惠州市高精度三维GPS控制网的建立与数据处理

敖 军

（1.广东省国土资源测绘院，广东 广州 510500）

惠州市高精度三维GPS控制网的建立与数据处理

敖 军1

（1.广东省国土资源测绘院，广东 广州 510500）

介绍了惠州市高精度三维GPS控制网的概况，讨论了利用GAMIT软件处理控制网的基线解算方案和利用GLOBK软件进行网平差的方案。统计分析了基线中各分量的精度、同步观测环闭合差、异步观测环闭合差、复测基线的长度差以及网平差后的点位精度。结果表明，该网能够满足相关规范与设计要求。

高精度GPS控制网；基线解算；网平差；GAMIT/GLOBK

由于历史、技术原因，整个惠州市测绘基准不统一，惠州市三县四区以及市直各相关部门一直沿用各自的测绘基准，导致相关基础地理信息数据难以统一和共享使用，造成项目重复建设和资源浪费，也给各部门间数据共享带来了不便。根据《惠州市基础测绘中长期规划（2010-2020）》的要求，为了提高现有测绘体系的精度，实现惠州市统一测绘基准，在全惠州市范围内建立高精度的三维控制网已迫在眉睫[1]。本文详细探讨了惠州市高精度三维GPS控制网的建立与数据解算。

1 控制网概况

惠州市高精度GPS控制网建设内容包括CORS网、框架网（GPS-B级网）和基本网（GPS-C级网）。

CORS网由惠州市境内已建成的10个CORS站和周边的8个CORS站组成。已建成的18个CORS站在西北部分布较密，东南部较稀疏，平均边长约为40 km[2]。框架网由全市范围内12个新布设的框架点构成，通过这些点，可以更好地控制东部山区与南部沿海区域，提高控制网整体精度。以高精度GPS框架点为基础，在全市范围内均匀布设203个基本点构成基本网。

GPS框架网采用12台GPS接收机同时进行观测，观测过程中CORS站点正常运行，并得到同步观测数据。观测时GPS接收机连续观测3个时段，每个时段23 h。基本网的同步图形之间采用边连式GPS网，用8 台GPS接收机同步观测，每个时段16 h[3]。

2 控制网基线处理

本次惠州市高精度GPS控制网基线处理采用GAMIT（Ver 10.5）软件，该软件处理双差观测值时采用最小二乘算法进行参数估算，可以确定地面站的三维坐标和空中飞行物定轨，在利用精密星历的情况下基线解算精度可以达到10-9，是目前最出色的GPS软件之一，我国A、B级GPS网的基线解算也是采用该软件处理[4]。

基线处理时首先处理CORS网基线，然后处理框架网（B级网）基线，最后处理基本网（C级网）基线。因为采用IGS精密星历，CORS网的处理的轨道精度达到了0.05 m[5]。为提高CORS网精度，引入了USUD、BJFS、WUHN、LHAZ、URUM、KIT3、TNML、POL2、SHAO、SUWN共10个全球跟踪站，并在控制网基线解算时将这些国际永久跟踪站作为约束条件[6-7]。

框架网、基本网的基线处理方法与CORS网的处理方法大致相同，不同之处在于框架网和基本网的起算点坐标为CORS网坐标；框架网的历元间隔为30 s，基本网的历元间隔为20 s，都不处理卫星轨道误差。

