基于HiCORS的高速公路高等级控制测量及精度分析

郑 亮，王 晶，廖 佳，李圣明，李 林

（1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056；2.宁波市测绘设计研究院，浙江 宁波 315042）

近年来， CORS在我国得到了广泛的应用与推广，CORS站逐渐取代传统的高等级GPS控制点，成为区域高精度坐标参考框架的主要维持手段[1]。在公路勘测中，主要使用CORS进行网络RTK作业，快速采集地形特征点、线或进行施工放样[2,3]，而利用CORS进行高等级控制测量的应用案例还不多。本文结合海南中线高速公路勘测实例，介绍了HiCORS数据在高等级控制测量中的后处理方法，对基线解算和平差成果的精度进行了分析。

1 技术方案

海南中线琼中-五指山-三亚（乐东）段高速公路（K120+000至K247+329）是海南省“十二五”期间重点公路建设项目。依据《公路勘测规范》[4]和设计施工要求，全线建立四等平面及高程控制网，其中GPS平面控制网采用2000国家大地坐标系统，并提供海南白沙独立坐标系统和海南海口独立坐标系统成果。

按照“分级布网，逐级控制”的原则，沿线均匀布设三等GPS控制点18个；三等GPS控制点之间，平均每5 km布设一对相互通视的四等GPS控制点；四等GPS控制点之间加密一级GPS导线点，平均点间距约500 m。以上18个三等GPS控制点构成四等平面控制网的框架网，并作为四等控制网的起算点。

GPS提供的是WGS84大地坐标或空间直角坐标，为了减少局部区域投影变形，工程测量一般采用地方独立坐标，即需要将WGS84坐标转换为地方独立坐标。数据后处理要解决2个问题：①WGS84→CGCS2000；②WGS84→海南地方坐标系。目前HiCORS在运行的基准站有13个，基准站间距在50～70 km，已向用户提供CGCS2000坐标服务。根据海南中线高速公路线位，利用乐东站、崖城站、白沙站、琼中站、五指山站共5个HiCORS基准站与GPS框架网构成联测网（如图1所示），并作为GPS框架网的基准，参与GPS框架网的数据处理，实现WGS84向CGCS2000的转换。对于第二个问题，由于存在保密参数的制约，无法得到海南地方坐标系统的转换参数，但是通过海南省测绘地理信息局提供的坐标转换服务[5,6]，可将CGCS2000转换到地方坐标成果。因此，问题的关键在于解算GPS框架网在CGCS2000下的控制点成果。

2 数据整理

HiCORS基线解算处理采用GAMIT。GAMIT具有解算精度高、自动化处理程度高等优点[7]。GAMIT使用的观测数据为 RINEX格式，需要将GPS观测数据进行转换，并将天线高归算至天线相位中心。

由于GAMIT软件是以d为单位，数据整理时，将所有的该时段观测数据（包括O文件和N文件）放在一起，并进行以下数据正确性检验：

1）点号一致性与正确性：核实文件名中的点号和观测文件中点号的一致性与正确性。

2）接收机与天线型号的正确性：根据GAMIT软件对接收机与天线型号的要求，核实型号的正确性。

3）数据标准化：使用随机软件标准化，形成观测数据文件sitedays.yyo和广播星历文件sitedays.yyn，其中site为点位编码，day为年积日，s为观测时段号，yy为观测年号，o为观测数据，n为广播星历。文件名为小写。

4）数据归类：建立工程总目录，然后按照时段号建立子目录，将同一时段不同测站的RINEX数据拷贝至子目录下。

5）数据准备：下载所选取HiCORS基准站的同步观测数据和IGS提供的快速精密星历。

3 基站控制网数据处理

3.1 基线解算

正确修正观测数据中的跳周和删除大残差观测值的数据编辑是GPS数据处理中的主要工作。数据编辑采用GAMIT软件里的AUTCLN模块自动运行。数据编辑工作完成后，生成干净的观测数据文件（X-文件），用于每时段基线的解算。求解的基线向量全部为双差固定解。

1）先验坐标获取。先验坐标采用差分的办法获得，即以HiCORS站为基准站进行差分，求得GPS观测站的先验坐标。

2）同步环闭合差。GPS同步环闭合差可反映一个同步环数据质量的好坏。GAMIT软件基线解算采用的是网解，因此同步环闭合差在基线解算时已经进行了分配。对于GAMIT软件基线解算的同步环检核，可以把基线结果的Nrms值作为同步环质量好坏的一个指标，Nrms经验值应小于0.25。框架网基线解算同步环精度如表1所示，表1中Nrms值均小于0.25，说明基线解算时周跳基本剔除。

