張阿麗，熊福文，朱文耀

(1.中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)，新疆烏魯木齊830011;2.上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海200072;3.中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)，上海200030)

一、引 言

地球及其周?chē)h(huán)境是一個(gè)不穩(wěn)定系統(tǒng)，研究地球的整體運(yùn)動(dòng)(地球在空間平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng))和地球的局部運(yùn)動(dòng)(巖石圈板塊運(yùn)動(dòng)、地殼各種地質(zhì)地球物理因素引起的地殼形變和空間環(huán)境變化等)，必須要有一個(gè)固連于地球的地球參考系。

地球參考框架是地球參考系的具體實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用形式，對(duì)多種技術(shù)觀測(cè)結(jié)果的綜合利用是獲得可靠的高精度、高時(shí)間穩(wěn)定性，以及獨(dú)立于任何觀測(cè)技術(shù)的地球參考框架的必然途徑，這就必然要求多種技術(shù)在觀測(cè)臺(tái)站實(shí)現(xiàn)并置。國(guó)際地球參考框架(ITRF)是對(duì) VLBI、SLR、GPS、DORIS 等多種空間大地測(cè)量技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的地球參考框架的綜合。進(jìn)行這種綜合的基本約束參數(shù)是在多技術(shù)并置站獲得不同技術(shù)參考點(diǎn)之間的三維坐標(biāo)差，即本地連接參數(shù)。

測(cè)站參考點(diǎn)通常指主轉(zhuǎn)動(dòng)軸與從屬軸所在平面的交點(diǎn)，位于設(shè)備內(nèi)部，并非一個(gè)具體可以觀測(cè)的物理參考點(diǎn)。為監(jiān)測(cè)它在ITRF中的變化，一般通過(guò)常規(guī)大地測(cè)量建立參考點(diǎn)和測(cè)控點(diǎn)間的位置關(guān)系，通過(guò)GPS測(cè)量獲得測(cè)控點(diǎn)在ITRF下的坐標(biāo)，再經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換最終得到參考點(diǎn)在ITRF中的坐標(biāo)。由此可見(jiàn)，GPS測(cè)量資料的歸算精度及其與常規(guī)大地測(cè)量結(jié)果之間轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解精度將直接影響本地連接參數(shù)的測(cè)量精度。

新疆天文臺(tái)同時(shí)擁有GPS與VLBI空間大地測(cè)量技術(shù)(如圖1所示)，技術(shù)多且觀測(cè)資料時(shí)段長(zhǎng)，是國(guó)際、國(guó)內(nèi)VLBI觀測(cè)網(wǎng)與GPS觀測(cè)網(wǎng)的重要觀測(cè)臺(tái)站之一。但南山觀測(cè)站一直以來(lái)都缺少高精度的本地連接，可以說(shuō)是國(guó)際、國(guó)內(nèi)并置站的一大缺憾。鑒于此，2011年8月筆者所在單位首次對(duì)南山觀測(cè)站開(kāi)展了GPS與VLBI本地連接測(cè)量，目的是研究新疆天文臺(tái)VLBI、GPS觀測(cè)并置站本地連接關(guān)系，開(kāi)展對(duì)南山測(cè)站參考點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，進(jìn)而研究測(cè)站中長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)。

圖1 南山觀測(cè)站GPS與VLBI分布示意圖

二、控制網(wǎng)的布設(shè)與觀測(cè)

在測(cè)量工作中，為控制測(cè)量誤差的傳遞與積累，保證必要的測(cè)量精度，必須首先在全測(cè)區(qū)范圍內(nèi)選定一些控制點(diǎn)構(gòu)成一定的幾何圖形，用精密的測(cè)量?jī)x器和精確的測(cè)算方法在統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)中確定它們的平面位置和高程，再以這些控制點(diǎn)為基礎(chǔ)，測(cè)算其他點(diǎn)的位置，這就將控制測(cè)量工作分為平面控制測(cè)量和高程控制測(cè)量?jī)煞N。

