论环渤海经济圈海洋测绘GNSS骨干网建设

桑 金，付兴武，张永合，张墨起

（交通运输部北海航海保障中心 天津海事测绘中心，天津 300222）

引 言

环渤海经济圈亦或称“环渤海地区”，狭义上是指京津冀、辽东半岛、山东半岛环渤海滨海经济带[1]。按照海洋权属及海上交通管理的辖区概念，该沿海地区通常称北方海区，主要范围为南起连云港北至鸭绿江的黄海东北部、渤海及毗邻区域（如图1）。环渤海经济圈在全国和区域经济中发挥着集聚、辐射、服务和带动作用，已成为中国北方经济发展的引擎，被经济学家誉为中国经济的第三个增长极，在中国对外开放的沿海发展战略中占有极其重要的地位[1]。

环渤海地区海陆空交通发达，区域内拥有 50多个港口[2]，构成了中国最为密集的港口群，同时还具有广阔的腹地资源，是贯通三北地区经济以及与国际市场经济要素流动的重要集散地，区域经济特别是海洋经济地位举足轻重。

海洋测绘是海洋开发利用与海洋环境保护等一系列海洋活动的先导性基础工作。为了高质量开展区域海洋测绘工作，必须建立并持续维护海洋测绘基础控制。海洋测绘基础控制主要包括平面基准和垂直基准，通过综合利用GNSS技术和水准测量技术进行整体设计、统筹建立。同时还联合重力等其他多源大地测量数据，建立似大地水准面模型，从而实现三维测绘基准的建设。受篇幅限制，本文重点论述GNSS骨干平面控制网建设的技术路线与实践方法。

图1 21世纪环渤海经济圈概览示意

1 区域海洋测绘基准发展与现状

我国海洋测绘活动源远流长。据古籍文献记载，早在商代就有暴雨、洪水、海浸等水文观测活动。魏晋时期，裴秀创立“制图六体”理论，对推进后世测绘技术影响深远[3]。刘徽编著《海岛算经》已就测高望远及其计算方法作过系统研究与实践[3]。特别是明代郑和七下西洋绘制的《郑和航海图》，将中国古代海道测绘技术推向历史顶峰，为开启全球大航海时代铺平了东方航路。后因明宣宗罢停远洋航海活动，转而采取闭关锁国政策，国际航运渐次萧条，海道测绘日渐衰微。新中国成立后，海军和交通部以“独立自主，自力更生”为指针，白手起家，艰苦创业，仅凭几部六分仪、水砣、算盘等简陋测绘装备，开始了艰苦而辉煌的海道测量历程。

图2 渤海地区海洋测绘GPS骨干网联测网

环渤海地区的基础控制主要由国家测绘局、总参测绘局、海司航保部、国家地震局等单位组织实施，海洋测绘专业基础控制则主要由海司航保部和水上交通测绘部门建立。我国交通海事部门于本世纪初分四期实施了北方海区GPS控制网建设工程，更是较好地解决了此前由于实施单位不同、年代各异，致使早期控制成果的基准兼容性较差、疏密程度不一且精度等级比较混杂等突出问题[4]。标志着区域海洋测绘平面基础控制建设工作基本完成，整体上可满足当时的海道测量初步需要。

但是，早期的区域基础控制广泛存在平面基准和垂直基准、陆地垂直基准与海洋垂直基准分离等问题，已经成为陆海一体化地理信息产业发展的技术瓶颈。同时，现代经济社会发展以及日益活跃的人类海洋活动，对海洋测绘服务提出了更高的要求，牵引现代化海道测量向着陆海一体化、服务精细化、实时或准实时化的三维测绘方向发展。步入21世纪以来，国内外学者对大地水准面精化和海洋测量垂直基准转换技术在工程化和实用化方面做了大量研究。似大地水准面精化在理论研究、技术方法以及工程应用等方面都取得了长足发展。很多省市级的区域似大地水准面的精度都已经达到了厘米级，苏州、嘉兴、宁波、广州、南京（二期）、沈阳（二期）以及甘肃等地的似大地水准面精化精度已经优于厘米级，从6 mm到8 mm不等。2008年青岛海湾地区似大地水准面的精化精度更是达到了4 mm[5]。均为现代化海洋测绘三维基准建设提供了科学理论支撑和应用技术路径。

