鄒俊平，季善標(biāo)，余美義

(上海市測(cè)繪院，上海 200063)

上海市VRS系統(tǒng)框架穩(wěn)定性分析

鄒俊平?，季善標(biāo)，余美義

(上海市測(cè)繪院，上海 200063)

目前各個(gè)省市都相繼建立了自己的基準(zhǔn)站網(wǎng)，國(guó)家測(cè)繪局亦在籌建全國(guó)性的基準(zhǔn)站網(wǎng)。上海市VRS系統(tǒng)作為較早一批建立的城市基準(zhǔn)站網(wǎng)，至今已有效運(yùn)行4年多，有必要對(duì)上海市VRS系統(tǒng)框架的穩(wěn)定性進(jìn)行一些探討分析。本文以上海市VRS系統(tǒng)框架穩(wěn)定性分析為例，在分析自身系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)，對(duì)影響基準(zhǔn)站網(wǎng)穩(wěn)定性的原因進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，所采用的基準(zhǔn)站穩(wěn)定性分析方法能達(dá)到比較理想的效果。本文還希望通過(guò)基準(zhǔn)站網(wǎng)的穩(wěn)定性分析等手段拓展基準(zhǔn)站網(wǎng)為城市形變分析、維持城市坐標(biāo)框架等方面的應(yīng)用。

系統(tǒng)框架；穩(wěn)定性；重心平差；坐標(biāo)偏移

上海市VRS系統(tǒng)是上海市GPS綜合應(yīng)用網(wǎng)的擴(kuò)展和延伸，是上海市空間信息應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施，也是上海市數(shù)字城市、城市規(guī)劃建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施。該系統(tǒng)是城市規(guī)劃、市政建設(shè)、管線測(cè)量、變形監(jiān)控、地震災(zāi)害、氣象應(yīng)用、交通運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)行業(yè)應(yīng)用的綜合空間服務(wù)系統(tǒng)。上海市VRS系統(tǒng)作為維持上海市城市坐標(biāo)框架的重要基石，在覆蓋全市的各種比例尺數(shù)字地圖生產(chǎn)、保障城市建設(shè)等方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。

上海市VRS系統(tǒng)將幀中繼專線通訊用于參考站與控制中心的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊，很好地解決了數(shù)據(jù)傳輸延遲和安全性問(wèn)題；而用戶(流動(dòng)站)采用GPRS數(shù)據(jù)鏈與控制中心連結(jié)，可以實(shí)現(xiàn)雙向有關(guān)定位修正信息咨詢。在系統(tǒng)集成同時(shí)，在內(nèi)部局域網(wǎng)LAN上研制完成了系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)布與應(yīng)用運(yùn)行管理平臺(tái)，其功能包括實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)應(yīng)用和靜態(tài)數(shù)據(jù)下載后處理等各類用戶注冊(cè)、監(jiān)控、服務(wù)和管理等。初步形成國(guó)內(nèi)首個(gè)基于VRS技術(shù)的GPS網(wǎng)絡(luò)RTK數(shù)據(jù)發(fā)布與應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)。

上海市VRS系統(tǒng)自2005年建成，2006年6月正式商業(yè)化運(yùn)行以來(lái)，系統(tǒng)已經(jīng)順利、有效運(yùn)行4年多。院內(nèi)外用戶數(shù)已經(jīng)達(dá)到264個(gè)，并且以平均每年30個(gè)左右的速度在增長(zhǎng)。涉及的行業(yè)主要有市政、電力、煤氣、測(cè)繪、勘測(cè)、儀器廠商等。使用的儀器設(shè)備有南方靈銳、徠卡GX1230、拓普康HiPer、泰雷茲Tales、天寶的DGPS產(chǎn)品等。截止到2009年11月，用戶累計(jì)RTK(厘米級(jí)實(shí)時(shí)定位)使用時(shí)間達(dá)到39 530小時(shí)，累計(jì)RTD(亞米級(jí)實(shí)時(shí)定位)使用時(shí)間為792小時(shí)。應(yīng)該說(shuō)實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，極大地提高了生產(chǎn)效率，也達(dá)到了項(xiàng)目建設(shè)的預(yù)期目標(biāo)。

