控制点CGCS2000坐标的联测及解求

胡思华

(贵州有色地质工程勘察公司，贵州 贵阳 550025)

GPS技术自其出现以来就因其高精度、全天候、自动化等优点而迅速融入到社会各个领域，并在测绘领域形成了一种先进的数据采集方式——GPS测量[1-2]。对于GPS所采集数据的处理，国内的商用软件普遍采用模型简单、计算量小的单基线解模式进行解算，其处理结果精度较低[3]。如果想获得高精度的成果，必须使用更严谨精密的测量科研分析软件。当前的高精度GPS数据分析软件主要有：Bernese软件，由瑞士Bern大学开发；GAMIT/GLOBK软件，由美国麻省理工学院和SCRIPPS海洋研究所共同开发[4-7]。由于GAMIT/GLOBK软件可以免费提供给所有用户使用，这使得它迅速被应用到全球各地，深受广大测绘人员的好评。目前，国内主流的平差软件是武汉大学独立研制的COSAGPS软件。COSAGPS软件针对国内测量规范设置了各种控制网等级的参数，平差较GLOBK更为方便直观。IGS数据处理中心公布的精密星历可以为GAMIT软件提供稳定的高精度起算基准。而联测IGS跟踪站可以得到所测控制点在ITRF框架下的坐标成果。

本文选择贵州大学的4个强制对中观测墩，且无其坐标信息，鉴于CGCS2000坐标系是目前国内精度最高的坐标系，在适宜的观测方案的基础上，综合以上优点，以期得到高精度的控制点CGCS2000坐标成果。

1 观测方案

1.1 测区概况

测区位于贵阳市花溪区，地势较为平坦。测区范围为东经106.656 4°～106.665 2°、北纬26.444 1°～26.449 3°。测区平均高程为1 100 m。四个观测墩分别为GD01、GD02、GD03、GD04。测区附近IGS站点分布图如图1所示。

图1 测区附近IGS站点分布图

1.2 联测方案

1.2.1 IGS站的选取

如果选择测区附近均匀分布的5～6个IGS站，来自于高程误差的影响将相互抵消，进而提高GAMIT的解算精度。本文选择bjfs、shao、urum、twtf、cusv、pimo等6个IGS站点，这些站点较为均匀的分布在测站周围，并与测站距离在1 000～2 000 km，有利于GAMIT的长基线解算。

1.2.2 仪器的类型及精度

本次观测方案配备3台南方NETS9接收机，在进行静态数据采集时，其平面定位精度为±2.5 mm+1 ppm，其高程定位精度为±5 mm+1 ppm。同时配备3台可弱化多路径效应的南方CR3- G3扼流圈天线。

1.2.3 观测方案

本次GPS测量实测4个点，利用3台接收机，按照工程三等控制网的要求对4个控制点同步观测3个时段，时段长4 h。具体观测方案为：第1时段观测GD01、GD02、GD03等三个控制点；第2时段观测GD02、GD03、GD04等三个控制点；第3时段观测GD01、GD02、GD04等三个控制点。观测时采用的技术指标为：(1)观测卫星数≥5；(2)卫星高度角为15°；(3)采样间隔为30 s。

2 基于GAMIT软件的基线解算

2.1 数据准备

本次观测于2016年5月4日(125日)和5月5日(126日)两天完成。因此需要在IGS数据网站上下载125日和126日两天的原始观测数据以及需要更新的tables表文件。

首先，新建一个工程目录，命名为kong。之后，在该目录下新建igs、brdc和rinex三个目录存储第1时段的所有原始观测数据。更新完tables文件后，在终端中执行sh_setup 2016 125 kong指令，将其链接到kong文件夹中。

将各配置文件准备好后，根据观测的实际情况，做以下修改：

(1)将sestbl.中的Use otl.list = N和Use otl.grid = N中的N改为Y来进行潮汐改正。

(2)修改sessio.info中的起始观测时间和历元数。

(3)对各IGS站的先验坐标做0.05 m的强约束，对4个控制点做9.99 m的松弛约束。

2.2 天线相位中心的改正

由于本文观测使用的天线并未出现在rcvant.dat中，需要进行如下处理：

(1)访问NGS网站，找到STHCR3-G3的ANTEX格式的天线相位中心参数，复制粘贴到antmod.dat文件中。

(2)将STHCR3-G3天线的编码标识加入到rcvant.dat中。

(3)在hi.dat中添加STHCR3-G3天线的改正信息，GAMIT在其解算过程中会利用该参数改正天线高。

2.3 基线解算

如表1所示，IGS数据处理中心提供的星历有3种：超快速星历IGU，主要有观测和预报两部分，发布速度最快；快速星历IGR，质量较好，发布速度也较快；最终精密星历IGS，经IGS处理中心加权后发布的，效果最好，但发布速度太慢。本文选用最终精密星历IGS进行解算。