2 区域海洋测绘GNSS骨干网设计

2.1 点位选址与网形设计

根据项目建设目标，综合考虑区域海洋测绘平面控制基准的中远期需要、垂直基准的关联、似大地水准面精化支撑与经济要素投入等因素，设计建设骨干GNSS控制网为B级，参照《全球定位系统（GPS）测量规范》[6]及《国家一、二等水准测量规范》[7]，点位选址紧紧围绕环渤海地区已有或规划建设的潮位站位置及部分腹地位置共设置主点（B级）50个（图2）、副点（C级）61个，几何水准按照二等施测。一则是为将沿海潮位站纳入国家高程系统进而助推海陆垂直基准一体化，二是考虑重点港口附近的控制基础保障。此外还要考虑原有控制标志的利用以便保障新测成果与原有成果的有效衔接。新布设的控制点应选择在交通便利、有利于扩展和连测的位置。点位平均距离等主要精度指标要求摘录于表1。

表1 B、C级控制网主要技术精度指标[6]

环渤海地区海洋测绘控制网建设不仅是为了满足区域测绘平面控制基准的需要，同时还要为区域似大地水准面精密模型建立、陆海高程基准统一提供基础支撑。因此，在方案设计中一并兼顾考虑了GNSS测量、水准连测以及主要潮位观测站入网等方面的需求，并有所侧重。新选主点应建造有强制对中标志的天线墩（海岛点除外），标石（观测墩）拆模后应进行不少于 10天的薄膜养生法养护并经过一个雨季的稳定，以保证观测墩的应有强度、稳定性和使用年限。

主点是构成区域基础控制骨干网的点，点位应选在地基坚实稳定、安全僻静、交通方便、并利于测量标志长期保存和观测的地方。为保证卫星观测信号质量，站点应远离大功率无线电发射源，附近不应有强烈反射接收卫星信号的物体，周围应视野开阔，障碍物的高度角不宜大于15°[6]。为了便于与潮位观测站水准连测，主点还应靠近潮位站附近，一般应小于5 km。主点选择须优先满足GNSS观测自身的规定和要求。

副点是骨干网主点向港口、沿海水文站的延伸，是潮位站垂直基准与平面基准相关联的桥梁和纽带，位置选取应尽可能靠近潮位站，一般应小于1 km。副点选址可优先考虑点位的水准观测、水尺零点引测和日常使用与保存，其他要求可适当放宽。

水准点主要用于水深测量垂直基准同陆地高程系统的联络，潮位站附近均应设置水准点。基本水准点应重点考虑地基坚实稳定、安全僻静、交通方便、并利于测量标志长期保存与观测；工作水准点则应尽量靠近潮位站以便监测潮位站是否存在垂直沉降。条件允许时应优先利用各类已有的测量标志，并包括平面控制与水准共点的标志。

2.2 设备指标设计

GNSS通常可以划分为导航型和大地测量型两大类。顾名思义，大地测量型是针对大地测量的特点和要求而设计的，它可以测量载波相位因而可以获得很高精度的相对定位结果（如两点的基线向量）。按照载波频率又可粗略划分为单频和双频两个系列。GNSS卫星信号需要穿过电离层、对流层等空间介质才能到达地面接收设备，介质模型参数势必影响其观测精度。单频接收机（L1）只接收调制的 L1信号，虽然可利用导航电文提供的参数，对观测量进行电离层影响修正，但由于修正模型尚不完善，精度较差[8]。两站相距越近，其电离层延迟影响越是趋同，故此单频GNSS接受机通常用于基线短于20 km的测量。双频接收机可以同时接收L1、L2载波的信号，由于不同频率受电离层的延迟影响各异，故可通过求差模型消除电离层对GNSS信号延迟的影响。另一方面，组合两个频率上的观测数据也会增加未知参量，进而带来相应的解算误差，故此短基线观测一般不使用双频解算方法[8]。该区域基础控制骨干网为B级，其平均基线长为50 km，C级网的平均边长为20 km，因而必需选用双频 GNSS接收设备（表 2），同时利用CHOKE RING天线（大地测量扼流圈天线）削弱多路径效应的影响。

