曹學(xué)禮，張旭東，葛章發(fā)，符華年

(寧波市測繪設(shè)計研究院，浙江寧波 315041)

寧波市2000國家大地坐標(biāo)系聯(lián)測及數(shù)據(jù)處理

曹學(xué)禮?，張旭東，葛章發(fā)，符華年

(寧波市測繪設(shè)計研究院，浙江寧波 315041)

寧波市2000國家大地坐標(biāo)系聯(lián)測及數(shù)據(jù)處理，獲取了寧波市2000國家大地坐標(biāo)系的大地基準(zhǔn)和原有GPS控制點(diǎn)的2000國家大地坐標(biāo)成果，并經(jīng)過實(shí)地檢測驗(yàn)證；更新了寧波市GPS控制點(diǎn)的54坐標(biāo)系、80坐標(biāo)系的平面坐標(biāo)，建立了已有坐標(biāo)系與2000國家大地坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了基于NBCORS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的似大地水準(zhǔn)面成果聯(lián)合應(yīng)用。

2000國家大地坐標(biāo)系；IGS；聯(lián)測；數(shù)據(jù)處理；檢測；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

1 引 言

國務(wù)院批準(zhǔn)自2008年7月1日啟用我國的地心坐標(biāo)系——2000國家大地坐標(biāo)系(China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000)。該項(xiàng)工作由國家測繪局統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)，國務(wù)院各有關(guān)部門和各級測繪主管部門分工負(fù)責(zé)，進(jìn)行各類基礎(chǔ)測繪成果和基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，建立各地相對獨(dú)立的平面坐標(biāo)系統(tǒng)與2000國家大地坐標(biāo)系的有效聯(lián)系。寧波市規(guī)劃局作為主管全市基礎(chǔ)測繪工作的職能部門，對此十分重視，在已經(jīng)建成的寧波市現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系基礎(chǔ)上，于2008年下半年著手立項(xiàng)研究寧波市2000國家大地坐標(biāo)系的建設(shè)工作，于2009年初向?qū)幉ㄊ袦y繪設(shè)計研究院下達(dá)了“寧波市2000國家大地坐標(biāo)系聯(lián)測及數(shù)據(jù)處理”基礎(chǔ)測繪任務(wù)。我院于2009年3月組織該項(xiàng)目的實(shí)施，于2009年10月完成。

寧波市2000國家大地坐標(biāo)系聯(lián)測及數(shù)據(jù)處理的目標(biāo)是:以新建立的寧波市全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)為坐標(biāo)框架，通過聯(lián)測具有2000國家大地坐標(biāo)的IGS全球跟蹤站，獲取寧波市2000國家大地坐標(biāo)系的大地基準(zhǔn)；通過聯(lián)測似大地水準(zhǔn)面GPS控制網(wǎng)的框架點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)基于NBCORS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的似大地水準(zhǔn)面成果聯(lián)合應(yīng)用；通過聯(lián)測原寧波市GPS控制網(wǎng)中的基本點(diǎn)，獲取寧波市原有基本點(diǎn)的寧波市2000國家大地坐標(biāo)成果；通過聯(lián)測省GPS基礎(chǔ)控制網(wǎng)在寧波市域分布的GPS控制點(diǎn)，更新寧波市所有GPS控制點(diǎn)的1954北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系的平面坐標(biāo)；建立寧波市獨(dú)立坐標(biāo)系、1954北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系與2000國家大地坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系。

2 寧波市現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)現(xiàn)狀

2.1 寧波市連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)

寧波市連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)是寧波市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)的子系統(tǒng)之一，是NBCORS的數(shù)據(jù)源，也是用于構(gòu)建和維持寧波市空間定位參考框架的基準(zhǔn)站。它主要用于實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星信號的捕獲、跟蹤、記錄和傳輸，其穩(wěn)定性和可靠性直接影響到系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)由8個站組成，分別是寧波站、余姚站、鄞州站、大榭站、寧海站、象山站、石浦站和慈溪站，2008年建成并投入使用。