然而，系統(tǒng)基準(zhǔn)站點(diǎn)雖大多建于穩(wěn)定的建筑物上，但由于上海地區(qū)本身的板塊偏移和沉降因素，特別是在2007年強(qiáng)臺(tái)風(fēng)、2008年汶川地震波的綜合作用下，隨著時(shí)間的推移，勢(shì)必會(huì)對(duì)上海市VRS系統(tǒng)基準(zhǔn)站點(diǎn)的穩(wěn)定性造成一定的影響。為保障系統(tǒng)的可靠性并提供有效服務(wù)，必須對(duì)上海市VRS系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行有效且及時(shí)的分析評(píng)價(jià)。

1 數(shù)據(jù)處理方法模型

上海天文臺(tái)的GPS站(位于佘山)是國(guó)際GPS服務(wù)網(wǎng)IGS的核心站，它既是全球的基準(zhǔn)站，又是全國(guó)的基準(zhǔn)站，其站坐標(biāo)的精度優(yōu)于 1 cm，位移速度的精度優(yōu)于3 mm/年，是目前全國(guó)精度最高的GPS站。在系統(tǒng)框架穩(wěn)定性分析中以上海天文臺(tái)GPS站作為聯(lián)測(cè)基準(zhǔn)站，不僅保證了該網(wǎng)的高精度，保障了系統(tǒng)分析的可靠性，而且能使該網(wǎng)的各種GPS應(yīng)用服務(wù)納入全球的應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，與國(guó)際接軌，建立該網(wǎng)與各種國(guó)際GPS服務(wù)網(wǎng)之間的聯(lián)系和轉(zhuǎn)換關(guān)系。

在數(shù)據(jù)處理方法上，采取以下3個(gè)步驟:

(1)選取上海VRS系統(tǒng)原9個(gè)基準(zhǔn)站和上海IGS站SHAO于2008年1月～10月中每月3天30秒鐘的原始數(shù)據(jù)在GAMIT中使用IGS精密星歷進(jìn)行基線解算。

(2)為分析各基準(zhǔn)站的坐標(biāo)偏移量，對(duì)這些基線再在三維空間中進(jìn)行重心平差，同時(shí)確定9個(gè)基準(zhǔn)站以及上海IGS站SHAO新的上海WGS－84坐標(biāo)。

(3)將各基準(zhǔn)站點(diǎn)的三維空間直角坐標(biāo)XYZ轉(zhuǎn)換到各個(gè)站點(diǎn)的站心地平直角坐標(biāo)系坐標(biāo)，分別從水平北方向(N方向)，水平東方向(E方向)，垂直方向(U方向)對(duì)各個(gè)基準(zhǔn)站坐標(biāo)進(jìn)行分析。

在數(shù)據(jù)處理方面主要涉及基線解算、網(wǎng)平差和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。按照數(shù)據(jù)處理流程簡(jiǎn)要介紹其數(shù)學(xué)模型。采用GAMIT軟件對(duì)選取的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算。在完成GAMIT基線解算后，首先進(jìn)行GPS網(wǎng)三維約束平差。觀測(cè)方程如下:

組成法方程后，消去已知點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的行和列，利用最小二乘法求解的未知點(diǎn)三維坐標(biāo)。為充分考慮已知點(diǎn)的穩(wěn)定性，還需要進(jìn)行重心平差(擬穩(wěn)平差)。在上面的觀測(cè)方程中，將已知點(diǎn)亦當(dāng)作未知點(diǎn)進(jìn)行解算，引入下面的基準(zhǔn)方程:

同時(shí)考慮已知點(diǎn)改正數(shù)平方和最小，根據(jù)觀測(cè)方程和基準(zhǔn)方程，按照最小二乘原理進(jìn)行平差解算，得到WGS－84空間平差結(jié)果。