2.1 基线解算的主要模型和参数

基线求解时，需要考虑以下因素：

1）卫星时钟误差模型修正（用广播星历中的时钟误差参数）；

2）接收机时钟误差模型修正（伪距观测计算的时钟误差）；

3）用LC观测值来消除电离层折射的影响；

4）改正对流层折射用标准大气模型——Saastamoinen模型，每隔2 h采用分段线性方法估计折射率偏差参数；

5）GPS接收机天线相位中心的改正，卫星和接收机天线相位中心偏差L1、L2利用GAMIT软件设置；

6）测站坐标的潮汐改正。

7）松弛IGS轨道，处理卫星轨道误差[8-9]。

2.2 基线解算流程

GAMIT解算功能的主要模块包括ARC、MODEL、SINCLN、DBCLN、CVIEW、CFMRG、SOLVE，各模块的作用分别为轨道积分、观测方程的组建、单次差分修复周跳、双差分修复周跳、人机交互式修复周跳、创建SOLVE模块需要的文件、根据双差观测值求取参数。观测数据质量是保证基线解算精度和可靠性的关键，因此，在用GAMIT软件处理时，修正观测数据的周跳和删除大残差观测值是GPS数据处理的重要工作。质量较好的数据采用AUTCLN模块自动编辑，质量较差的数据采用CVIEW模块手工编辑[8]。数据编辑完成后，生成观测数据文件（X-文件），然后再用这些文件生成观测方程，计算基线，从而得到各时间段的解。

2.3 基线检核与结果分析

基线解算质量检查的内容包括分析基线中各分量的精度、同步观测环的闭合差、异步观测环的闭合差以及复测基线的长度差[10-11]。

2.3.1 同步环检核

同步环闭合差应满足：

式中，a 表示固定误差，单位为mm；b 表示比例误差系数，单位为mm/km；s 表示实际平均边长，单位为km；n 表示闭合环边数。

GAMIT在基线解算时同步观测环的闭合差已经进行了分配（GAMIT采用的是全组合解）。对同步环进行检核时，NRMS值是判定其精度的一个依据，一般要求NRMS值小于0.3，不能大于0.5。

在本次惠州市高精度GPS控制网的同步环检核中, CORS网计算了9个同步时段，NRMS值全部小于0.3；B级网计算了3个同步时段，NRMS值全部小于0.3；C级网计算了85个同步时段，其中有66个NRMS值小于0.3，18个介于0.3与0.4之间，只有1个大于0.4，为0.475。这表明，GPS控制网的外业观测数据和基线解算的精度都较高[12]。

2.3.2 异步环检核

在GPS网中，必须保证有足够数量的异步环才能确保观测成果的可靠性并有效地发现观测值的粗差。与同步环闭合差相比，异步环闭合差对最终数据的精度和成果质量更为重要。异步环闭合差应满足：

本次惠州市高精度GPS控制网共检核异步环669个，其中，具有最大相对异步环闭合差的环为C123→C141（0006）C123→ C146（0006）C141→C146（0029），其相对精度为0.668 ppm，X分量的闭合差为0.008 7 m，Y分量的闭合差为-0.0256 m，Z分量的闭合差为-0.007 5 m，位置的闭合差为0.028 m，而分量的限差为0.154 m，位置的限差为0.267 m。由此可见，所有的异步环均满足规范要求[10]。

2.3.3 重复基线检核

重复基线就是不同观测时段对同一条基线的观测结果，重复基线检核可以检查在不同时段同一基线的观测质量，从而剔除粗差。其定义为：

式中，ci是各时段解基线的各分量是相应分量的协方差；为相应基线分量的加权平均值；R为相应的重复性。

CORS网的重复精度应达到10-8，B、C级网重复基线的长度较差应小于σ，其中σ代表规范GB/T 18314-2009定义的B、C级网的精度。

表1 基线向量重复性统计表

经分析得出基线处理的精度满足相关规范和设计的要求[10]。

3 GPS网平差

3.1 平差的软件与坐标基准

网平差采用GLOBK软件。GLOBK的主要作用是对基线解算后的初步处理结果进行后期处理[8]。

本次惠州市高精度GPS三维控制网在ITRF坐标框架下的三维平差基准站有二套，一套为BLGT、CHGT、GDHD、GDLM、GDZJ、GTGT、HYGT、HZGT、ZCHE、TXZH、SWGT 共11个CORS站，采用CGCS2000坐标系，坐标框架为ITRF97，历元为2000.0[13]；另一套为BLGT、CHGT、GDHD、GDLM、GDZJ、GTGT、HYGT、HZGT、ZCHE、ADGT、HZHY、HZHZ、TCGT、YHGT共14个CORS站，坐标框架为GDCORS。