新疆天文臺(tái)南山觀測(cè)站空間大地測(cè)量技術(shù)的本地連接參數(shù)的測(cè)量精度要求控制在毫米級(jí)，而整個(gè)本地連接過(guò)程包括GPS主控網(wǎng)觀測(cè)、局域三角網(wǎng)觀測(cè)、空間方向交會(huì)和幾何旋轉(zhuǎn)中心曲線擬合計(jì)算4個(gè)部分。GPS控制網(wǎng)的測(cè)量是本次本地連接測(cè)量的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

相對(duì)于傳統(tǒng)控制測(cè)量來(lái)說(shuō)，GPS技術(shù)應(yīng)用于控制測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)如下：

1)GPS控制網(wǎng)選點(diǎn)靈活，布網(wǎng)方便，基本不受通視、網(wǎng)形的限制，特別是在地形復(fù)雜的測(cè)區(qū)更顯其優(yōu)越性。

2)GPS測(cè)量精度高。一般雙頻GPS接收機(jī)基線解精度為5 mm+1×10－6D，而紅外測(cè)距儀標(biāo)稱精度為5 mm+5×10－6D，GPS測(cè)量精度與紅外測(cè)距儀相當(dāng)，但隨著距離的增長(zhǎng)，GPS測(cè)量的優(yōu)越性愈加突出。

1.控制網(wǎng)點(diǎn)的分布

工程控制網(wǎng)的布設(shè)原則和大地控制網(wǎng)是一致的，但也有一些區(qū)別。因?yàn)椴煌墓こ逃胁煌囊?，其控制網(wǎng)也就有輕微的差別。一般工程控制網(wǎng)點(diǎn)不需要均勻分布，而是按其需要進(jìn)行布點(diǎn)。但本地連接所需要的地面GPS控制網(wǎng)由于要考慮本地連接的常規(guī)測(cè)量網(wǎng)，因此在布點(diǎn)時(shí)應(yīng)根據(jù)需要確定點(diǎn)位的位置，并考慮其圖形結(jié)構(gòu)。

南山觀測(cè)站高精度GPS控制網(wǎng)布設(shè)采用“基于GPS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站”的布設(shè)方法，與國(guó)際IGS網(wǎng)基準(zhǔn)站聯(lián)測(cè)，引入GPS起算基準(zhǔn)，采用高精度GPS基線解算方法建立工程控制網(wǎng)的絕對(duì)基準(zhǔn)。建立高精度工程控制網(wǎng)是確保獲得多技術(shù)并置站毫米級(jí)本地連接參數(shù)的基礎(chǔ)。

為了獲取南山高精度本地連接參數(shù)，根據(jù)觀測(cè)角度和控制網(wǎng)圖形強(qiáng)度的要求，同時(shí)為了保證GPS網(wǎng)的可靠性，在南山觀測(cè)站經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，用混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆灌并建立了永久性的觀測(cè)基墩5個(gè)(見(jiàn)圖2中點(diǎn) 0001、0002、0003、0004、0005)，并且兩兩通視，基墩上方中心處安置了強(qiáng)制歸心裝置，組成了包括GUAO CORS站在內(nèi)共計(jì)6個(gè)控制點(diǎn)的GPS控制網(wǎng)。圖2中“GPS”所示位置為國(guó)際GPS服務(wù)(IGS)基準(zhǔn)站(GUAO)。

2.GPS測(cè)量

(1)技術(shù)要求

在南山觀測(cè)站GPS控制網(wǎng)的5個(gè)(0001、0002、0003、0004、0005)觀測(cè)基墩上，同時(shí)安置 5臺(tái)雙頻GPS接收機(jī)，連同GUAO站共6臺(tái)雙頻GPS接收機(jī)，按照《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》(GB/T 18314—2009)B級(jí)網(wǎng)技術(shù)要求連續(xù)觀測(cè)。

1)觀測(cè)儀器。使用5臺(tái)Ashtech Z-Surveyor雙頻接收機(jī)(配備扼流圈天線)同步觀測(cè)，精度為3 mm+1×10－6D。扼流圈天線是目前精度最高的GPS天線，中間的渦流狀結(jié)構(gòu)有效地阻止了多路徑效應(yīng)等干擾信號(hào)，提高了GPS信號(hào)的接收品質(zhì)，從而保證了原始數(shù)據(jù)的可靠性。