圖1 空間大地直角坐標(biāo)與站心地平直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意

為對(duì)各基準(zhǔn)站點(diǎn)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，還需要將WGS－84空間三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成以各基準(zhǔn)站點(diǎn)為站心的測(cè)站坐標(biāo)。采用最常用的左手系的站心地平直角坐標(biāo)系，如圖1所示。3個(gè)坐標(biāo)軸X，Y，Z表示空間大地直角坐標(biāo)系，N，E，U表示左手系的站心地平直角坐標(biāo)系，以測(cè)站P0點(diǎn)為原點(diǎn)，以站心P0點(diǎn)的法線為U軸，取大地天頂方向?yàn)檎颍辉诘仄矫嫔?，以子午線方向?yàn)镹軸(向北為正)，E軸與N軸正交(東向?yàn)檎?。就坐標(biāo)系的不同表述形式而言，站心地平直角坐標(biāo)與空間大地直角坐標(biāo)所屬的兩種坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)及3個(gè)坐標(biāo)軸指向均不相同，存在著平移和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。為此可將坐標(biāo)原點(diǎn)從橢球中心平移到測(cè)站中心P0，3個(gè)平移量即為P0點(diǎn)在空間大地直角坐標(biāo)系中的3個(gè)坐標(biāo)分量，它的3個(gè)坐標(biāo)軸用來(lái)表示，分別平行于X，Y，Z軸，以此坐標(biāo)系為過(guò)渡，即可得出任一網(wǎng)點(diǎn)i的站心地平直角坐標(biāo)(Ni，Ei，Ui)與空間大地直角坐標(biāo)(Xi，Yi，Zi)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系式 :

上式中，(B0，L0，H0)乃是站心坐標(biāo)系原點(diǎn)P0的大地坐標(biāo)，(Ni，Ei，Ui)為網(wǎng)點(diǎn)i在該站心地平直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，(Xi，Yi，Zi)表示網(wǎng)點(diǎn)i的空間大地直角坐標(biāo)。

處理數(shù)據(jù)基準(zhǔn)站站名:IGS站1點(diǎn):SHAO(佘山)；上海VRS系統(tǒng)基準(zhǔn)點(diǎn)9點(diǎn):CMMZ(崇明)，LGXC(臨港)，SHBS(寶山)，SHCH(測(cè)繪院)，SHJD(嘉定)，SHJS(金山)，SHQP(青浦)，SHXZ(莘莊)，SSJG(三甲港)；江蘇3點(diǎn):JSDS(淀山)，JSQD(啟東)，JSTC(太倉(cāng))，網(wǎng)圖如圖2所示。

圖2 基準(zhǔn)站網(wǎng)網(wǎng)點(diǎn)分布示意圖

2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果比較

依照上述數(shù)據(jù)處理方法和模型，將各基準(zhǔn)站計(jì)算結(jié)果與目前采用的基準(zhǔn)站坐標(biāo)分別在NEU 3個(gè)方向進(jìn)行比較分析。發(fā)現(xiàn)水平北方向和水平東方向基準(zhǔn)站點(diǎn)的平均坐標(biāo)偏移都在10 mm以內(nèi)(除SHAO站)，在垂直方向的平均坐標(biāo)偏移普遍達(dá)到20 mm，特別是SHCH站點(diǎn)達(dá)到40 mm左右，具體數(shù)據(jù)比較如圖3～圖5所示。

圖3 各站點(diǎn)北方向與已知坐標(biāo)偏移量

圖4 各站點(diǎn)東方向與已知坐標(biāo)偏移量

圖5 各站點(diǎn)垂直方向與已知坐標(biāo)偏移量

3 坐標(biāo)偏移原因分析

水平北方向和水平東方向兩個(gè)方向的偏移應(yīng)該主要是由于采取的計(jì)算模型誤差所引起的。由于采取重心平差的方式，將觀測(cè)誤差在各個(gè)站點(diǎn)上進(jìn)行了一定的分配，造成各個(gè)站點(diǎn)計(jì)算結(jié)果均會(huì)出現(xiàn)一定的偏移量。其次，由于整個(gè)板塊的漂移，可能產(chǎn)生一定的整體坐標(biāo)系統(tǒng)偏移。

