南山并置站本地连接测量GPS控制网数据精度分析

张阿丽，熊福文，朱文耀

(1.中国科学院新疆天文台，新疆乌鲁木齐830011;2.上海市地质调查研究院，上海200072;3.中国科学院上海天文台，上海200030)

一、引 言

地球及其周围环境是一个不稳定系统，研究地球的整体运动(地球在空间平动和转动)和地球的局部运动(岩石圈板块运动、地壳各种地质地球物理因素引起的地壳形变和空间环境变化等)，必须要有一个固连于地球的地球参考系。

地球参考框架是地球参考系的具体实现和应用形式，对多种技术观测结果的综合利用是获得可靠的高精度、高时间稳定性，以及独立于任何观测技术的地球参考框架的必然途径，这就必然要求多种技术在观测台站实现并置。国际地球参考框架(ITRF)是对 VLBI、SLR、GPS、DORIS 等多种空间大地测量技术所实现的地球参考框架的综合。进行这种综合的基本约束参数是在多技术并置站获得不同技术参考点之间的三维坐标差，即本地连接参数。

测站参考点通常指主转动轴与从属轴所在平面的交点，位于设备内部，并非一个具体可以观测的物理参考点。为监测它在ITRF中的变化，一般通过常规大地测量建立参考点和测控点间的位置关系，通过GPS测量获得测控点在ITRF下的坐标，再经坐标转换最终得到参考点在ITRF中的坐标。由此可见，GPS测量资料的归算精度及其与常规大地测量结果之间转换参数的求解精度将直接影响本地连接参数的测量精度。

新疆天文台同时拥有GPS与VLBI空间大地测量技术(如图1所示)，技术多且观测资料时段长，是国际、国内VLBI观测网与GPS观测网的重要观测台站之一。但南山观测站一直以来都缺少高精度的本地连接，可以说是国际、国内并置站的一大缺憾。鉴于此，2011年8月笔者所在单位首次对南山观测站开展了GPS与VLBI本地连接测量，目的是研究新疆天文台VLBI、GPS观测并置站本地连接关系，开展对南山测站参考点的监测，进而研究测站中长期运动。

图1 南山观测站GPS与VLBI分布示意图

二、控制网的布设与观测

在测量工作中，为控制测量误差的传递与积累，保证必要的测量精度，必须首先在全测区范围内选定一些控制点构成一定的几何图形，用精密的测量仪器和精确的测算方法在统一的坐标系统中确定它们的平面位置和高程，再以这些控制点为基础，测算其他点的位置，这就将控制测量工作分为平面控制测量和高程控制测量两种。

新疆天文台南山观测站空间大地测量技术的本地连接参数的测量精度要求控制在毫米级，而整个本地连接过程包括GPS主控网观测、局域三角网观测、空间方向交会和几何旋转中心曲线拟合计算4个部分。GPS控制网的测量是本次本地连接测量的关键点之一。

相对于传统控制测量来说，GPS技术应用于控制测量的优点如下：

1)GPS控制网选点灵活，布网方便，基本不受通视、网形的限制，特别是在地形复杂的测区更显其优越性。

2)GPS测量精度高。一般双频GPS接收机基线解精度为5 mm+1×10－6D，而红外测距仪标称精度为5 mm+5×10－6D，GPS测量精度与红外测距仪相当，但随着距离的增长，GPS测量的优越性愈加突出。

1.控制网点的分布

工程控制网的布设原则和大地控制网是一致的，但也有一些区别。因为不同的工程有不同的要求，其控制网也就有轻微的差别。一般工程控制网点不需要均匀分布，而是按其需要进行布点。但本地连接所需要的地面GPS控制网由于要考虑本地连接的常规测量网，因此在布点时应根据需要确定点位的位置，并考虑其图形结构。

南山观测站高精度GPS控制网布设采用“基于GPS连续运行基准站”的布设方法，与国际IGS网基准站联测，引入GPS起算基准，采用高精度GPS基线解算方法建立工程控制网的绝对基准。建立高精度工程控制网是确保获得多技术并置站毫米级本地连接参数的基础。

为了获取南山高精度本地连接参数，根据观测角度和控制网图形强度的要求，同时为了保证GPS网的可靠性，在南山观测站经现场踏勘，用混凝土现场浇灌并建立了永久性的观测基墩5个(见图2中点 0001、0002、0003、0004、0005)，并且两两通视，基墩上方中心处安置了强制归心装置，组成了包括GUAO CORS站在内共计6个控制点的GPS控制网。图2中“GPS”所示位置为国际GPS服务(IGS)基准站(GUAO)。

2.GPS测量

(1)技术要求

在南山观测站GPS控制网的5个(0001、0002、0003、0004、0005)观测基墩上，同时安置 5台双频GPS接收机，连同GUAO站共6台双频GPS接收机，按照《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T 18314—2009)B级网技术要求连续观测。

1)观测仪器。使用5台Ashtech Z-Surveyor双频接收机(配备扼流圈天线)同步观测，精度为3 mm+1×10－6D。扼流圈天线是目前精度最高的GPS天线，中间的涡流状结构有效地阻止了多路径效应等干扰信号，提高了GPS信号的接收品质，从而保证了原始数据的可靠性。