2)觀測(cè)技術(shù)要求。作業(yè)時(shí)的主要技術(shù)要求如下：觀測(cè)衛(wèi)星高度角≥15°;有效觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)≥5;時(shí)段長(zhǎng)度24 h;時(shí)段數(shù)≥3;數(shù)據(jù)采樣間隔30 s。

(2)測(cè)量實(shí)施

于2011年8月31日 9∶24—9月6日2∶53(相當(dāng)于年積日DOY243—DOY249)進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間見(jiàn)表1。統(tǒng)一型號(hào)的扼流圈天線和同步連續(xù)觀測(cè)，為良好的GPS觀測(cè)成果打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

三、GPS數(shù)據(jù)處理與精度分析

1.基線處理

進(jìn)行三維無(wú)約束平差及約束平差前要進(jìn)行基線向量解算。對(duì)于一組具有一個(gè)共同端點(diǎn)的同步觀測(cè)基線來(lái)說(shuō)，由于在進(jìn)行基線解算時(shí)用到了一部分相同的觀測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中的誤差將同時(shí)影響這些基線向量。因此，它們之間應(yīng)存在固有的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性，在進(jìn)行基線解算時(shí)應(yīng)考慮這種相關(guān)性，并通過(guò)基線向量估值的方差-協(xié)方差陣加以體現(xiàn)，從而能最終應(yīng)用于后續(xù)的網(wǎng)平差。

圖2 GPS控制網(wǎng)示意圖

南山站GPS控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理時(shí)采用多基線解，選取南山GPS觀測(cè)站GUAO站作為起算基準(zhǔn)?；€處理采用麻省理工學(xué)院GAMIT 10.4版軟件，采用SP3格式IGS精密星歷，在Sittbl文件中不固定任何點(diǎn)，只是給GUAO站較強(qiáng)的約束值，處理5個(gè)本地連接點(diǎn)和GUAOCORS站GPS數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)。按照年積日分別計(jì)算出243—249單日基線解。

目前，國(guó)際上常用的GPS數(shù)據(jù)處理軟件有美國(guó)麻省理工學(xué)院等單位研制的GAMIT、瑞士伯爾尼天文研究所研制的Bernese、美國(guó)宇航局噴氣式推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制的GIPSY［1］等。利用精密星歷，在參考站坐標(biāo)精確已知的情況下，GAMIT解算基線的相對(duì)精度可達(dá)10－9，其源代碼開(kāi)放，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行源程序修改。鑒于南山25 m天線周?chē)鶪PS觀測(cè)采用了雙頻接收機(jī)，且距離測(cè)控點(diǎn)150 m內(nèi)的GUAO坐標(biāo)精確已知，可作為參考站，與5個(gè)測(cè)控點(diǎn)組成了超短基線網(wǎng)。若利用GAMIT并采用雙差固定解，可以有效地減弱衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差，以及電離層和對(duì)流層延遲誤差等影響，因此南山GPS測(cè)控網(wǎng)選用了GAMIT軟件進(jìn)行GPS資料歸算。

2.GPS網(wǎng)平差

在GPS網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理過(guò)程中基線解算所得到的基線向量?jī)H能確定GPS網(wǎng)的幾何形狀，卻無(wú)法提供最終確定控制網(wǎng)中點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)所必需的絕對(duì)位置基準(zhǔn)。在GPS網(wǎng)平差中，通過(guò)起算點(diǎn)坐標(biāo)可以達(dá)到引入絕對(duì)基準(zhǔn)的目的。通常，無(wú)法通過(guò)某個(gè)單一類(lèi)型的網(wǎng)平差過(guò)程來(lái)達(dá)到目的，而必須分階段采用不同類(lèi)型的網(wǎng)平差方法。

南山站GPS控制網(wǎng)平差采用GPS_NET軟件(同濟(jì)大學(xué))，固定 GUAO站在 ITRF2008框架下2 011.660 27(2011.8.30 日)歷元的坐標(biāo)(見(jiàn)表2)，對(duì)整網(wǎng)進(jìn)行平差，平差后 0001、0002、0003、0004 四個(gè)點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)精度達(dá)0.4 mm，只有0005點(diǎn)的坐標(biāo)精度稍差一些，為0.5 mm。本地連接控制點(diǎn)空間坐標(biāo)及網(wǎng)平差精度見(jiàn)表3、表4。

