基于GNSS基准站的三级GPS网解算精度分析*

程广义 张海东 陈永祥 张英利 赵淑芬

(西安测绘总站，西安 710054)

基于GNSS基准站的三级GPS网解算精度分析*

程广义 张海东 陈永祥 张英利 赵淑芬

(西安测绘总站，西安 710054)

随着连续运行基准站技术在大地测量中的广泛应用，连续运行基准站在全国三级GPS网中的布设和数据处理也起到了关键作用，不仅加快了建设速度，加大了布网的灵活度，也保证了起算控制和解算精度。与以前相比，陆态网连续运行基准站分布密度总体上提高了10倍，重点地区提高了100倍，观测手段也有了很大变化。基于网络工程和陆态网络基准站对不同区域三级GPS网进行了解算和精度统计，分析了基准站对三级GPS网精度的影响。

陆态网络;网络工程;GNSS基准站;三级GPS网;数据处理

1 引言

中国大陆构造环境监测网络(简称陆态网络)主要服务于地震监测、科学研究、基础测绘和气象预报等。陆态网络在全国建立了260个连续运行GNSS基准站和2000个非连续运行区域站［1-4］。

全国三级GPS大地控制网(简称三级GPS网)是全国一、二级GPS网的补充和加密，与高等级GPS大地控制网共同构成三维基础大地控制网，为各种比例尺测图、大地控制网布测以及其他应用提供基础和联测起始数据，同时服务于国家高程现代化建设，精化似大地水准面和快速定位的基础控制等［5］。

三级GPS网通常采用两种GPS作业方法，一种是基于连续运行基准站的作业模式，一种是高等级点为起算以同步区为基本观测单位，滚动式逐步展开的模式。两种作业模式比较，第一种方法精度和效率都高于第二种方法，连续运行基准站是第一种方法的基础保证。本文利用中国地壳运动观测网络(简称网络工程)27个基准站分布的情况下，分析对三级GPS网精度的影响，讨论如何充分利用已建成的基准站更好地做好全国三级GPS网数据处理工作［6］。

2 三级GPS网数据处理方法

在三级GPS网技术规定和技术设计中，GPS观测可以采用基于GNSS基准站的作业模式和与起算点组成同步环滚动式逐步展开的模式。由于基准站全天候不间断观测，因此任意未知点在任何观测时段都可与它们组成结构良好的同步观测环，进而可以精密确定未知点的坐标，作业效率高于传统的同步环滚动模式。三级GPS网布设之初，在全国已建成27个网络工程基准站，因此三级GPS网施测均采用基于连续运行基准站GPS的作业模式［7］。

2.1 三级GPS网数据处理的特点

三级GPS网技术规定要求观测采用高精度双频GPS接收机，观测数据采样间隔为30秒，观测时段长大于4小时，以RINEX格式存储。

在测区中间选择适当点作为临时基准站，观测期间每天连续观测，三级GPS网点随时上点观测，临时基准站与基准站同步观测。根据不同的区域，选择4～7个不同的基准站，基准站控制临时基准站，基准站和临时基准站控制三级GPS网点。原则上已知点(基准站)到未知点的距离不作要求，选取基准站不少于7个，通过计算分析最后选择不少于4个基准站以保证解算精度。

数据解算观测量为双差观测量，要求基准站与未知点有较多的共视卫星［8，9］，以构成较多的双差观测量。因此，未知点最好位于基准站构成的多边形之中。

数据处理采用大型GPS数据分析软件GAMIT。采用模型改正对流层延迟后，再引入对流层天顶延迟参数作为待定参数进行解算，有效地解决了对流层的空间相关性问题。星历采用IGS精密星历。