3.2 平差采用的观测量

平差时采用GAMIT软件输出的H-file（包括坐标和坐标之间的全协方差阵）作为观测量。其中CORS网有9个H-file，B级网有3个H-file，C级网有85个H-file。

3.3 ITRF坐标框架下的三维无约束平差

三维无约束平差的目的有3个，一是判断是否存在粗差基线；二是调整各基线观测值的权；三是确定各点在坐标系下的相对位置关系[14]。

经检验发现，GTGT和GDHD两点的高程方向与其他站点不兼容，差4～5cm，因此，这2个点不作为框架转化的基准点，仅作出约束。

3.4 ITRF坐标框架下的三维约束平差

约束整体平差的目的是将CORS网、框架网和基本网作整体平差。将CORS网、框架网、基本网所有解算之后的基线和调整之后的协方差阵作为观测量，消除各种误差，如星历误差等引起的控制网在位置和尺度上的偏差。平差完成之后进行结果质量分析，评估控制网的整体精度。

表2 CORS网点位中误差/m

表3 框架网点位中误差/m

表4 基本网点位中误差/m

通过上述精度统计可知，B级、C级网在ITRF坐标框架下的转换精度指标良好，成果满足设计要求。

4 结果分析

通过对惠州市GPS控制网的布设、施测、数据处理等内容的探讨，总结如下：

1）GPS控制点布设满足观测条件，控制网结构合理，采用网形连接，能够满足所需的精度要求。

2）GPS控制网的基线解算和平差计算分别采用GAMIT软件和GLOBK软件，数据处理过程正确，模型运用严谨，方法恰当。数据处理中，结合多种数据处理方法，成果精度较高。

3）CORS网基线分量重复性在南北方向上为0.18 mm+0.31×10-8，在东西方向上为 0.95 mm+0.26×10-8，垂直方向上为2.03 mm+0.39×10-8，基线长度方向上为0.81 mm+0.16×10-8；B级网基线分量重复性在南北方向上为0.67 mm+0.1×10-8，在东西方向上为0.84 mm+0.05×10-8，垂直方向上为1.89 mm+0.94×10-8基线长度方向上为0.75 mm+0.22×10-8；C级网基线分量重复性在南北方向上为0.86 mm+0.79×10-8，在东西方向上为1.02 mm+1.35×10-8，垂直方向为5.00 mm+6.39×10-8，基线长度方向上为0.99 mm+1.43×10-8。基线处理精度达到了相关规范和设计的要求。

4）三维约束平差到CGCS2000框架基准下CORS网坐标分量在X方向上的平均精度为0.000 4 m，在Y方向上的平均精度为0.000 7 m，在Z方向的平均精度为0.000 4 m；B级网点坐标分量在X方向上的平均精度为0.001 0 m，在Y方向上的平均精度为0.002 1 m，在Z方向的平均精度为0.001 1 m；C级网点坐标分量在X方向上的平均精度为0.001 4 m，在Y方向上的平均精度为0.002 9 m，在Z方向的平均精度为0.001 5 m。

5）三维约束平差到GDCORS框架基准下CORS网坐标分量在X方向上的平均精度为0.000 4 m，在Y方向上的平均精度为0.000 7 m，在Z方向的平均精度为0.000 4 m；B级网点坐标分量在X方向上的平均精度为0.001 0 m，在Y方向上的平均精度为0.002 1 m，在Z方向的平均精度为0.001 1 m；C级网点坐标分量在X方向上的平均精度为0.001 4 m，在Y方向上的平均精度为0.002 9 m，在Z方向的平均精度为0.001 5 m。

6）GPS网的三维约束平差结果建立了该地区在CGCS2000框架及GDCORS框架下的三维大地坐标基准，其中CGCS2000框架下的三维大地坐标基准与ITRF97框架（2000历元）的基准一致。

5 结 语

高精度控制点坐标为惠州市基础测绘基准的最终建立打下了坚实的基础，也可为惠州市高分辨率高精度似大地水准面模型的建立提供有力的数据支撑。

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1672-4623（2016）10-0067-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.10.019

敖军，工程师，主要从事大地测量的工作及研究。

2016-06-30。