表2 B、C级GPS网测量接收机技术要求

2.3 测量模式与技术路线

卫星定位、导航服务一般可以分为伪距测量与载波相位测量、单点与差分、静态与动态等模式。基于伪距观测的单点定位和伪距差分定位，不存在多值性的问题，但定位精度相对较低，一般只用于实时导航定位；基于载波相位观测的各种模式，定位精度很高但存在整周模糊度问题（即多值性），最常见的相对静态测量主要用于大地控制基础建立。众所周知，相位测量的定位精度，取决于波长和相位测量的分辨率。目前主流的大地型GNSS接收机的相位测量的分辨率一般均可达到±1°甚至更高，又GPS载波L1=19 cm，L2=24 cm，相应的测距中误差优于毫米级。与此同时，利用载波相位进行相对测量，求差模型还可以有效消除（或消弱）许多诸如电离层、对流层以及卫星种差等同源（或相关）误差，因而可获得很高的定位精度[9]。环渤海地区海洋测绘GNSS基础控制网建设工程旨在建立区域高精度控制基，GPS载波相位相对静态观测是首选，几乎也是唯一的测量模式。

整体技术路线就是，利用 GPS载波相位实施相对静态测量，采用IGS精密星历，使用国际领先的专业数据处理软件（GAMIT等）解算基线向量，通过与周边 IGS跟踪站网和国家基准一期工程GNSS连续运行基准站网联结进行平差解算（POWERNET），获得高精度的 CGCS2000地心坐标（如图3之双实线框部分）。通过二等几何水准连测，初步建立垂直基准。同时，整体考虑水平与垂直基准同步规划、海陆基准统一以及潮位站零点关联等工作，为实现区域陆海一体化三维测绘提供基础框架支撑。

图3 环渤海地区海洋测绘基准建设整体技术路线

3 数据采集

3.1 主要观测指标

项目共设计GPS B级点主点50个和与之配套的副点C级点61个。按照规范中B、C级标准要求（表 3）分级进行观测。共投入双频大地测量型GPS（扼流圈天线）11台套、高精度电子水准仪6台。观测模式采用静态同步观测，布网方式采用边连接的方式布设连续网，同步观测网间连接点数不少于3点，时间基准采用UTC时间（北京时-8）。

表3 GNSS观测技术指标[6]

3.2 测站工作要求

架设天线时严格置平、对中，天线定向线指向磁北，定向误差不大于±5°。在每时段的观测前后各量测一次天线高，读数精确至1 mm。天线高量测时，量测互为 120°天线的三个位置，互差小于3 mm，取中数记入测前、测后天线高的位置。测前、测后中数的互差小于 3 mm时取中数采用[6]，否则应重新观测本时段。

观测手簿在观测现场用2H铅笔逐页填写，使用规范简化汉字。要求如实记录测站名称、等级、接收机类型及天线号码、天线高、观测日期/年积日、观测员、天气状况、时段号等内容。

3.3 数据下载与存储

每一个观测时段的观测数据均需及时下载，并使用接收机随机软件检查原始数据下载的正确性、完整性，再将原始观测数据转换为 RINEX格式数据。每天的原始观测数据、RINEX数据分置于不同目录存放，目录命名方式为测站编号+年+该天的年积日，原始观测数据与 RINEX数据的目录末位分别加注“D”及“R”予以区分。原始观测数据需在多种不同的介质上备份，并在接收机内存容量尚有足够空余时，尽可能保存至数据处理完成。

3.4 外业数据质量检核

在作业过程中，应使用随机商用软件或专业工具对观测数据进行检查及预处理，确保数据在移交给下一工序后能一次性通过。检核内容主要包括：观测卫星总数、数据可利用率、L1，L2频率载波的多路径效应影响、GPS接收机钟漂率等。最直观有效的判断方法就是原始观测数据完整可读，可以使用随机商用软件解算基线向量。详细可参照接收机技术指标（表 3），实际数据质量指标摘录见表 4，并对实际测量中出现的问题进行如下处理。

