日以前的数据)。P3解算软件只有JAVAD接收机才可以进行实时定位。

目前IGS数据处理中心的服务机构有了免费为用户提供数据处理的服务，如AUSPOS，JPL(1998年开始服务)，SOPAC和NGS、加拿大资源部CSRS-PPP(2003年10月正式开始服务)。用户只需要将野外观测到的GPS原始数据转换为RINEX格式，同时将野外观测时GPS接收机的天线类型和天线高上传到处理网站，即可获得观测点的基于ITRF2000框架下的坐标和精度信息的数据处理报告[4]。

3 数据准备

3.1 IGS站点坐标的下载

全球的IGS跟踪网站大都配备了精密型的双频P码接收，采样率为30 s。目前已经有260个跟踪站支持IGS的全球基准观测，组成了全球网、区域网和局部网。全球的跟踪站的数据通过专门的线路、网络和卫星通信传送给全球数据处理中心和分析中心，数据分析处理后供用户下载和使用[3]。IGS星历采用ITRF国际地球参考框架。目前精密星历使用的是ITRF2000和ITRF2005框架。

ITRF2000包含500站和101并置站，台站数目从500增加到850个，并置站从325增加到500多个。ITRF坐标和速度解由于各IERS分析中心分析方法的不断精化、观测和数据处理精度的不断提高，后来建立的ITRF框架之间的差别越来越小，目前达到的精度为毫米级。

因此，在下载跟踪站站点坐标时，选 ITRF2000框架和2001.000历元即可获得站点的WGS-84(1150)坐标。下载地址:http://sopac.ucsd.edu/cgi－ bin/sector.cgi。

3.2 精密星历数据的下载与解压

精密星历获取地址:http://igscb.jpl.nasa.gov/igscb/product/1613/。IGS星历有超快速星历(Ultra Rapid)、快速星历(Rapid)和最终星历(Final)3种产品，星历间隔均为15 min。例如:超快速星历igu16136.sp3，快速星历igr16136.sp3和最终星历 igs16136.sp3。

下载到的数据文件格式如下:超快速星历预报时间为2 d，每天发布4 次(在 03∶00，09∶00，15∶00，21∶00UT)，包含48 h的轨道信息，第一部分由观测值计算得到，第二部分是预报轨道，文件名由文件中中间点时刻来命名(00∶00，06∶00，12∶00，18∶00UT)。例如:“igu16136_06.sp3.Z”中“16136_06”表示文件预报 时 间 为 第 1613GPS 周 周 一06∶00点 至 周 三05∶45。“igr16136.sp3.Z”为快速星历，延迟17 h发布，包含24 h的轨道信息;“igs16136.sp3.Z”为最终星历，延迟12 d发布，同样包含24 h的轨道信息。注意:下载文件必须用WinZip程序解压后才能使用。

3.3 IGS站点观测数据的下载与解压

3.3.1 数据的下载

IGS站点观测数据下载地址:http://sopac.ucsd.edu/cgibin/sector.cgi。该网站提供IGS站点连续24 h观测数据的下载，数据为Rinex标准格式数据，分两个数据文件被压缩保存，经解压后的文件为*.obs和*.nav。文件经UNIX压缩，增加“.Z”后缀以命名。(Windows用户:unix－解压缩这些文件，使用实用程序如WinZip)。

*.obs格式的文件有 2种压缩格式:xxxxdddt.yyo.Z和xxxxdddt.yyd.Z。* .nav 格式的文件为 xxxxdddt.yyn.Z。其中:“xxxx”代表点名，“ddd”代表日历天数，”t”代表时段号，“yy”代表年份，“Z”代表该数据是被UNIX操作系统压缩的。

xxxxdddt.yyo.Z 和 xxxxdddt.yyn.Z 数据经对 Rinex 数据直接压缩而成，xxxxdddt.yyd.Z数据是对Rinex Obs文件用Hatanaka unix压缩而得(Hatanaka unix压缩RINEX Obs文件可以采取只要25% －30%的空间)。

3.3.2 数据的解压

xxxxdddt.yyo.Z 和 xxxxdddt.yyn.Z，此类数据仅有近期60 d内的数据，WinZip解压即可使用。对于xxxxdddt.yyn.Z数据多数国家的站点不是每天有，下载的数据为autodddt.yyn.Z，通用星历数据，解压后改名即可使用。

xxxxdddt.yyd.Z 数据解压后为 xxxxdddt.yyd 数据，是 hatanaka压缩文件，可以从GSI下载crx2rne.exe程序来转换xxxxdddt.yyd 为 xxxxdddt.yyo 文件。crx2rne.exe 和解压后的 xxxxdddt.yyd文件存储在同一个目录下，通过Windows系统的“开始＞运行＞”，输入诸如:“D:GPSDATAcrx2rnx bjfs2750.06d”，按“确定”即可转换成所需的obs格式文件。

3.3.3 数据的导入

有了obs和nav这两个文件，针对不同的GPS后处理软件，其版本有所不同。比如:下载的数据有时其格式为Rinex 2.11，TGO导入时须将2.11改为2.10(文件中有两处)后方可导入;TTC 2.73可直接导入xxxxdddt.yyd文件，在数据导入过程中软件自动执行crx2rne.exe(TTC 2.73有此功能)程序。

4 实例计算

快速星历和最终星历在采样率和精度指标上均相同，其对单点定位和基线解算结果的影响程度如何?在实际应用中是否需要等待最终产品来解算，下面将用实例进行对比分析。

4.1 传统单点定位精度分析

对全球跟踪站某5个点某天24 h观测数据进行下载，使用TTC2.73软件进行传统单点解算，分别采用广播星历、超快速星历和最终星历计算，结果与已知值进行对比分析(见表1)。

