CORS站在偏远海岛GNSS控制网布设中的应用

王 振 孙炎强

(珠海市测绘院, 广东 珠海 519170)

0 引言

我国的基础测量成果一般采用国家坐标系,为了减少变形误差及满足精度控制的要求,各城市在地方建设中都会采用城市地方坐标系开展工作,由于历史原因,珠海市存在着多种地方坐标系,其中位于珠海市东南部的偏远海岛采用的是万山独立坐标系[1],此套坐标系统建立于20世纪80年代,一直沿用至今。由于各海岛远离大陆且相互独立,控制系统缺乏维护,当初建立的控制点破坏相当严重,近些年随着全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)的发展尤其是各地连续运行参考站(continuously operating reference stations,CORS)的不断建立与完善,充分利用CORS基准站来解决控制网的布设已经越来越普遍[2-4]。再加上国家大力推广2000国家大地坐标系(China Geodetic Coordinate System 2000,CGCS2000)的背景[5],海岛独立坐标系及过去建立的控制系统已无法满足现阶段的测绘需求。因此,需对一些海岛进行GNSS控制网布设,对其坐标基准进行更新。本文通过对珠海市外伶仃岛E级GNSS控制网布设的介绍,分析了CORS站在偏远海岛GNSS控制网布设中的应用。

1 工程实例

1.1 测区概况

外伶仃岛是珠海市的重要旅游开发岛屿之一,位于珠海市东南部,距珠海市区27.5海里,距深圳35海里,距香港长洲岛6海里,海岛面积4.23 km2。2014年底,珠海市北斗连续运行卫星导航与位置服务系统(ZHBDCORS)建设完成并投入使用,2018年底,依托珠海市CGCS2000建设项目,在东南部偏远海岛又增设了多座基准站,进一步完善了ZHBDCORS基准站网,为本项目提供了可靠的连续运行卫星导航与位置服务[6-7]。在外伶仃岛北部的香港区域分布有多个香港CORS基准站,可用于本项目的CORS站组网。

1.2 控制网布设

由于测区面积较小,ZHBDCORS站在珠海市分布较为分散,测区控制网与ZHBDCORS站之间距离过长,仅使用ZHBDCORS站与测区控制点组网会造成网形不合理,相邻点间距离差异过大[8-9]。本项目充分利用了香港卫星定位参考站的免费数据服务,将位于外伶仃岛附近的香港CORS基准站加入本项目的控制网组网中。在本工程项目中根据数据观测时长,数据质量及控制点周边环境采取了三级构网的方式实现基准高精度传递与处理,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级网分别参照GPS-B、D、E级标准进行基线解算与平差。布网方案及计算策略如下:

(1)I级网采用GPS-B级限差要求解算。由于外伶仃岛处于ZHBDCORS站网的东面边沿地带,附近的ZHBDCORS站点数量较少,为完善起算基准站点分布和优化整体网形,采用基于ZHBDCORS联测外伶仃北侧邻近的香港CORS站点的布网方式,将CGCS2000坐标传递至香港CORS站点。选择ZHBDCORS站GUIS、WALD、DANG站作为起算点,与香港CORS四个基准站HKSL、HKOH、HKNP、HKLM组成Ⅰ级网,如图1所示。

图1 Ⅰ级网图(框架网)

(2)II级网基于采用GPS-D级限差要求解算,利用I级网的邻近香港CORS站点和附近ZHBDCORS站点联测仅有的两个万山坐标系高级控制点,将CGCS2000坐标传至外伶仃岛已有控制点(仅有万山独立坐标系坐标),形成CGCS2000坐标与万山独立坐标系坐标重合点。选择ZHBDCORS站GUIS、WALD及香港CORS站HKSL、HKLM、HKNP作为起算点,与外伶仃岛已有控制点WLD1、WLD2组成II级网,如图2所示。

图2 II级网图

(3)III级网采用GPS-E级限差要求解算,进行岛内联测,完善已有控制点分布,使两套坐标系成果全岛覆盖,为参数求取奠定基础。以Ⅱ级网成果WLD1、WLD2点及CORS站点WALD作为起算点,与新布设的WLD3～WLD10共计11点,组成Ⅲ级网,如图3所示。

图3 III级网图

2 控制网的解算及精度分析

根据《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T 18314―2009),12.1.1条规定:“A、B级GPS网基线数据处理应采用高精度数据处理专用的软件,C、D、E级GPS网基线解算可采用随接收机配备的商用软件”[10-11]。本项目分别采用B、D、E级GPS网的技术要求对Ⅰ级网(框架网)、Ⅱ级网、Ⅲ级网进行解算。基线处理软件采用GAMIT软件。基线解算采用IGS精密星历,其轨道精度达到0.05m。

