基于CORS的高程参考框架的动态监测与维护

摘要：通过InSAR技术对山东省地表形变监测发现，黄三角、鲁西南等地区地表沉降明显，这些地球形变的发生，使测绘基准成果的可靠性变差，严重影响了测绘基准的应用服务。高程参考框架本身也是动态的，开展高程参考框架的动态监测与维护是必要的。通过对CORS站网2015—2019年的连续观测成果进行精细处理，2019年开展对CORS站、B级和C级点、水准点进行二等水准观测，通过2015年、2019年两期水准成果检核CORS站点正常高值，探索出一种基于CORS实现对大地高程参考框架的动态监测与维护的新方法，通过研究还发现，大多数水准点发生了沉降，少数水准点发生了抬升，CORS和水准的数据成果也验证了InSAR对地表形变的监测结果。

关键词：全球定位系统；CORS；高程参考框架；维护；时间序列分析

中图分类号：P228文献标识码：Adoi：10.12128/j.issn.16726979.2023.05.009

引文格式：陈瑞聪，窦庆文，张金盈.基于CORS的高程参考框架的动态监测与维护［J］.山东国土资源，2023，39（5）：5966.CHEN Ruicong， DOU Qingwen， ZHANG Jinying. Dynamic Monitoring and Maintenance of Elevation Reference Framework Based on CORS［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（5）：5966.

0引言

CORS是连续运行GPS定位服务系统（Continuous Operational Reference Stations），是在现代GNSS技术、计算机网络技术、网络化实时定位服务技术和现代移动通讯技术基础之上的大型定位与导航综合服务网络［12］，由GNSS参考站网、控制中心、数据中心、通讯网络、用户应用终端等子系统组成［3］。现代大地坐标框架是动态的或准动态的，对于一个高精度的区域CORS参考框架坐标系必须考虑该坐标系的维持问题，从而保证CORS系统可向用户提供连续、有效服务，因此CORS参考框架的动态监测与维护具有重要意义［4］。利用区域CORS网实现区域坐标参考框架的维持，是当前公认的最经济、最有效的手段［5］。夏传义等多位学者做了基于CORS维持参考框架的研究。区域参考框架一般采用实测时间序列方法来维持［6］，本文通过山东卫星定位连续运行系统即SDCORS站时间序列分析成果获取大地高变化量，最终获得正常高变化量，通过水准检核CORS站正常高变化量精度，开展对大地高程参考框架动态监测与维护的方法研究。

1总体研究流程

山东省陆域面积15.58万km2。结合“黄三角地表形变监测”项目和“鲁西南地表形变监测”项目的监测数据分析，优化布设监测区域、路线，优化选择GPS、CORS站及水准点。开展大地高程参考框架动态监测与维护的研究。

山东省现有二等以上水准路线，为高程参考框架变化监测点位选取和水准路线布设提供依据。选取水准路线成网，路线贯穿InSAR监测发现的主要形变区，同时环线包含非形变区一等基岩水准点和CORS基岩站，选取的CORS站、B级和C级点具有2016年卫星定位观测和水准联测成果。采用二等水准测量对地表形变区内水准点、SDCORS站、B级点和C级点进行联测。利用CORS站时间序列分析成果获取大地高变化量，利用大气等观测资料推算高程异常变化量，求取CORS站点的正常高变化量，利用两期水准资料进行精度验证，实现地表形变区内基于CORS站网的高程参考框架的变化监测。技术流程图如图1所示。

2研究区域地表形变发现

利用InSAR技术2017年8月完成的“黄三角地表形变监测”项目和2018年3月完成的“鲁西南地表形变监测”项目的监测数据分析，结合SDCORS基准站2015—2018年坐标时间序列分析，确定较为明显的主要地表形变区为黄三角和鲁西南地区（图2），主要是：①东营市广饶县、河口区；②聊城市茌平县、临清市；③菏泽市郓城县、东明县、单县等。

3基于CORS站网的高程参考框架动态监测与维护3.1水准数据获取与处理

在基准站观测中，GPS高程观测更容易受到外界噪声的干扰，获得高精度高程需要考虑其周期性变化［7］，基于这点，利用地表形变区内CORS站网连续5年观测，时间周期覆盖前后2次水准网观测的时间周期的数据，获取CORS站点的正常高变化，实现高程参考框架动态监测。2019年二等水准网实测路线37条，构成17个闭合环，共3432.4 km。2015年、2019年水準网均以泰安TAAN主作为起算点进行平差计算，数据加入标尺长度改正、正常水准面不平行改正、重力异常改正、固体潮改正、海潮负荷改正［8］。2019年的水准观测全网合乎规范精度要求，2015年、2019年水准主要精度指标见表1。