表2 GUAO站在ITRF2008框架下2011.66027歷元坐標(biāo) m

表3 本地連接控制點(diǎn)在ITRF2008框架下2 011.660 27歷元坐標(biāo) m

表4 GPS控制網(wǎng)平差效果

為了檢測(cè)和衡量GPS測(cè)量的精度，采取了統(tǒng)計(jì)單日解N、E、U 3個(gè)方向分量重復(fù)性的方法，以避免控制網(wǎng)平差時(shí)控制點(diǎn)帶入的起算基準(zhǔn)誤差，基線三維分量的重復(fù)性直接反映了基線兩個(gè)端點(diǎn)之間的相對(duì)精度，若其中的一個(gè)點(diǎn)視為穩(wěn)定的不動(dòng)點(diǎn)，其相對(duì)精度值即可看做是另外一點(diǎn)的精度。

《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》(GB/T 18314—2009)中重復(fù)性定義為

式中，n為同一基線的觀測(cè)時(shí)段總數(shù);Ci為同一觀測(cè)時(shí)段的基線的某一坐標(biāo)分量或邊長(zhǎng);為Ci分量相應(yīng)的方差;Cm為各時(shí)段Ci的加權(quán)平均值。

根據(jù)式(1)，對(duì)DOY243—249間共計(jì)7 d的基線文件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出N、E、U 3個(gè)方向和長(zhǎng)度分量重復(fù)性(見(jiàn)表5)。表5表明基線在N、E和長(zhǎng)度方向的重復(fù)性較高，在0.3～0.4 mm之間;U方向分量重復(fù)性稍遜色一點(diǎn)，重復(fù)性為1.4 mm?；€相對(duì)精度為0.8×10－8，滿足《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》(GB/T 18314—2009)中A級(jí)網(wǎng)基線相對(duì)精度1×10－8的要求。

表5 GPS控制網(wǎng)基線處理重復(fù)性統(tǒng)計(jì)表

四、結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)南山站本地連接中GPS控制網(wǎng)布設(shè)、觀測(cè)、數(shù)據(jù)處理、精度進(jìn)行分析研究，得出如下結(jié)論：

1)在本地連接GPS控制網(wǎng)網(wǎng)形設(shè)計(jì)中，圍繞VLBI天線布設(shè)同步GPS觀測(cè)網(wǎng)是最佳的選擇，既便于位于VLBI天線上靶標(biāo)的交會(huì)觀測(cè)，又有利于GPS控制網(wǎng)、三角網(wǎng)的精度控制。

2)觀測(cè)中應(yīng)盡可能采用多臺(tái)GPS接收機(jī)進(jìn)行同步觀測(cè)，減少遷站和對(duì)中誤差、量高誤差的影響，對(duì)保證GPS控制網(wǎng)精度十分有利。

3)GPS基線處理、網(wǎng)平差、精度分析各階段應(yīng)充分發(fā)揮國(guó)際精密定軌軟件、國(guó)產(chǎn)嚴(yán)密平差軟件的優(yōu)勢(shì)和滿足測(cè)量規(guī)范的要求，以滿足本地連接測(cè)量需要。

4)文中GPS控制網(wǎng)精度達(dá)到《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》(GB/T 18314—2009)中A級(jí)網(wǎng)的技術(shù)要求，為后期坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、VLBI天線參考點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算奠定了較好的基礎(chǔ)。

5)利用GAMIT解算與網(wǎng)平差軟件，獲得了測(cè)控網(wǎng)在ITRF下測(cè)控點(diǎn)的高精確坐標(biāo)，用于局域網(wǎng)與地心坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，有利于確保南山并置站的高精度本地連接參數(shù)的測(cè)量精度，同時(shí)也為開(kāi)展測(cè)站參考點(diǎn)中長(zhǎng)期穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)與研究創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)。

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