数字辽宁GPS网的施测方案与数据处理方法的探讨

马 琴

（国家测绘地理信息局大地测量数据处理中心，陕西西安 710054）

一、引 言

我国于20世纪50年代和80年代分别建立了1954北京坐标系和1980西安坐标系；于2008年7月1日启用了原点位于地球质心的2000国家大地坐标系（CGCS2000），建立了2000国家大地控制网，构建了我国三维高精度地心坐标框架。前两套坐标系由于建立年代久远、点位存在局部形变等原因，后者由于控制网点位数量与密度有限，都不能满足辽宁省国民经济建设和社会发展的迫切需求。为了推动辽宁省地理信息产业稳定、快速、可持续发展，辽宁省测绘地理信息局启动了辽宁现代测绘基准建设项目，它是辽宁省区域性地球动力学研究、局部形变监测、各种精密工程测量及建立地方和城市坐标三维动态大地测量基准框架的需要。本项目的完成将为辽宁省国民经济和社会发展提供高质量测量基准数据和强有力的技术支持。

二、项目概况、内容、要求及实施过程

1.辽宁GPS网概况

辽宁省位于东经 118°38＇～ 126°12＇，北纬38°45＇～43°28＇之间，南临黄海、渤海，是东北地区唯一既沿海又沿边的省份，共辖14个地级市、17个县级市、27个县（含海岛），覆盖面积约为14.81万km2。B级GPS点应均匀布设，平均边长为30 km。C级GPS点在经济发达地区适当增加密度，平均边长可为10 km；东部山区密度可稍微稀疏，平均边长可为20 km；其他地区平均边长为15 km。

2.项目内容

主要内容包括GPS外业观测、GPS观测数据检查、内业计算等工作。根据“分级布网，逐级控制”的原则，应在全省GPS B级网的基础上布设GPS C级点。以B级GPS网点为起算点，充分利用已有符合要求的GPS网水准点、三角点、周边的地壳运动观测网络工程点、2000网点，共计662点。

3.GPS数据采集

辽宁省GPS测量控制网的外业数据采集使用45台型号分别为天宝5700、天宝NET R3、天宝NET R5、天宝NET R9、SOUTH S86、ZHD_V30双频 GPS接收机进行同步观测，并在测区内进行基线解算，同步环、异步环检查和兼容性检查、检核工作。数据的后期处理采用高精度数据处理专用软件或随机商用软件进行数据处理。外业数据质量检核执行《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T 18314—2009）中第12款的相关内容。后期处理包括GPS基线向量网在CGCS2000下的无约束平差和约束平差。GPS网测量数据采集整理后的精度指标见表1。

三、GPS网数据处理与分析

数据处理与分析采用美国麻省理工学院（MIT）的GAMIT/GLOBK软件。在CGCS2000下，以国家GPS连续运行站、国际IGS站（SUWN）等高等级成果为基准，采用精密星历或广播新星历，首先进行B级网点的数据处理，然后进行 C级网点的数据处理。

表1

1.GPS网数据整理

主要包括外业观测数据和其他已有数据收集整理、粗差探测与质量评估。以年积日为单位整理观测数据，使用随机软件标准化，并将原始观测数据转换为RINEX格式数据；统一点位编号；根据外业观测手簿，编制观测仪器、天线、天线高与天线高量取位置等对照表；检查点名一致性与正确性、接收机与天线型号的正确性、天线高的正确性及年积日的一致性等。收集整理2000国家GPS大地控制网CORS站及周边IGS站等数据文件；准备IGS精密星历，卫星和接收机天线相位中心改正信息，IGS站、坐标和速度场，地球极移，章动表信息，太阳与月亮表信息，跳秒，地球定向参数等文件。

2.数据预处理

数据预处理的主要内容包括检查外业观测数据的可靠性、完整性、正确性、资料齐全性等。首先对观测数据进行质量检核和预处理，对于内外业计算结果不一致或成果超限等问题，应分析查明原因并进行粗差探测和剔除，以剔除超限和不合理成果；其次将符合平差计算要求的绝对观测值和相对观测的段差作为最后观测值，统一进行测量成果编号，按预定的格式生成平差数据文件。