2.2 三级GPS网数据处理的精度要求

三级GPS网解算精度要求：水平方向分量点位中误差精度优于±3 cm;垂直方向分量点位中误差精度优于±5 cm;相邻点方位角换算精度优于1.5″。

2.3 三级GPS网数据处理的基本过程

三级GPS网数据处理主要包括：软件的选择，数据准备，基线解算和平差处理等。

1)软件的选择

数据预处理使用商用软件;基线解算采用Gamit软件;平差软件采用Globk软件;用自主开发的GPSADJ(GPS数据处理软件)进行基线重复性检验、异步环检验以及平差检核。

2)数据处理的基本流程如图1所示。

3)软件解算参数设置

卫星轨道约束：10-8;

基准站坐标约束：0.005 m，0.005 m，0.005 m;

待定站点坐标约束：10.0 m，10.0 m，10.0 m;

采样间隔：30 s;

最大历元数：2 880;

卫星截止高度角：15°;

基线处理模式：松弛解或固定解;

对流层误差模型：Niel或Saastamoninen模型;

天顶延迟参数个数：两小时设置一个;

电离层延迟：消除电离层的LC—HELP观测量;

数据筛选原则：AUTCLN;

光压模型：BERNE。

图1 数据处理基本流程Fig.1 Flow chart of data processing

3 基于网络工程的解算精度

已完成的全国三级GPS网，都是采用基于连续运行基准站的作业模式，三级网的坐标是通过和基准站同步解算获得的。三级网数据处理采用双差观测量，要求基准站与三级网点有较多的共视卫星，以构成较多的双差观测量，保证解算精度。因此，三级网点最好位于基准站构成的多边形之中。基准站的选取和分布直接关系到三级网布网精度。

3.1 网络工程基准站分布

27个基准站主要分布在我国东部地区，西部地区相对较稀［10］。基准网的分布如图2所示。

图2 GPS连续运行基准站分布Fig.2 Distribution of GPS CORS station

3.2 三级GPS网的解算精度

分别选择东部、中部、南部和西部4个局部区域的三级GPS网的数据进行了解算和精度统计。计算方法采用基于基准站控制同步解算的方法，每个局部区域的三级网解算时都选择了4个以上基准站作起算控制，数据处理按照三级GPS网数据处理技术要求执行。

图3、4为东部地区某区域的三级网的分布及解算精度的统计结果。

图5、6为中部地区某区域的三级网的分布及解算精度的统计结果。

图7、8为南部地区某区域的三级网的分布及解算精度的统计结果。

图9、10为西部地区某区域的三级网的分布及解算精度的统计结果。

图3 东北区域三级网分布Fig.3 Distribution of the third-order GPS geodetic network in the east region

图4 东北区域三级网精度统计Fig.4 Accuracy statistics of the third-order GPS geodetic network in the east region

图5 中部区域三级网分布Fig.5 Distribution of the third-order GPS geodetic network in the centrol region

图6 中部区域三级网精度统计Fig.6 Accuracy statistics of the third-order GPS geodetic network in the centrol region

图7 南部区域三级网分布Fig.7 Distribution of the third-order GPS geodetic network in the south region

图8 南部区域三级网精度统计Fig.8 Accuracy statistics of the third-order GPS geodetic network in the south region

图9 西部区域三级网分布Fig.9 Distribution of the third-order GPS geodetic network in the west region

图10 西部区域三级网精度统计Fig.10 Accuracy statistics of the third-order GPS geodetic network in the west region

4 基于陆态网络的解算精度

4.1 陆态网络基准站分布

陆态网络基准站的建设是在网络工程基础上，改建27个网络工程基准站，新建223个基准站，其中有10个基准站建在验潮站上。

如表1所示，与网络工程相比陆态网络基准站分布密度，总体上提高了10倍，重点地区提高了100倍。具体分布如图11所示。

4.2 基于陆态网络三级GPS网的实验计算

为了更好的发挥陆态网络GNSS基准站在三级网布设中的作用，在中西部地区作了基于陆态网络GNSS基准站三级网的实验和计算。

表1 基准站分布密度表Tab.1 Density of refrence station

图11 GNSS基准站分布(260个站)Fig.11 Distribution of GNSS stations(260)