3）重复基线。各时段向量的重复性反映了基线解的内部精度，是衡量基线解质量的一个重要指标。其定义为：

式中，n为同一基线的观测时段总数；Ci为一个时段基线分量或边长；σ2Ci为i时段相应的Ci分量的方差；Cm为各时段的加权平均值。

同一基线和其各分量不同时段的较差应满足:

框架网基线解算共统计了30条重复基线，如表2所示。框架网相邻点基线长的重复性优于±12.6 mm，重复性均在规范限差内，说明基线解的内部精度十分可靠。

表1 框架网同步环Nrms统计表

表2 控制网基线重复性统计

4）异步环闭合差检核。在科傻GPS数据处理系统中共统计了66个异步环，且都通过了质量检核，其坐标分量闭合差、长度闭合差全部满足规范要求。其中平均闭合环精度为0.11×10-6，最弱闭合环精度为0.35×10-6。最弱的闭合环为LEDO→BAIS→G426→LEDO，此闭合环的总长度为123 586.798 m，全长闭合差为0.043 m（限差为±0.373 m）。可见，框架网基线解算质量十分可靠。

3.2 网平差

1）平差原则。网平差采用武汉大学开发的科傻GPS数据处理软件。在CGCS2000坐标系（参考框架为ITRF97，参考历元为2000.0）下，约束乐东站（LEDO）和崖城站（YACH）两个HiCORS基准站，进行三维约束平差，求出框架网点的CGCS2000坐标。

2） 无约束平差。三维无约束平差以乐东站（LEDO）作为固定点。平差后，最弱点G463点位中误差为0.023 m；最弱边G465→G466相对精度为10.01×10-6（1/100 000），其基线长度为499.716 m。可见，控制网的内符合精度很高。

3） 约束平差。完成无约束平差后，以乐东站（LEDO）和崖城站（YACH）两个HiCORS基准站为已知点，采用CGCS2000坐标系进行约束平差，平差后的点位精度如表3所示。

表3 控制网平差后点位精度表

3.3 精度分析

《公路勘测规范》规定，各等级平面控制网最弱点位中误差不得大于±5 cm；三等平面控制测量精度中，最弱相邻点边长相对中误差不得大于1/70 000。约束平差最弱点G463点位中误差为0.034 m；平差后最弱边 G459→G460相对精度为 11.23×10-6（1/89 000），其基线长度为419.970 m，完全满足规范要求。

海南中线高速公路项目四等平面控制网布设GPS控制点64个，以框架网中的18个三等点作为平面起算数据，平差后最弱点点位中误差为±2.78 cm，最弱边相对边长中误差为1/41 000，优于规范要求的±5.0 cm和1/35 000，满足后续设计与施工要求。

4 结 语

将HiCORS基准站应用于控制网测量有以下技术优势：①GPS控制网和HiCORS基准站构成联测网，经过数据后处理，精度可以达到三等GPS平面精度要求；②HiCORS可以为各等级控制网提供全天候不间断的起算基准，用户根据基准站分布下载同步观测数据即可进行基线解算和网平差；③HiCORS为GPS基线解算提供了高精度的起算坐标，确保解算结果的可靠性；④控制网不需要联测已知点，相对于常规GPS静态测量，工作效率可提高30%；⑤HiCORS可提供全省一致的坐标参考框架，适合于公路带状控制网大范围、跨区域的协同作业。

[1]刘鸿飞,姜卫平.CGCS2000框架下区域CORS站数据联合处理[J].武汉大学学报:信息科学版,2014,39(2):161-165

[2]宋雅楠.CORS技术在公路工程中应用前景展望[J].辽东学院学报:自然科学版,2010,17(2):116-119

[3]郁连云.CORS站在高速公路测量中的应用研究[J].科技资讯,2012(26):30-31

[4]JTG C10-2007.公路勘测规范[S].

[5]麦照秋,欧小善,陈玉莹,等.基于HiCORS的实时在线坐标转换关键技术的探讨[J].测绘通报,2012(6):1-3

[6]麦照秋,陈玉莹,欧小善.格网法在CORS系统坐标转换中的应用研究[J].测绘通报,2013(11):55-57

[7]孙建,王勇.GAMIT在工程测量方面的使用技巧[J].矿山测量,2006(1):56-58