表1 3种精密星历参数

在各项准备工作都进行完毕后，在kong目录下打开终端，输入基于最终精密星历IGS的批处理命令：sh_gamit -expt kong -d 2016 125 -pres ELEV -orbit IGSF -copt x k p -dopts c ao，GAMIT软件开始自动处理观测数据，得到分析记录文件o文件。第2、3时段的数据仍按上述步骤做基线解算的处理。最终获得的3个时段的o文件的均方根误差均在0.2左右，表示基线解算精度高[8]。(本文同时进行了松弛轨道解和固定轨道解两种方式的基线解算，对比发现采用松弛轨道解的解算结果精度更高，因此本文采用松弛轨道解进行基线解算。)

3 基于COSAGPS的基线质量分析及网平差

3.1 COSAGPS软件介绍

COSAGPS软件是武汉大学独立研制的一款专用GPS网平差软件。COSAGPS软件可读取多种GPS软件的基线数据，自动进行各种指标的计算。

同时，COSAGPS软件针对国内的GPS测量规范设计了各种控制等级，减少了测绘人员处理数据时查找各种规范的烦恼，因而备受推崇。由于COSAGPS软件运算速度快，且能保持非常高的整体性，是国内最受认可的权威平差软件。

3.2 坐标系统的统一

由于国内IGS站建立相对较晚，不能直接从ITRF官网上得到各IGS站点的CGCS2000坐标。因此，首先找到各IGS站点在ITRF05，2000.0历元(2000年1月1日所属历元)下的坐标，然后通过图2所示框架转换流程得到其CGCS2000坐标(各转换参数均改正至2000.0历元下)。

图2 ITRF框架转换流程图

同时，考虑到各点所在板块的不均匀运动对其坐标的影响，通过转换历元得到了表2所示的各IGS站在ITRF97框架，2016.344历元(2016年126日所属历元)下的坐标[9-13]。

表2 各IGS站点在ITRF97，2016.344历元的坐标/m

3.3 基线质量检核

在COSAGPS软件中新建一个工程，等级设置为工程三等。然后，导入GAMIT基于最终精密星历IGS的基线解算数据并形成独立基线文件，选择BJFS作为无约束平差的已知坐标，进行各项控制指标的计算。

在《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T18314-2009)中，同步环闭合差的限差为[14]：

(1)

从表3中可知，各方向坐标闭合差均在-0.1～0.1 mm之间，无明显差别，精度较高，满足规范的要求。

表3 同步环闭合差计算结果

在《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T18314-2009)中，异步环闭合差的限差为[14]：

(2)

从表4中同样可以得知，各方向异步环闭合差均在-0.1～0.1 mm之间，远远小于限差(各限差允许值均在19 000 mm以上)，WS最大值为0.14 mm，同样远远小于限差(各限差允许值均在33 000 mm以上)，均满足规范要求，由此表明采用精密星历在长线路的异步环计算中具有较高的精度。

表4 异步环闭合差计算结果/mm

在《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T18314-2009)中，重复基线较差的限差为[14]：

(3)

从表5中亦知，各重复基线长度差均在0.245 6～3.763 1 mm之间，远远小于限差允许值(21 000 mm以上)，均符合规范要求，由此表明采用精密星历在长线路的重复基线计算中具有较高的精度。

表5 基于IGS精密星历的重复基线长度较差计算结果

在《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T18314-2009)中，三维无约束平差基线向量残差的限差为[14]：

VDX，VDY，VDZ≤3σ

(4)

从表6中可知，各方向基线向量残差均不超过±2 cm，精度较高，计算结果均满足规范要求。

表6 三维无约束平差基线向量残差计算结果/cm

3.4 网平差

本文选择IGS站中最稳定的BJFS、SHAO、URUM三个站的坐标作为已知坐标进行三维约束平差，平差后的控制点在ITRF97，2 016.344历元下的坐标如表7所示。

表7 平差后的控制点坐标

平差后的最弱边为GD01-GD02，其中误差为1/73 000，满足《工程测量规范》(GB50026-2007)三等工程控制网最弱边中误差≤1/700 00的要求。Y方向误差略大于X、Z方向误差。平差后的最弱点为GD01，其中误差为17 mm，满足《全球定位系统(GPS)测量规范》(GBT18314-2009)最弱点中误差≤±25 mm的限差要求。综上可得，平差后的控制点坐标成果是可靠的。

4 总 结

在GPS高精度数据处理中，有许多误差会影响到最终的结果，本文在外业观测时就通过配备扼流圈天线的接收机来消除多路径效应，而GAMIT软件通过设置好配置文件可以对天线相位中心偏差、潮汐、极移、章动、闰秒等误差的影响进行改正。误差的改正是高精度数据处理的关键。

通过长时间的数据观测、采用精密星历以及联测测区附近分布均匀的6个IGS站， GAMIT软件可以建立严密的数学模型进行数据解算，从而得到高质量的基线数据。再采用国内测绘领域最受欢迎的权威平差软件COSAGPS，对GAMIT软件解算的基线数据进行平差，最终得到了控制点在CGCS2000下的坐标，精度满足工程测量规范三等控制网的要求。