1)实验计算方法第一步，按照三级网数据处理现行技术规定，选取控制三级GPS点的网络工程基准站(5～7个站)，解算同步观测的基准站和三级GPS点数据，三级GPS点观测时间大于3小时，计算出三级GPS点CGSC2000坐标系坐标。

第二步，网络工程基准站作控制解算实验需要陆态网络GNSS基准站CGSC2000坐标系坐标，陆态网络GNSS基准站作控制解算三级GPS点不同时间段的CGSC2000坐标系坐标，三级GPS点观测时间分别为1小时、2小时和3小时。

第三步，比较基于网络工程基准站解算的三级GPS点坐标和基于陆态网络GNSS基准站解算的三级GPS点坐标。

2)实验计算结果

实验共选取4个三级GPS点，4个点的观测条件满足三级GPS网的技术规定。对不同方法解算结果进行了三级GPS点点位中误差的统计(表2)。

表2 三级GPS点点位中误差统计(单位：cm)Tab.2 Root mean square error statistics of some third-order GPS points(unit：cm)

基于网络工程基准站进行三级GPS点的解算，三级GPS点观测时段大约4小时，获得CGSC2000坐标系坐标，其坐标与基于陆态网络基准站解算的三级GPS点坐标进行比较，结果如图12～15所示。

图12 S001点3个时段坐标差Fig.12 Coordinate differences of 3 periods at S001

图13 S002点3个时段坐标差Fig.13 Coordinate differences of 3 periods at S002

图14 S003点3个时段坐标差Fig.14 Coordinate differences of 3 periods at S003

图15 S004点3个时段坐标差Fig.15 Coordinate differences of 3 periods at S004

5 分析与结论

1)三级网在全国不同省市进行了布设，分别在我国不同地区基于网络工程基准站进行了计算和精度统计。三级GPS点在观测采用双频GPS接收机，观测时段大于4小时，4～7个基准站控制的条件下，计算精度能够满足三级网的设计精度，水平方向分量点位中误差精度优于±3 cm;垂直方向分量点位中误差精度优于±5 cm。

2)陆态网络GNSS基准站作为三级网的起算控制点，与仅采用网络工程基准站三级网的起算控制点，在相同的观测条件下三级GPS点的精度都有了提高。从表2三级GPS点点位中误差的统计表中可以看出，基于陆态网络基准站解算三级GPS点精度均高于基于网络工程基准站解算的精度。

3)分别选用1小时、2小时和3小时的观测数据，在陆态网络基准站起算控制下，解算三级GPS点坐标。用不同时间段的坐标与基于网络工程基准站解算三级GPS点坐标进行比较，网络工程基准站控制解算三级GPS点的观测时间大于3小时，3个时段坐标差最大约4 mm，最小约1 mm。在陆态网络基准站起算控制下可以缩短三级GPS点的观测时间。

4)考虑到陆态网络GNSS基准站目前尚处于试运行阶段，部分站的观测时间仅数月，而网络工程原有27站都已经过长达10年左右的连续观测，作为三级GPS网的控制，其精度要高于新建的陆态网络基准站，在这种情况下采用陆态网络基准站布设三级GPS网取得的相对于仅采用网络工程的基准站布设三级GPS网精度而提高，主要得益于基准站密度和分布的改善。因此有理由相信，随着时间的推移，通过长期观测，陆态网络基准站本身站坐标精度的提高，选用陆态网络GNSS基准站作为三级网的起算控制点，GPS三级网的精度将显著提高。并且有可能在保证GPS三级网的精度的前提下缩短GPS三级网点上的观测时间，提高作业效率，当然这还需要做更多的试验研究。这一工作正随着陆态网络基准站的连续运行时间的积累一直处于关注和研究之中。

1 王瑞，等.中国大陆构造环境监测网络初步设计第一册［R］.北京：中国电子工程设计院，2007.(Wang Rui，et al.Preliminary design of crustal movement observation network of China［R］.Beijing：China’s Electronic Engineering Design Institute，2007)

2 牛之俊，等.中国地壳运动观测技术规程［M］.北京：中国环境科学出版社，2005.(Niu Zhijun，et al.Technical regulation for crustal observation of China［M］.Beijing：China Environmental Science Press，2005)

3 程广义，等.军事测绘“陆态网络”共享数据中心建立与应用［J］.军事测绘，2010，6(8)：22-24.(Cheng Guangyi，et al.Establish and application of CMONOC share data center for Military mapping［J］.Junshicehui，2010，6(8)：22-24.)