3.2CORS站大地高时间序列分析与重构

要想为建立和维持动态地球或区域参考框架提供基础数据，就必须研究造成测站非线性运动的物理机制［5］。采用同样的GPS观测数据，选取不同的参考框架得到的结果往往是有差异的［9］，ITRF是目前公认精度最高、应用最广的参考框架［6］，目前最新的参考框架版本为ITRF2014，于2016年1月21日发布［10］。ITRF2008是目前世界上精度较高的地球参考框架［11］，这次CORS站数据处理参考框架采用ITRF2008。框架站的几何分布会对测站坐标时间序列产生很大影响［12］，在区域内及周边选定10个IGS跟踪站为约束，处理15个CORS站2015—2019年的数据，解算得到CORS站点的单日解，最终获取CORS站点2015—2019年的周解，最终解算得到15个CORS站的三维坐标周解时间序列（N、E、U方向），时间分辨率为7天，时间段为2015年6月1日至2019年7月30日。针对每座CORS站大地高周解时间序列，得到大地高非线性变化时间序列。对时间序列散点进行周期估计，估计得到周期项参数，然后重构大地高非线性变化时间序列。

CORS站点的分布见图3。图4a、图4b为15个CORS站大地高时间序列分析与重构结果。

3.3高程异常变化解算

基准站的位置会发生微小而又复杂的变化，这些变化包含了线性变化和非线性变化［13］。基准站点坐标时间序列分析的结果表明，各种周期性的非线性运动不可忽视，当坐标时间序列跨度小于2.5年时，若不考虑非线性因素可能得到错误的测站线性速度，仅有部分非线性影响因素能够用模型修正，例如潮汐改正、极移改正等［14］。本次研究利用ECMWF全球大气压模型、GLDAS陆地水文模型、AVISO全球海面高数据模型，综合地球负荷形变和地球重力场理论，计算全球负荷模型量，并基于负荷球谐系数模型及区域负荷格林函数的移去恢复方法，计算区域负荷精化量，将二者相加最终得到CORS站点的高程异常变化。

最终推算得到15个CORS站点的高程异常变化时间序列，时间段为2015年1月至2019年8月，时间分辨率为1个月，表2为15个CORS站的总负荷高程异常变化信息统计。

3.4结果验证

根据给定两个时刻的CORS站大地高变化和高程异常变化，即可计算CORS站正常高变化，利用CORS站点大地高变化时间序列和似大地水准面变化时间序列，两者作差得到正常高变化时间序列，即可对CORS站点的历史水准观测正常高进行动态改正。采用2015年和2019年水准成果，对CORS站点的正常高动态改正结果进行检核，检验基于卫星定位的高程参考框架维护精度。

两期水准测量得到了32个CORS站点的正常高变化，获得了15个CORS站点系统观测正常高变化差与水准观测正常高变化差，图5为2015—2019年CORS系统观测正常高与水准观测正常高变化比对柱状图，15个站点覆盖了山东省西北西南地区，约占全省三分之一的面积，两种方法得到的正常高变化差值的最大值为32.3 mm，最小值为0.643 mm，CORS正常高变化差值的中误差为15.463 mm，小于2019年水准最弱点的高程中误差±22.10 mm，这与前人研究高程方向精度优于2cm研究结果一致［1516］，表3为15个CORS站点的正常高变化差值比较结果。与2015年和2019年的平差后水准正常高中误差比较，15个站点中只有济宁JINI、东明DOMI、寿光SHGU这3个CORS站的正常高变化差值略微超过平差后水准正常高的中误差，表明利用CORS站数据确定正常高变化具备较高的精度，这与前人研究成果相吻合［17］。表4为参与这次研究的区域SDCORS站点名点号对照列表。

4结语

研究选择区域跨度大，地表形变复杂，CORS站点发生沉降的点占总点数的87%，两CORS站出现了抬升，占总点数的13%。15个CORS站点的其中11个站有效数据时间段未达到100%覆盖两期水准观测周期，由于时间不吻合必然造成一定的数据误差，水准数据本身存在误差，但通过CORS站大地高时间序列分析与重构，得到的站点正常高变化差值，通过二等水准验证其仍然具有极高的精度，CORS站点和精密水准共网的情况下，CORS数据质量好的条件下，可以基于CORS大地高的变化量修正正常高，再进行水准网的平差，维护高程基准的现势性，可以实现高程参考框架的动态监测与维护，保持测绘基准的现势性，提供当今历元的测绘基准的高程值。参考框架的维持可以提升其精度，为国家经济和国防建设提供精准的位置服务。

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Dynamic Monitoring and Maintenance of Elevation Reference Framework Based on CORS

CHEN Ruicong， DOU Qingwen， ZHANG Jinying

（Shandong Institute of Land Surveying and Mapping， Shandong Ji'nan 250013， China）

Abstract：InSAR technology is used to monitor the surface deformation in Shandong province. It is found that the surface subsidence is obvious in the Yellow River Delta and the southwest of Shandong province. The occurrence of these earth deformations have made the reliability of surveying and mapping datum results worse， which will seriously affect the application service of surveying and mapping datum. The elevation reference frame itself is dynamic， so it is necessary to carry out dynamic monitoring and maintenance of the elevation reference frame. Through fine processing of continuous observation results of CORS station network from 2015 to 2019， second order leveling observation will be carried out for CORS station， Class B and class C points， and benchmark in 2019. Through checking normal height value of CORS station through leveling results in 2015 and 2019， a new method of dynamic monitoring and maintenance of geodetic elevation reference frame based on CORS has been explored. It is also found that most benchmark have subsided， a few benchmark have been uplifted， and the data results of CORS and leveling also verify the monitoring results of InSAR on surface deformation.

Key words：Global positioning system; continuously operating reference stations; elevation reference frame; maintenance; time series analysis