表4 观测数据可利用率等指标统计

一是部分埋石点位周围环境对 GPS观测产生一定影响，造成个别点位数据多路径效应影响MP1、MP2值偏大或有些点位数据利用率超限。如南长山岛、蓬莱、莱阳等点位周边有房屋构筑物或树木遮挡，造成部分观测时段观测数据可利用率较低，随后都采取升高仪器高的方法进行补充测量，并主要采用全站仪辅助对中杆的方式进行对中整平，保证观测总体时段数和数据利用率等指标满足要求。

二是采集数据年积日与实际日期不符的问题处理。Ashtech ProFlex 500仪器在进行B级网第五环第二时段（年积日 154）、第五环第三时段（年积日 155）、第六环第一时段（年积日 158）、第六环第二时段（年积日 159）观测时出现仪器日期设置有误，导致采集数据年积日与实际不符，在实际处理中采用IGS参考站的BJFS站点广播星历进行数据检查匹配处理，数据质量各项指标均满足要求。还有个别观测时段由于观测时开机时间早于北京时间 08：00，导致数据文件名称年积日为设计观测日的前一天，其它技术指标合格，不影响最终数据处理使用。

三是由数据中断原因导致的重测与补测。在B级网中沾化第四环第一时段第二时段、上古林第四环第二时段、女岛第七环第三时段、石臼第八环第一时段等个别站点某些时段出现了不同程度的数据中断，均在后期进行了补测。

4 数据处理与成果精度评价

4.1 基线处理

按照全球定位系统测量规范要求，A、B级GPS基线解算处理应采用精密星历，C级及以下可采用广播星历。B、C级GPS网基线解算可采用双差解、单差解。长度小于15 km的基线应采用双差固定解。长度大于15 km的基线可在固定双差解和浮动双差解中选择最优结果[6]。

1）数据整理

数据整理是进行基线解算之前的一项重要工作。首先，根据GNSS数据处理软件（如GAMIT）要求清查测站点名编号并进行规范化处理，利用旧点的站点，编制新老点号点名对照表。其次是根据软件要求，对不同类型设备天线高的量测方法、测量位置、天线类型和天线改正数等进行统一归算改正。然后在将多型号GNSS采集的原始数据转换为RINEX格式，并对每个测站观测数据O文件、星历 N文件等分类存放于统一命名的文件目录。同时还要收集所需的全球站数据及精密星历，予以框架和历元改算。

2）基线解算处理

GNSS B级网不但承担区域控制的骨干网，还可以将区域基础控制网与国家及周边IGS跟踪站网和GNSS连续运行基准站网联结起来，获得高精度的CGCS2000地心坐标。同时还可以为C级网提供控制基准。故此，基线处理也按照先B级、后C级两步进行。

基线处理软件采用美国麻省理工学院和Scripps研究所共同研制的 GAMIT 10.60版本软件，我国A、B级GNSS网的基线解算就采用了该软件。在利用精密星历的情况下，GAMIT的基线解的相对精度能够达到10-9左右，是世界上最优秀的GNSS软件之一[10-12]。

表5 基线解算的主要模型和参数

卫星轨道的精度直接影响 GNSS基线解算质量，故本项目采用IGS精密星历，其轨道精度达到5 cm，对于百公里长的基线，星历误差影响不超过0.1 mm。基线解算中，引进高精度的国家CGCS 2000 GNSS控制网点（框架 ITRF97、历元为2000.0）和全球跟踪站作为基准，基线解算的主要模型和参数见表5。

3）基线检核

同一基线各不同时段的向量重复性客观地反映了基线解的内符合性精度，是衡量基线解质量的一项重要指标。通常可采用固定误差和比例误差两部分表示，即：

σ=a+bl

式中：

σ为分量的中误差；

a为分量的固定误差；

b为比例误差；

l为分量的长度。

B级网有1 560组重复基线，C级网有315组重复基线，整网的基线向量重复性如表6所示。从表中可知，基线长度平均重复精度 B级网为1.18 mm+0.04×10-8、C 级网为 2.05 mm+0.1×10-8。基线处理的精度达到了项目技术设计的要求。