2.2 似大地水準(zhǔn)面精化網(wǎng)

似大地水準(zhǔn)面精化網(wǎng)于2007年建立，全網(wǎng)由框架網(wǎng)和基本網(wǎng)組成，共布設(shè)6個框架點(diǎn)和55個基本點(diǎn)。GPS網(wǎng)分別按GPS B、C級精度布設(shè)，用二等水準(zhǔn)聯(lián)測高程，利用重力數(shù)據(jù)和高精度 GPS水準(zhǔn)成果，以GGM02C和WDM94聯(lián)合地球重力場模型作為參考重力場，由第二類Helmert凝集法完成了似大地水準(zhǔn)面的計算，利用球冠諧調(diào)和分析方法將重力似大地水準(zhǔn)面與GPS水準(zhǔn)聯(lián)合求解得出的2′×2′格網(wǎng)似大地水準(zhǔn)面，其精度為±0.006 m。

2.3 寧波市GPS控制網(wǎng)

寧波市GPS控制網(wǎng)于2004年完成，全網(wǎng)由框架網(wǎng)、基本網(wǎng)構(gòu)成。

框架網(wǎng)點(diǎn)6個，聯(lián)測了7個國際IGS連續(xù)運(yùn)行站，采用了美國麻省理工學(xué)院的GAMITH和GLOBK軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲取了精確的WGS－84坐標(biāo)，實(shí)際精度達(dá)到了國家GPS A級點(diǎn)的要求。

基本網(wǎng)點(diǎn)54個，按GPS C級精度布設(shè)，具有精確的WGS－84坐標(biāo)。

2.4 寧波市高程控制網(wǎng)

寧波市高程控制網(wǎng)主要包括寧波市二等基本水準(zhǔn)網(wǎng)和市區(qū)一、二等地面沉降監(jiān)測水準(zhǔn)網(wǎng)。

3 2000國家大地坐標(biāo)系的聯(lián)測及數(shù)據(jù)處理

3.1 項(xiàng)目內(nèi)容

(1)GPS框架網(wǎng)聯(lián)測:通過聯(lián)測 IGS站建立的2000國家大地坐標(biāo)系GPS框架網(wǎng)；

(2)GPS基本網(wǎng)聯(lián)測:通過聯(lián)測 IGS站建立的2000國家大地坐標(biāo)系GPS基本網(wǎng)；

(3)似大地水準(zhǔn)面框架網(wǎng)聯(lián)測:實(shí)現(xiàn)基于NBCORS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的似大地水準(zhǔn)面成果；

(4)2000 GPS控制網(wǎng)及原有GPS控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理；

(5)各種坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系的建立；

(6)聯(lián)測成果的檢測。

3.2 聯(lián)測方案

(1)GPS框架網(wǎng)聯(lián)測

2000 GPS框架網(wǎng)聯(lián)測工作的主要目的是獲取高精度的2000國家大地坐標(biāo)，統(tǒng)一NBCORS參考站網(wǎng)與似大地水準(zhǔn)面成果的基準(zhǔn)，即統(tǒng)一歸屬至2000國家大地坐標(biāo)系新的坐標(biāo)參考框架。將8個NBCORS參考站、6個GPS框架網(wǎng)點(diǎn)與IGS站的聯(lián)測和高精度的數(shù)據(jù)處理，精確獲得NBCORS參考站點(diǎn)和GPS框架點(diǎn)的2000國家大地坐標(biāo)，作為建立寧波市2000國家大地坐標(biāo)系的大地基準(zhǔn)。

按GPS A級網(wǎng)精度設(shè)計和聯(lián)測。

(2)GPS基本網(wǎng)聯(lián)測

將原有GPS基本網(wǎng)與NBCORS參考站點(diǎn)和GPS框架點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測，精確求定GPS基本網(wǎng)點(diǎn)的2000國家大地坐標(biāo)；以GPS框架點(diǎn)獲取8個參考站點(diǎn)1954北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系及寧波市獨(dú)立坐標(biāo)系坐標(biāo)，建立已有各類坐標(biāo)系與2000國家大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

