基于连续运行基准站的首级控制网改造数据处理

王林

(合肥市测绘设计研究院，安徽 合肥 230061)

1 引 言

合肥市首级控制网[1]由合肥CORS系统和似大地水准面精化网组成，其中合肥CORS系统由5座基准站组成，使用Topcon Odyssey-RS双星接收机和CR-3扼流圈天线，于2007年建成并投入使用；似大地水准面精化网于2009年建成，55个基本控制点按照C级网[2]布设并联测二等水准高程。

2011年合肥市行政区划调整(如图1)，目前合肥市首级平面控制网面临覆盖范围不足、参考站接收机受周翻跳事件影响无法使用、部分参考站站址不适合继续使用和基本控制点破坏严重等问题，升级改造势在必行。升级改造的目标是基于高等级GNSS基准站网，使用卫星定位技术建立覆盖市域的城市首级平面控制网(简称HFGNSS控制网，如图1所示)，由全球导航卫星系统连续运行基准站网[3](HFGNSS基准站网)和基本控制网组成，其中HFGNSS基准站网包括17座基准站，基本控制网包括37个基本控制点，按照“一次布设，同步联测，分级平差”的原则完成。

数据处理是控制网建设的核心环节，很多文献进行过探讨，如文献[4]探讨框架网与基本网，文献[5]探讨基线重复性、文献[6]探讨基线解算质量评价、文献[7]探讨分级平差精度、文献[8]探讨起算点影响、文献[9]探讨GAMIT与TBS混合基线平差算法分析、文献[9]探讨GAMIT在省级基准站解算中的应用。

图1 HFGNSS控制网点位示意图

2 数据处理过程

2.1 观测数据整理与分析

(1)观测数据概况

外业观测采用基于连续运行基准站的模式进行，主要指标如表1所示。

HFGNSS控制网外业观测一览表 表1

(2)观测数据预处理

标准化观测数据文件SITEDAYS.YYO和导航电文文件SITEDAYS.YYN，将观测数据按年积日及观测时段整理为rinex格式，进行正确性检验，包括接收机与天线型号的正确性、天线高的正确性、年积日的一致性、天线高的归算、收集周边国际和国家基准站(如图2所示)。

图2 IGS站、国家站和HFGNSS控制网分布图

(3)观测数据质量分析

在数据质量分析前，首先对开关机时间、时段长度、连续性等指标进行检查，剔除无效观测时段，将短时间断开的观测数据进行合并。在此基础上使用TEQC对观测数据进行质量检查，包括数据有效利用率、多路径效应mp1和mp2等进行统计分析。

①HFGNSS基准站网观测数据质量分析

对17座HFGNSS基准站网观测数据的有效利用率和多路径效应进行分析统计(图3)，可以看出各基准站数据有效利用率大于95%的约占97.3%，各点多路径效应mp1值、mp2值均较小，其中mp1值小于 0.5 m的约占90.4%，mp2值小于 0.5 m的约占92.8%。

图3 HFGNSS基准站网观测数据质量分析统计图

②基本控制网观测数据质量分析

对37个基本控制点观测数据的有效利用率和多路径效应进行分析统计(如图4所示)，可以看出各点数据有效利用率大于90%的约占92.4%，各点多路径效应mp1值、mp2值均较小，其中mp1值小于 0.5 m的约占64.9%，mp2值小于 0.5 m的约占70.3%。经核实，部分点由于自然环境因素如被树木包围或距离房屋、围墙等物体较近等，从而导致其观测数据的多路径效应mp1值、mp2值较大。

图4 基本控制网观测数据质量分析统计图

2.2 起算基准站分析

起算基准站选取应满足：①连续性原则：测站在近3年连续观测；②稳定性原则：站点坐标时序稳定性好，坐标成果变化小；③平衡性原则：站点尽量均匀分布。

(1)起算基准站坐标变化分析

利用收集的中国及附近区域的BJFS、DAEJ、WUHN、TWTF 4个IGS站数据作为已知点，解算起算基准站AHBB、AHAQ、ZJJD、HAQS、JSLS的坐标，将计算结果与2019年“现代测绘基准维持与服务全国卫星导航定位基准站网平差”项目CGCS2000成果进行比较(如表2)，可看出5个起算基准站的坐标变化量较小。