表6 基线向量重复性统计

另一项反映GNSS外业观测质量和基线解算质量可靠性的指标是同步环闭合差和异步环闭合差。前者反映的是一个同步环数据质量的好坏，后者反映的则是整个GNSS网的外业观测质量和基线解算质量的可靠性，因而异步环闭合差对GNSS成果质量更为重要。由于GAMIT软件采用的是网解（即全组合解），其同步环闭合差在基线解算时已经进行了分配[10-12]。B级网共检核由平差所用的独立基线构成的最简异步环747个，所有的异步环闭合差都小于国家GNSS规范的要求（见表7）；C级网共检核由平差所用的独立基线构成的最简异步环123个，所有的异步环闭合差都小于规范的要求。

表7 异步环最大闭合差统计

4.2 GNSS网三维平差

网平差采用武汉大学研制的POWERNET科研版平差软件，选取兼容性好的网络工程基准站点的 CGCS2000成果（框架为 ITRF97，历元为2000.0）为基准，以 GAMIT软件解算的各同步观测网的独立基线向量及其全协方差矩阵作为观测量先进行B级网平差。再进行C级网平差处理。

1）三维无约束平差

三维无约束平差旨在进行粗差分析，以发现观测量中的粗差并消除其影响；通过调整观测量的协方差分量因子，使其与实际精度相匹配；进而对整体网的内部精度进行检验和评估。

本项目参与 B级网三维无约束平差的基线共818条。从表8可以看出，B级网基线的三维方向向量改正小于4.5 cm，基线改正数都在±2.6 cm以内，说明观测质量较好，基线解的精度较高。

表8 B级网基线改正数统计

2）三维约束平差

整体约束平差的目的是引入外部基准，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，消除因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。经过兼容性检核，最终确定以 BJFS、BJSH、JIXN、TAIN等站作为本骨干网的起算基准。

图4 三维约束平差观测边长相对精度统计分布

最终结果表明，三维约束平差后B级网的平均相对精度为 0.0037 ppm，最弱边相对精度为0.0177 ppm（图4），最弱点水平精度为0.010 m，大地高精度为0.0271 m。

GNSS C级网参与平差的基线有200条。约束平差后的平均相对精度为0.93 ppm，也获得了很好的精度（在此不赘述）。

5 结 语

区域海洋测绘基础控制网通常兼具范围广、跨度大、经济发展不平衡等特征。环渤海经济圈骨干控制网就横跨了辽宁、河北、天津、山东三省一市以及江苏东北部分区域，海洋经济发展特色各异，在控制网设计时必须充分考虑点位的相对均衡布设又要兼顾不同区域的个性化需要。因受工期所限，如果部分土层天线墩不满足经过一个雨季的稳定时限要求，在实际作业中可采取现场注水模拟雨季的方式加以弥补。

环渤海经济圈骨干控制网旨在服务区域海洋测绘及海洋工程等活动需要，使得很多GNSS点不得不选址于大面积水域附近或港口设施密集区域，环境因素造成的信号遮蔽、多路径影响必须予以充分考虑妥善解决。同时由于海洋和无人居住岛屿的阻隔，且海上航行受风浪、雨雾等影响很大，造成进行同步环观测时，各点位之间的协调调度难度较大。因此，在外业观测时需科学计划、合理调度。针对油库码头、企业厂区等敏感站点还要提前沟通保证测量作业时可顺利按时到位。

原始观测数据的质量是最终成果精度的基础保障，必须严格按照相关规范和设计的技术指标执行。GNSS网的基线处理推荐采用GAMIT等专业科研软件，武汉大学研制的POWERNET科研版平差软件则是网平差的不二选择。

基础控制是海洋测绘乃至一切海洋工程等活动的基础，需要立足当下着眼长远，区域骨干控制网可以B级网为主框架辅以C、D级点作为个性化需求补充。同时，还要注重平面基准与垂直基准统筹谋划、有序建设，并纳入国家控制基准。