按GPS C級網(wǎng)精度設(shè)計和聯(lián)測。

2000 GPS網(wǎng)聯(lián)測的測站及聯(lián)測時間 表1

6個IGS站的基本情況表 表2

3.3 基線處理

(1)框架網(wǎng)基線處理

基線處理軟件采用美國麻省理工學(xué)院(MIT)和Scripps研究所(SIO)共同研制的GAMIT(Ver 10.31)軟件。采用IGS精密星歷，其軌道精度達(dá)到 0.05 m。選取具有2000國家大地坐標(biāo)系成果(ITRF97框架、2000.0歷元)的BJFS、KUNM、SHAO、SUWN、WUHN、DAEL等IGS站為GPS控制網(wǎng)基線解算的約束基準(zhǔn)。

(2)基本網(wǎng)基線處理

基本方法同框架網(wǎng)聯(lián)測基線處理，但采用的觀測值歷元間隔為 10 s，且軌道固定，起算點(diǎn)為NBCORS參考站及6個框架點(diǎn)。

(3)同步環(huán)檢核

框架網(wǎng)聯(lián)測共解算了53個時段，nrms值最大為0.37；基本網(wǎng)聯(lián)測有 11個時段，最大的 nrms值為0.36。GPS網(wǎng)的整體外業(yè)觀測質(zhì)量較高。

(4)重復(fù)基線

框架網(wǎng)聯(lián)測的基線重復(fù)性在南北方向上為0.95 mm＋0.37×10－8，在東西方向上為1.49 mm＋0.38 ×10－8，在垂直方向?yàn)?4.74 mm＋0.53×10－8，在基線長度方向?yàn)?.23 mm＋0.25×10－8。

基本網(wǎng)聯(lián)測的基線重復(fù)性在南北方向上為6.76 mm－3.70×10－8，在東西方向上為7.26 mm－3.31 ×10－8，在垂直方向?yàn)?1.46 mm－4.16×10－8，在基線長度方向?yàn)?4.48 mm－1.79×10－8?；€處理的精度優(yōu)于技術(shù)設(shè)計的要求。

3.4 三維網(wǎng)平差

(1)2000框架網(wǎng)平差

采用武漢大學(xué)編制的POWERNET科研版軟件，起算點(diǎn)為WUHN、BJFS、SHAO，采用各同步觀測網(wǎng)的獨(dú)立基線向量及其全協(xié)方差矩陣作為觀測量。

平差之后進(jìn)行了結(jié)果精度分析。框架網(wǎng)聯(lián)測的平均相對精度為0.011 ppm，最弱邊相對精度為0.428 ppm。

GPS點(diǎn)位坐標(biāo)分量在水平方向上的平均精度為±0.002 0 m，大地高方向?yàn)椤?.003 8 m。最弱點(diǎn)為XS02，其水平精度為±0.006 7 m，大地高精度為±0.013 6 m。

(2)2000基本網(wǎng)平差

采用武漢大學(xué)編制的POWERNET科研版軟件進(jìn)行平差處理，起算點(diǎn)為:NBCORS參考站點(diǎn)和GPS框架點(diǎn)的CGCS2000坐標(biāo)，采用各同步觀測網(wǎng)的獨(dú)立基線向量及其全協(xié)方差矩陣作為觀測量。

平差后的精度:基線精度優(yōu)于0.5 ppm；最弱邊相對精度為1.443 ppm。

3.5 二維網(wǎng)平差

采用武漢大學(xué)GNSS工程研究中心編制的POWERADJ 3.0商業(yè)版軟件，基線采用框架網(wǎng)聯(lián)測和基本網(wǎng)聯(lián)測所得到的獨(dú)立基線，起算點(diǎn)為GPS框架點(diǎn)，分別采用的1954北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系和寧波市獨(dú)立坐標(biāo)系坐標(biāo)進(jìn)行平差計算。