4 牛之俊，等.中国地壳运动观测网络［J］.大地测量与地球动力学，2002，(3)：88-93.(Niu Zhijun，et al.Crustal Movement Observation Network of China［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2002，(3)：88-93)

5 邢继红，等.GPS网起始数据的误差分析［J］.地理空间信息，2006，(4)：13-15(Xing Jihong，et al.Error analysis of reference points on GPS network［J］.Geospatial Information，2006，(4)：13-15)

6 程广义，等.陆态网络对全国三级GPS控制网建设的影响［A］.总参西安创新工作站论文集［C］.2010(七)：225 -228.(Cheng Guangyi，et al.The influence of CMONOC to the third-order GPS geodetic network［A］.Proceedings of Xi’an Innovative workstation［C］.2010(7)：225-228)

7 程广义，等.关于三级GPS大地控制网数据的初步分析处理［R］.丽江：大地测量学术年会，2003.(Cheng Guangyi，et al.Preliminary data analysis and processing of the third-order GPS geodetic network［R］.Lijiang：Geodetic Annual Conference，2003)

8 项鑫，等.GPS网形结构对点位精度影响的探讨［J］.中国西部科技，2010，(1)：22-23.(Xiang Xin，et al.Discussion of the impact to point precision from GPS Net-shaped structure［J］.Science and Technology of West China，2010，(1)：22-23)

9 徐昌荣，等.GPS控制网中基准点的几何分布对精度的影响研究［J］.安徽农业科学，2011，(3)：1 842-1 843.(Xu Changrong，et al.The study of geometric distribution of datum points to the accuracy of the impact in GPS control network［J］.Agricultural Science＆Technology，2011，(3)：1 842-1 843)

10 秘金钟，等.基于“网络工程”的GPS联测资料分析我国在欧亚板块中的运动规律［J］.测绘科学，2002，(2)：10 -12.(Mi Jinzhong，et al.Analysis of Chinese mainland motion in Eurasian plate based on multiple GPS data of“Chinese Crustal Motion Network”［J］.Science of Surveying and Mapping，2002，(2)：10-12)

ACCURACY ANALYSIS OF THIRD-ORDER GPS GEODETIC NETWORK BASED ON GNSS STATION

Cheng Guangyi，Zhang Haidong，Chen Yongxiang，Zhang Yingli and Zhao Shufen
(Xi’an Division of Surveying and Mapping，Xi’an 710054)

With the use of Continuous Operating Reference Station(CORT)technology in geodesy of large scale，it plays a key role in station distribution and data processing of the third-order GPS geodetic network.This technology not only accelerates the construction speed，increases the network flexibility，but also ensures the initial control and calculation accuracy.Compared with the previous situation，the CORT distribution density increased to 10 times totally，in key areas increased to 100 times.The observing means also have very great changes.On basis of the station of Chinese crustal motion network and CORT，the calculation and accuracy statistics of the third-order GPS geodetic network had been carried out in different areas.By contrast，the latter has the higher accuracy of third-order GPS geodetic network.

CMONOC(Crustal Movement Observation Network of China);Chinese crustal motion network;Continuous Operating Reference Station(CORT);third-order GPS geodetic network;data processing

1671-5942(2011)06-0089-06

2011-07-25

程广义，男，1964年生，硕士，高级工程师，主要从事卫星定位技术及应用研究.E-mail：chenggy_64@163.com

P207

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