2.1 基线检核

Ⅰ级网(框架网)由7个站点组成，点位如图1所示,同步图形之间采用边连接,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。对于GAMIT软件基线解的同步环检核,可以把解的nrms值作为同步环质量好坏的一个指标,一般要求nrms值小于0.5,不大于1.0,若大于1.0,则表明该解算结果不可靠。Ⅰ级网(框架网)计算了7个同步时段,全部nrms值均小于0.210,最大的为0.207。Ⅱ级网全部nrms值均小于0.360,最大的为0.350。Ⅲ级网全部nrms值均小于0.500,最大的为0.426。说明整体外业观测质量较高,基线解的精度较好。Ⅰ级网(框架网)重复基线总数126条,Ⅱ级网重复基线总数39条,Ⅲ级网重复基线总数55条。经计算,所有重复基线的较差均满足限差要求。重复基线较差的最大差值见表1。

表1 重复基线长度较差最大值

2.2 平差处理

(1)三维无约束平差。以基准站WALD的三维坐标成果(空间直角坐标)作为起算数据,分别对Ⅰ级网(框架网)Ⅱ级网Ⅲ级网进行三维无约束平差。三维无约束平差中,所有基线分量的改正数绝对值均满足:VΔx≤3σ,VΔy≤3σ,VΔz≤3σ。三维无约束基线向量改正数最大值见表2。

表2 三维无约束基线向量改正数最大值统计表 单位：cm

(2)三维约束平差:以基准站DANG、GUIS、WALD的三维坐标成果(空间直角坐标)作为起算数据,对Ⅰ级网(框架网)进行三维约束平差,以基准站HKLM、HKNP、HKSL、GUIS、WALD的三维坐标成果(空间直角坐标)作为起算数据,对Ⅱ级网进行三维约束平差,以基准站WALD及Ⅱ级网WLD1、WLD2三维坐标成果(空间直角坐标)作为起算数据,对Ⅲ级网进行三维约束平差,三维约束平差中,所有基线分量的改正数绝对值均满足:VΔx≤2σ,VΔy≤2σ,VΔz≤2σ。三维约束基线向量改正数最大值见表3。

表3 三维约束基线向量改正数最大值统计表 单位：cm

(3)二维约束平差(万山独立坐标系)。为了城市测量的需要,本项目需要获得万山独立坐标系的成果,选取已知万山独立坐标系成果的WLD1、WLD2两点作为固定点,对Ⅲ级网进行二维约束平差[12-13],平差后最弱点为WLD4,点位误差为1.13 cm,平差后的最弱边为WLD1-WLD5,相对中误差为1/308000。

2.3 网平差精度检核对比

对本项目分别采用GAMIT v10.72与Trimble Business Center v5.31进行基线解算及平差后作整体对比[14-15],对比结果见表4。由表4可以看出,Δx最大值为0.003 0 m,Δy最大值为0.007 2 m,Δz最大值为-0.005 0 m,坐标差值中误差为0.003 8 m。三个等级的控制网中,GAMIT与TBC处理后基线的平差结果相差很小,具有很强的兼容性。因此可以说明本项目控制网数据质量及数据处理合格,精度可靠。

表4 空间直角坐标检核结果统计表 单位：m

3 CORS站布设控制网的优势

本项目中控制网布设利用CORS站数据进行基准传递与传统GPS控制网相比具有以下优势:

(1)CORS基准站可以与任何时间的观测数据形成同步观测基线,充分利用永久性CORS站的实时观测数据,能极大地减轻外业工作量,有效提高布网效率。

(2)对于远离内陆的偏远海岛,控制点稀少或破坏严重,布设相应等级的GNSS控制网时,可综合利用海岛周边的CORS站数据,通过多级布网及解算来实现控制网的布设。

(3)通过CORS站分级布网得到海岛控制点的CGCS2000坐标及海岛独立坐标系坐标后,可求取二者之间的转换参数,为以后的海岛测量提供基准。

4 结束语

本项目综合利用ZHBDCORS站及香港CORS站数据,通过分级布网,逐级解算,最终得到外伶仃岛GNSS E级控制网的高精度CGCS2000坐标及对应的万山独立坐标系坐标,证明了在偏远海岛GNSS控制网建立中利用CORS站数据传递基准的可行性。