3.6 新舊成果比較

(1)與2007年似大地水準(zhǔn)面精化網(wǎng)成果比較:水平分量最大差值1.4 cm，大地高最大差值4.6 cm；

(2)與2004年基本網(wǎng)成果比較:水平分量最大差值2.8 cm，大地高最大差值8.8 cm。

聯(lián)測處理后的2000國家大地坐標(biāo)成果與原網(wǎng)WGS－84成果比較差異較小，是由于2004年基本網(wǎng)和2007年精化網(wǎng)聯(lián)測了國際IGS連續(xù)運(yùn)行站點(diǎn)，充分說明了前期WGS－84成果的可靠性。

4 2000國家大地坐標(biāo)成果檢測

實(shí)地測量原GPS控制網(wǎng)點(diǎn)的2000國家大地坐標(biāo)，與計算的新成果比較，計算其較差。

檢測點(diǎn)位均勻分布于全市，主要選擇以下點(diǎn)位檢測:

(1)對不同GPS網(wǎng)點(diǎn)中的重合點(diǎn)，尤其是與省GPS基礎(chǔ)控制網(wǎng)重合點(diǎn)進(jìn)行檢測；

(2)對不同等級的GPS網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行檢測；

(3)對各GPS控制網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行檢測。

共檢測32個GPS網(wǎng)點(diǎn)。檢測的方法是基于NBCORS網(wǎng)絡(luò)平臺，采用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)直接測量其2000國家大地坐標(biāo)，每個點(diǎn)位觀測分2個時段共4個測回，每測回采樣率1 s、采集≥30個歷元。

觀測的要求按《NBCORS網(wǎng)絡(luò)RTK測量技術(shù)規(guī)定(試行)》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。其主要技術(shù)指標(biāo)如表3。

NBCORS網(wǎng)絡(luò)RTK測量檢測技術(shù)要求 表3

檢測結(jié)果:水平方向的較差絕對值的平均值為0.018 m，最大值為0.040 m，標(biāo)準(zhǔn)差為0.009 m；垂直方向的較差絕對值的平均值為 0.019 m，最大值為0.048 m，標(biāo)準(zhǔn)差為0.015 m。

網(wǎng)絡(luò)RTK動態(tài)測量的檢測結(jié)果與其靜態(tài)測量的平差結(jié)果符合性較好，說明其不同GPS控制網(wǎng)點(diǎn)的2000國家大地坐標(biāo)系下的平差精度較高，這不僅達(dá)到了本項(xiàng)目數(shù)據(jù)處理的設(shè)計要求，而且滿足了寧波市2000國家大地坐標(biāo)成果的應(yīng)用需求。

5 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

5.1 轉(zhuǎn)換關(guān)系

由于新建了寧波市的2000國家大地坐標(biāo)系，同時更新了1954北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系和寧波市獨(dú)立坐標(biāo)系的成果，且原有的轉(zhuǎn)換關(guān)系與2000國家大地坐標(biāo)系無聯(lián)系，為此須建立坐標(biāo)系間新的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

各種坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖1所示。

圖1 寧波市空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系圖

5.2 轉(zhuǎn)換模型及轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)

寧波市獨(dú)立坐標(biāo)系、1954北京坐標(biāo)系及1980西安坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換主要是獲取其平面坐標(biāo)，而正常高的計算主要還是依賴似大地水準(zhǔn)面精化的成果，為此坐標(biāo)轉(zhuǎn)換主要考慮其平面坐標(biāo)的精度。但2000國家大地坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)均是三維坐標(biāo)，且網(wǎng)絡(luò)RTK儀器目前內(nèi)置的轉(zhuǎn)換模型也均采用七參數(shù)法，顧及到寧波市域東西距離為110 km(不包括海域)，若采用平面四參數(shù)法轉(zhuǎn)換將會帶來較大的變形誤差，因此坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型采用了布爾莎三維七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型。