垂直方向的偏移主要是由于上海地區(qū)的沉降造成。同時(shí)造成各個(gè)基準(zhǔn)站U方向偏移量相差比較大的主要原因，應(yīng)該是上海本身各個(gè)地區(qū)沉降不均勻所造成的。由于沉降的不均勻性，會(huì)對(duì)整個(gè)VRS系統(tǒng)測(cè)量的精度與上海城市坐標(biāo)系統(tǒng)框架產(chǎn)生影響。為對(duì)偏移量進(jìn)行一定的量化分析，選取沉降比較嚴(yán)重的SHCH為例，采用10個(gè)月的數(shù)據(jù)進(jìn)行了線形回歸分析，結(jié)果如表1所示。

SHCH(測(cè)繪院)站點(diǎn)3個(gè)方向坐標(biāo)偏移量線形回歸分析 表1

4 結(jié) 論

剔除觀測(cè)誤差，數(shù)據(jù)處理誤差的影響，水平北方向與水平東方向的坐標(biāo)偏移主要原因應(yīng)該由板塊漂移所引起，考慮到上海城市坐標(biāo)系統(tǒng)的整體性與穩(wěn)定性可以不進(jìn)行改正。垂直方向的坐標(biāo)偏移量，從回歸函數(shù)上看已經(jīng)達(dá)到41.877 mm，有必要對(duì)SHCH站該方向坐標(biāo)進(jìn)行一定的調(diào)整，以滿足城市VRS測(cè)量以及維持坐標(biāo)框架精度的需要。至于調(diào)整的方法，推薦采用約束其他基準(zhǔn)站點(diǎn)坐標(biāo)方式進(jìn)行空間三維經(jīng)典平差求取SHCH新坐標(biāo)，對(duì)此，本文不再詳細(xì)介紹。

[1]陳俊平，王解先.中國(guó)境內(nèi)IGS站數(shù)據(jù)處理及地殼運(yùn)動(dòng)研究.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005年10月第33卷第10期

[2]季善標(biāo)，王解先.上海市首級(jí)控制網(wǎng)改造.工程勘察，2004 (5)

[3]施一民，王勇紅，張虎等.GPS附和網(wǎng)3維平差的方法和應(yīng)用.測(cè)繪通報(bào)，2005(7)

Framework Stability Analysis of Shanghai Virtual Reference System(VRS)

Zou JunPing，Ji ShanBiao，Yu MeiYi
(Shanghai Municipal Institute of Surveying and Mapping(SMISM)，Shanghai 200063，China)

At present，various GNSS station networks of local provinces and municipalities have been set up step by step，and a nationwide GNSS station network is prepared to be set up by the State Bureau of Surveying and Mapping(SBSM)in the near future.As the earlier GNSS station network，the Virtual Reference System(VRS)which is built by Shanghai Municipal Institute of Surveying and Mapping(SHSMI)has been in effective operation for 4 years.It’s necessary to analyze the framework stability of Shanghai Virtual Reference System in order to improve the service of shanghai VRS.In this paper，the author signs up some reasons which affecting the framework stability and proposes a useful method which can be applied in the framework stability analysis of the VRS.The effective of this method has also been proved at last. The author also hopes that the framework stability analysis method to be used in area of urban deformation analysis and the maintenance of city coordinates framework.

system framework；stability；barycenter adjustment；coordinates offset

1672－8262(2010)04－80－03

P228

A

2010—01—05

鄒俊平(1982—)，男，工程師，主要從事精密工程測(cè)量與GPS應(yīng)用研究。