3.采用基准

1）大地基准:CGCS2000、1954北京坐标系和1980西安坐标系。

2）高程基准:高程系统采用正常高系统，高程基准采用1985国家高程基准。

3）时间系统:观测记录时间采用北京时。

4.测量精度

GPS B级点相邻点基线水平分量中误差为5 mm，垂直分量中误差为10 mm。

GPS C级点相邻点基线水平分量中误差为10 mm，垂直分量中误差为20 mm。

5.基线解算

首先基于CGCS2000获取先验坐标，其坐标精度可以达到0.1 m以内。解算结果可采用双差解、单差解，并使得同步环的Nrms小于0.5周。基线解算结束后应进行重复基线、同步环、异步环的检核，检核结果应符合规范要求。

重复基线统计:A、B级GPS网同一基线不同时段的较差应满足限差要求，其限差应按下式计算

基线精度处理后应计算基线的Δx分量、Δy分量、Δz分量及边长的重复性，重复性定义为

式中，n为同一基线的总观测时段数；Ci为一个时段的基线某一分量或边长；为该时段i相应于Ci分量的方差；Cm为各时段的加权平均值。各时段基线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。

如图1所示，GPS B级网点重复基线的较差均分布在2/3限差内，基线总体解算结果比较理想，但仍有个别重复基线较差超限。若精度确实很差（超出限差的部分达到了厘米级），应将其删除，同一时段观测值的数据剔除率不宜大于10%；保证舍弃基线后的独立环所含基线数满足《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T 18314—2009）的规定。同步环闭合差、异步环闭合差均应满足该规范的要求。

图1 GPS B级网点重复基线较差分布图

6.数据检验

根据GAMIT基线解算结果，对整网的全部基线结果进行了χ2检验，一般应小于10。本文χ2检验值均小于8，数据全部通过检验，均可参与平差。

7.GPS网平差计算

1）在基线向量检核符合要求后，以其中一个点在CGCS2000中的三维坐标作为起算依据，进行无约束平差。平差后还应对结果进行精度分析，其目的是对整体网的内部精度进行检验和评估。

2）以国家 GPS连续运行站、国际 IGS站（SUWN）、LN-CORS等高等级成果为基准，采用三维约束平差，计算出GPS B级点的坐标；再以GPS B级网点为基准，采用三维约束平差，将所有独立基线向量及其经调整后的协方差阵作为观测量，平差时为消除星历和网的传递误差引起的整网在尺度和方向上的系统性偏差，平差后还应对结果进行精度分析，对整体网的精度进行检验和评估，求出GPS C级网点坐标。

3）精度统计:对基线相对精度和平差后各测站三维大地坐标内外符合精度进行统计，结果见表2。

表2 平差精度 mm

4）计算GPS网1980西安坐标系和1954北京坐标系成果。

通过GPS数据处理获得的是各 GPS点在CGCS2000下的三维地心坐标，而对于辽宁省GPS C级网的1980西安坐标系和1954北京坐标系坐标，必须在联测相应高等级控制点的前提下，通过转换或平差方法获取，以提高转换精度。

四、结果分析

本次辽宁GPS网的观测包括GPS B、C级网的观测，三角点GPS联测及似大地水准面检核点水准点的观测。作业过程符合GPS网的实施方案和技术要求，经过上述数据处理，确保了GPS与水准成果的现势性和一致性。同时对高精度水准起算点的稳定性进行了检测。B级网大部分设站3次以上，每点不少于3条边连接，每个环长不超过6条基线边。对当天的观测数据进行处理和检核，漏测或数据处理后不满足精度要求的，有关成果应及时补测，确保了外业成果的准确无误；符合GPS点观测条件的可直接利用。经内业计算GPS B级网基线相对中误差完全能满足GPS测量规范和城市测量规范的要求，辽宁省 GPS网的内、外业精度整体良好。

五、结束语

综上所述，辽宁省GPS网的建立和观测、内业数据传输、数据整理、数据格式都符合相关技术要求。辽宁省GPS控制网的数据完整性和可靠性符合两个相关条件:一是网的整体可靠性高，可用内外可靠性的平均指标衡量；二是网中各观测量的可靠性指标相差不大，即各观测量的可靠性分布较为均匀。该项目的完成一方面能够推动辽宁省测绘技术的进步，加快了辽宁省现代测绘基准体系的建设；另一方面对预报大地震灾害、预防环境与自然灾害等提供了准确的测绘基准，促进了我国地理国情监测事业的发展。

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