利用寧波市原GPS控制網(wǎng)點(diǎn)、新建2000 GPS控制網(wǎng)點(diǎn)、參考站點(diǎn)和框架點(diǎn)(共61個)的各種坐標(biāo)系成果作為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，采用我院“寧波市空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)”軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換殘差的中誤差為±1.48 cm。

6 結(jié) 語

寧波市2000國家大地坐標(biāo)系聯(lián)測及數(shù)據(jù)處理，獲取了寧波市2000國家大地坐標(biāo)系的大地基準(zhǔn)和原有GPS控制點(diǎn)的2000國家大地坐標(biāo)成果，更新了寧波市GPS控制點(diǎn)的1954北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系的平面坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了基于NBCORS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的似大地水準(zhǔn)面成果聯(lián)合應(yīng)用，建立了寧波市獨(dú)立坐標(biāo)系、1954北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系與2000國家大地坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系。其主要特點(diǎn)如下:

(1)寧波市2000 GPS控制網(wǎng)聯(lián)測方案，聯(lián)測了IGS連續(xù)運(yùn)行跟蹤站點(diǎn)、NBCORS站點(diǎn)、GPS框架網(wǎng)與基本網(wǎng)點(diǎn)、省GPS基礎(chǔ)控制網(wǎng)點(diǎn)和寧波市似大地水準(zhǔn)面精化網(wǎng)點(diǎn)，顧及了聯(lián)合應(yīng)用的需要，具有前瞻性和科學(xué)性。

(2)數(shù)據(jù)采集采用了多臺雙頻GPS接收機(jī)同步觀測，同步圖形之間采用基準(zhǔn)站網(wǎng)聯(lián)式連接，觀測的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于規(guī)范要求，采集的數(shù)據(jù)精度高，質(zhì)量可靠。

(3)數(shù)據(jù)處理方法先進(jìn)，軟件模型嚴(yán)密，起算數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，計算成果可靠，并經(jīng)過實(shí)地檢測驗(yàn)證。

(4)新的2000國家大地坐標(biāo)成果與原網(wǎng)點(diǎn)WGS－84成果差異很小，水平分量最大差值2.8 cm，大地高最大差值8.8 cm。

(5)建立了的坐標(biāo)系間的精確坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了各種坐標(biāo)系與2000國家大地坐標(biāo)系的聯(lián)系。

[1]陳俊勇，黨亞民，張鵬.建設(shè)我國現(xiàn)代化測繪基準(zhǔn)體系的思考.測繪通報，2009(7)

[2]施一民.現(xiàn)代大地控制測量[M].北京:測繪出版社，2003

[3]施一民，王勇紅，施寶湘等.改建城市控制網(wǎng)的探討與實(shí)踐.工程勘察，2006(1)

[4]曹學(xué)禮，張旭東，金頌偉等.寧波市現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系的構(gòu)建.城市勘測，2008(2)

Associated Measurement and Data Processing of China Geodetic Coordinate System 2000 in NingBo city

Cao XueLi，Zhang XuDong，Ge ZhangFa，F(xiàn)u HuaNian
(NingBo design research institute of surveying and mapping，NingBo 315041，China)

Throuth the associated measurement and data processing of China Geodetic Coordinate System 2000 of NingBo city，wo have got the geodetic datum and the coordinates of original GPS control point of China Geodetic Coordinate System 2000.At the same time，the coordinates have been validated；We also have updated the GPS control point of 54 coorsdinates system and 80 coordinates system of Ningbo City，established the coordinates transformation relations between original coordinates systems and China Geodetic Coordinates System 2000，realized the application of quasi－geoid on the base of NBCORS network－based RTK technology.

China Geodetic Coordinate System 2000；IGS；associated measurement；data processing；detection；coordinates transformation

1672－8262(2010)04－86－04

P228

A

2009—12—02

曹學(xué)禮(1956—)，男，總工程師，教授級高級工程師，主要從事測繪科技管理和研究工作。