2)观测技术要求。作业时的主要技术要求如下：观测卫星高度角≥15°;有效观测卫星数≥5;时段长度24 h;时段数≥3;数据采样间隔30 s。

(2)测量实施

于2011年8月31日 9∶24—9月6日2∶53(相当于年积日DOY243—DOY249)进行了连续观测，观测时间见表1。统一型号的扼流圈天线和同步连续观测，为良好的GPS观测成果打下了坚实的基础。

三、GPS数据处理与精度分析

1.基线处理

进行三维无约束平差及约束平差前要进行基线向量解算。对于一组具有一个共同端点的同步观测基线来说，由于在进行基线解算时用到了一部分相同的观测数据，数据中的误差将同时影响这些基线向量。因此，它们之间应存在固有的统计相关性，在进行基线解算时应考虑这种相关性，并通过基线向量估值的方差-协方差阵加以体现，从而能最终应用于后续的网平差。

图2 GPS控制网示意图

南山站GPS控制网数据处理时采用多基线解，选取南山GPS观测站GUAO站作为起算基准。基线处理采用麻省理工学院GAMIT 10.4版软件，采用SP3格式IGS精密星历，在Sittbl文件中不固定任何点，只是给GUAO站较强的约束值，处理5个本地连接点和GUAOCORS站GPS数据及气象数据。按照年积日分别计算出243—249单日基线解。

目前，国际上常用的GPS数据处理软件有美国麻省理工学院等单位研制的GAMIT、瑞士伯尔尼天文研究所研制的Bernese、美国宇航局喷气式推进实验室研制的GIPSY［1］等。利用精密星历，在参考站坐标精确已知的情况下，GAMIT解算基线的相对精度可达10－9，其源代码开放，用户可以根据需要进行源程序修改。鉴于南山25 m天线周围GPS观测采用了双频接收机，且距离测控点150 m内的GUAO坐标精确已知，可作为参考站，与5个测控点组成了超短基线网。若利用GAMIT并采用双差固定解，可以有效地减弱卫星轨道误差、卫星钟差、接收机钟差，以及电离层和对流层延迟误差等影响，因此南山GPS测控网选用了GAMIT软件进行GPS资料归算。

2.GPS网平差

在GPS网的数据处理过程中基线解算所得到的基线向量仅能确定GPS网的几何形状，却无法提供最终确定控制网中点的绝对坐标所必需的绝对位置基准。在GPS网平差中，通过起算点坐标可以达到引入绝对基准的目的。通常，无法通过某个单一类型的网平差过程来达到目的，而必须分阶段采用不同类型的网平差方法。

南山站GPS控制网平差采用GPS_NET软件(同济大学)，固定 GUAO站在 ITRF2008框架下2 011.660 27(2011.8.30 日)历元的坐标(见表2)，对整网进行平差，平差后 0001、0002、0003、0004 四个点的X、Y、Z坐标精度达0.4 mm，只有0005点的坐标精度稍差一些，为0.5 mm。本地连接控制点空间坐标及网平差精度见表3、表4。

表2 GUAO站在ITRF2008框架下2011.66027历元坐标 m

表3 本地连接控制点在ITRF2008框架下2 011.660 27历元坐标 m

表4 GPS控制网平差效果

为了检测和衡量GPS测量的精度，采取了统计单日解N、E、U 3个方向分量重复性的方法，以避免控制网平差时控制点带入的起算基准误差，基线三维分量的重复性直接反映了基线两个端点之间的相对精度，若其中的一个点视为稳定的不动点，其相对精度值即可看做是另外一点的精度。

《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T 18314—2009)中重复性定义为

式中，n为同一基线的观测时段总数;Ci为同一观测时段的基线的某一坐标分量或边长;为Ci分量相应的方差;Cm为各时段Ci的加权平均值。

根据式(1)，对DOY243—249间共计7 d的基线文件进行统计分析，得出N、E、U 3个方向和长度分量重复性(见表5)。表5表明基线在N、E和长度方向的重复性较高，在0.3～0.4 mm之间;U方向分量重复性稍逊色一点，重复性为1.4 mm。基线相对精度为0.8×10－8，满足《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T 18314—2009)中A级网基线相对精度1×10－8的要求。

表5 GPS控制网基线处理重复性统计表

四、结 论

本文通过对南山站本地连接中GPS控制网布设、观测、数据处理、精度进行分析研究，得出如下结论：

1)在本地连接GPS控制网网形设计中，围绕VLBI天线布设同步GPS观测网是最佳的选择，既便于位于VLBI天线上靶标的交会观测，又有利于GPS控制网、三角网的精度控制。

2)观测中应尽可能采用多台GPS接收机进行同步观测，减少迁站和对中误差、量高误差的影响，对保证GPS控制网精度十分有利。

3)GPS基线处理、网平差、精度分析各阶段应充分发挥国际精密定轨软件、国产严密平差软件的优势和满足测量规范的要求，以满足本地连接测量需要。

4)文中GPS控制网精度达到《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T 18314—2009)中A级网的技术要求，为后期坐标转换、VLBI天线参考点坐标计算奠定了较好的基础。

5)利用GAMIT解算与网平差软件，获得了测控网在ITRF下测控点的高精确坐标，用于局域网与地心坐标系之间的转换，有利于确保南山并置站的高精度本地连接参数的测量精度，同时也为开展测站参考点中长期稳定性的监测与研究创造了良好的基础。

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