起算基准站坐标变化差异 表2

(2)起算基准站时间序列分析

收集五个国家基准站年积日162～192共31天的观测数据，对起算基准站进行时间序列分析，从时间序列残差图可看出：选取的5个国家基准站在N、E、U三个方向的稳定度高，在平面上与垂直方向上变化量小，且无明显的跳变。

综合以上坐标变化和时间序列分析可得，起算基准站稳定可靠且分布均匀。

2.3 基线解算

基线结算时先验坐标通过基准站差分获得，卫星轨道使用IGS精密星历，对流层改正采用Saastamoinen模型，解算模式选择周跳自动修复技术。

(1)基准站选择

第一步以HAQS、AHBB、JSLS、ZJJD、AHAQ五座国家基准站和一座IGS站(WUHN)作为起算，解算HFGNSS基准站网基线(如图5所示)。

图5 HFGNSS基准站网解算示意图

第二步以HAQS、AHBB、JSLS、AHAQ四座国家基准站和七座HFGNSS基准站作为起算，解算基本控制网基线(如图6所示)。

图6 HFGNSS基本控制网解算示意图

(2)同步环Nrms值统计

以GPS Day(年积日)为单位进行基线解算并统计标准均方根Nrms(表3)，从表中可以看出Nrms均小于0.2周，表明基线解算时周跳基本剔除干净。

HFGNSS控制网Nrms统计表 表3

2.4 基线重复性统计

对HFGNSS基准站网进行基线重复性和整网重复精度统计如表4、表5所示，可以看出基线重复性良好，整网重复精度较高。

HFGNSS基准站网基线重复性统计表 表4

HFGNSS基准站网基线重复性直线拟合结果统计表 表5

2.5 平差计算

与基线解算一致，平差计算遵循“分级平差”的原则，第一步以HAQS、AHBB、JSLS、ZJJD、AHAQ五座国家基准站和一座IGS站(WUHN)作为起算做三维约束平差获得HFGNSS基准站网的CGCS2000成果，第二步以上一步获取的HFGNSS基准站做约束平差获取基本控制网的CGCS2000成果。

3 精度分析

3.1 精度评定

HFGNSS控制网坐标精度和基线精度统计如表6和表7所示，结果表明HFGNSS控制网精度可以达到B级网的精度，为后续扩展奠定良好基础。

HFGNSS控制网坐标精度统计表 表6

HFGNSS控制网基线精度统计表 表7

(1)HFGNSS基准站网南北分量的中误差平均值为 ±0.2 mm，最大值为 ±0.6 mm；东西分量的中误差平均值为 ±0.2 mm，最大值为 ±0.6 mm；高程分量的中误差平均值为 ±1.0 mm，最大值为 ±2.5 mm；基线相对中误差平均值3.89×10-9，最大值7.62×10-9。

(2)基本控制网南北分量的中误差平均值为 ±1.6 mm，最大值为 ±2.7 mm；东西分量的中误差平均值为 ±1.7 mm，最大值为 ±3.3 mm；高程分量的中误差平均值为 ±8.1 mm，最大值为 ±15.0 mm；基线相对中误差平均值4.47×10-8，最大值为2.76×10-7。

3.2 新旧成果比较

HFGNSS控制网与2009年合肥市似大地水准面精化网有7个重合点，新旧成果比较得出：平面最大差值 1.2 cm，大地高最大差值 4.7 cm，表明HFGNSS成果可靠且稳定。

4 结 语

随着我国各级基准站网的建设，无论是城市首级控制网改造或复测还是常规的工程控制网，基于连续运行参考站的模式得到普及与应用，本文介绍的数据处理与分析方法可以为同类测绘工程项目提供参考。