传统单点定位精度在水平方向达±(1～3)m，高程方向为±(3～13)m;精密星历对定位结果的影响值达到平面±1.23 m，高程±1.75 m;两种精密星历定位结果坐标较差平面达 ±0.53 m，高程达 ±1.32 m。

4.2 精密单点定位精度分析

用Trip1.0软件，对上述同名点进行解算，与已知值对比结果列于表2。与已知值较差平面达±0.27 m，高程达±1.62 m;不同的精密星历解算结果相互间较差均在厘米级，坐标分量较差均在±0.02 m范围之内。

表1 传统单点定位值对比表Tab.1 Contrast of tradition point positioning values

表2 精密单点定位值对比表Tab.2 Contrast of precise point positioning values

4.3 IGS跟踪站联测精度分析

某两IGS站间约900 km，对某天数据用天宝系列GPS后处理软件进行基线解算，结果列于表3。从表3中可以看出，24 h观测时段中长基线解算定位精度达厘米级，坐标分量误差优于 ±0.05 m。

表3 IGS跟踪站联测值与已知值对比表Tab.3 Contrast between IGS tracking station conjunction surveying values and the known values

纳米比亚某控制点37#至IGS站wind基线长447 km，37#点静态观测时段为5h21m15s;我国东北某测区控制点GS02至IGS站chan基线长81 km，GS02观测时段为1h40min;坐标系统为WGS-84(ITRF2000，2001.0星历)，UTM 投影，解算结果，见表4。从表4中可知，超快速星历影响值仅达±1 cm，与广播星历解相差达±0.1 m。

表4 IGS跟踪站联测值与最终星历解对比表Tab.4 Contrast of the comparison between conjunction survey values of IGS tracking station and final ephemeris solution values

4.4 工程GPS控制网点精度对比分析

对某工程GPS控制网中部分点进行中长基线解算，与单点定位结果进行比较，结果列于表5。TTC2.73、Trip1.0和IGS跟踪站联测结果比较:Trip与联测结果坐标分量较差达±0.48 m，高程±0.3 m;TTC与联测结果坐标差±1 m，高程达±4.4 m。

表5 普通观测数据计算值对比分析Tab.5 Comparison and analysis of general observation data calculation values

5 结论

通过对GPS网WGS-84起算点坐标的来源进行分析，笔者得出如下结论:

1)大地高的不确定性主要表现为对高程的影响，而对平面坐标影响很小。当均匀的选取重合点并适当增加重合点的数量时，两组高斯平面坐标的差值并不大，可以控制在1 cm左右[5]。传统单点定位精度在水平方向达±(1～3)m，高程方向为±(3～13)m，完全可以满足地勘测绘精度要求;

2)精密单点定位方法是一种获得WGS-84坐标系下坐标快速稳定的GPS作业方式。对于普通工程GPS控制网数据，定位精度可达分米级，不同的精密星历解算结果相互间较差均在厘米级。此方法的缺点是:需要购买高精度的精密单点定位软件或附有此功能的GPS后处理软件，某些软件需要特殊的操作平台;虽然IGS数据处理中心的服务机构有免费为用户提供数据处理的服务，但对数据采集时段和数据格式要求比较严格，用户相对来说较被动。

3)联测IGS跟踪站的方法是建立测区坐标基准的最好方法，尤其是对于离IGS跟踪站较远的偏远地区建立GPS控制网，可以大大提高网的绝对精度，建立测区基于框架ITRF下的坐标基准，而且一般的GPS随机软件都可完成数据处理。中长基线定位结果表明:超快速星历与最终星历解算结果坐标分量误差仅为±1 cm左右，这种差异对于普通工程测绘来说影响并不算大，因此不必等到最终星历的发布，可以直接使用超快速星历。

[1]康世英，张宏伟.GPS测量在石油物探中的应用探讨[J].矿产与地质，2006，20(4－5):552－555.

[2]刘伟平，郝金明，汪平，等.标准单点定位与精密单点定位精度对比研究[J].测绘通报，2010(4):5 －7.

[3]李进禄.精密单点定位技术应用浅析[J].测绘与空间地理信息，2009，32(3):180 －182.

[4]史子乐.利用联测IGS跟踪站方法提高GPS控制网起算数据精度[J].北京测绘，2008(3):26 －29.

[5]张锐.坐标转换中大地高对平面坐标和高程的影响[J].测绘工程，2005，14(4):58 －60.

Analysis of the Sources of WGS-84Origin Point Coordinate ofGPS Network

KANG Shi-ying，YANG Chun-hua
(Jiangsu East China Geological Survey(Group)Co.，Ltd，Nanjing Jiangsu 210007，China)

GPS control network in the implementation of the unconstrained adjustment requires a more superior precise point with WGS-84 coordinates，and solution WGS-84 coordinate system and local coordinate system transformation parameters requires multiple control points，and has two sets of coordinate systems，too.This article describes the various ways and methods to obtain the origin points'WGS-84 coordinates of theGPS network，analyzes and compares the impact of positioning accuracy between Ultra-fast and final ephemeris.By calculation on instance data and precision analysis，the paper abstracted some relevant conclusions which are useful references for the practical application of the engineering.

GPS network;long baseline;point positioning;WGS-84 coordinate system;coordinate transformation;ultra-speed ephemeris;broadcast ephemeris;final ephemeris

P 228.4

A

1007－9394(2012)02－0004－04

2011－10－19

康世英(1974～)，男，甘肃陇西人，高级工程师，现主要从事地勘测绘生产管理方面的工作。