桑 金，付興武，張永合，張墨起

（交通運(yùn)輸部北海航海保障中心 天津海事測(cè)繪中心，天津 300222）

引 言

環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈亦或稱“環(huán)渤海地區(qū)”，狹義上是指京津冀、遼東半島、山東半島環(huán)渤海濱海經(jīng)濟(jì)帶[1]。按照海洋權(quán)屬及海上交通管理的轄區(qū)概念，該沿海地區(qū)通常稱北方海區(qū)，主要范圍為南起連云港北至鴨綠江的黃海東北部、渤海及毗鄰區(qū)域（如圖1）。環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈在全國(guó)和區(qū)域經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著集聚、輻射、服務(wù)和帶動(dòng)作用，已成為中國(guó)北方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的引擎，被經(jīng)濟(jì)學(xué)家譽(yù)為中國(guó)經(jīng)濟(jì)的第三個(gè)增長(zhǎng)極，在中國(guó)對(duì)外開(kāi)放的沿海發(fā)展戰(zhàn)略中占有極其重要的地位[1]。

環(huán)渤海地區(qū)海陸空交通發(fā)達(dá)，區(qū)域內(nèi)擁有 50多個(gè)港口[2]，構(gòu)成了中國(guó)最為密集的港口群，同時(shí)還具有廣闊的腹地資源，是貫通三北地區(qū)經(jīng)濟(jì)以及與國(guó)際市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)要素流動(dòng)的重要集散地，區(qū)域經(jīng)濟(jì)特別是海洋經(jīng)濟(jì)地位舉足輕重。

海洋測(cè)繪是海洋開(kāi)發(fā)利用與海洋環(huán)境保護(hù)等一系列海洋活動(dòng)的先導(dǎo)性基礎(chǔ)工作。為了高質(zhì)量開(kāi)展區(qū)域海洋測(cè)繪工作，必須建立并持續(xù)維護(hù)海洋測(cè)繪基礎(chǔ)控制。海洋測(cè)繪基礎(chǔ)控制主要包括平面基準(zhǔn)和垂直基準(zhǔn)，通過(guò)綜合利用GNSS技術(shù)和水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)、統(tǒng)籌建立。同時(shí)還聯(lián)合重力等其他多源大地測(cè)量數(shù)據(jù)，建立似大地水準(zhǔn)面模型，從而實(shí)現(xiàn)三維測(cè)繪基準(zhǔn)的建設(shè)。受篇幅限制，本文重點(diǎn)論述GNSS骨干平面控制網(wǎng)建設(shè)的技術(shù)路線與實(shí)踐方法。

圖1 21世紀(jì)環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈概覽示意

1 區(qū)域海洋測(cè)繪基準(zhǔn)發(fā)展與現(xiàn)狀

我國(guó)海洋測(cè)繪活動(dòng)源遠(yuǎn)流長(zhǎng)。據(jù)古籍文獻(xiàn)記載，早在商代就有暴雨、洪水、海浸等水文觀測(cè)活動(dòng)。魏晉時(shí)期，裴秀創(chuàng)立“制圖六體”理論，對(duì)推進(jìn)后世測(cè)繪技術(shù)影響深遠(yuǎn)[3]。劉徽編著《海島算經(jīng)》已就測(cè)高望遠(yuǎn)及其計(jì)算方法作過(guò)系統(tǒng)研究與實(shí)踐[3]。特別是明代鄭和七下西洋繪制的《鄭和航海圖》，將中國(guó)古代海道測(cè)繪技術(shù)推向歷史頂峰，為開(kāi)啟全球大航海時(shí)代鋪平了東方航路。后因明宣宗罷停遠(yuǎn)洋航海活動(dòng)，轉(zhuǎn)而采取閉關(guān)鎖國(guó)政策，國(guó)際航運(yùn)漸次蕭條，海道測(cè)繪日漸衰微。新中國(guó)成立后，海軍和交通部以“獨(dú)立自主，自力更生”為指針，白手起家，艱苦創(chuàng)業(yè)，僅憑幾部六分儀、水砣、算盤等簡(jiǎn)陋測(cè)繪裝備，開(kāi)始了艱苦而輝煌的海道測(cè)量歷程。

圖2 渤海地區(qū)海洋測(cè)繪GPS骨干網(wǎng)聯(lián)測(cè)網(wǎng)

環(huán)渤海地區(qū)的基礎(chǔ)控制主要由國(guó)家測(cè)繪局、總參測(cè)繪局、海司航保部、國(guó)家地震局等單位組織實(shí)施，海洋測(cè)繪專業(yè)基礎(chǔ)控制則主要由海司航保部和水上交通測(cè)繪部門建立。我國(guó)交通海事部門于本世紀(jì)初分四期實(shí)施了北方海區(qū)GPS控制網(wǎng)建設(shè)工程，更是較好地解決了此前由于實(shí)施單位不同、年代各異，致使早期控制成果的基準(zhǔn)兼容性較差、疏密程度不一且精度等級(jí)比較混雜等突出問(wèn)題[4]。標(biāo)志著區(qū)域海洋測(cè)繪平面基礎(chǔ)控制建設(shè)工作基本完成，整體上可滿足當(dāng)時(shí)的海道測(cè)量初步需要。

但是，早期的區(qū)域基礎(chǔ)控制廣泛存在平面基準(zhǔn)和垂直基準(zhǔn)、陸地垂直基準(zhǔn)與海洋垂直基準(zhǔn)分離等問(wèn)題，已經(jīng)成為陸海一體化地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸。同時(shí)，現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展以及日益活躍的人類海洋活動(dòng)，對(duì)海洋測(cè)繪服務(wù)提出了更高的要求，牽引現(xiàn)代化海道測(cè)量向著陸海一體化、服務(wù)精細(xì)化、實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)化的三維測(cè)繪方向發(fā)展。步入21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)大地水準(zhǔn)面精化和海洋測(cè)量垂直基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換技術(shù)在工程化和實(shí)用化方面做了大量研究。似大地水準(zhǔn)面精化在理論研究、技術(shù)方法以及工程應(yīng)用等方面都取得了長(zhǎng)足發(fā)展。很多省市級(jí)的區(qū)域似大地水準(zhǔn)面的精度都已經(jīng)達(dá)到了厘米級(jí)，蘇州、嘉興、寧波、廣州、南京（二期）、沈陽(yáng)（二期）以及甘肅等地的似大地水準(zhǔn)面精化精度已經(jīng)優(yōu)于厘米級(jí)，從6 mm到8 mm不等。2008年青島海灣地區(qū)似大地水準(zhǔn)面的精化精度更是達(dá)到了4 mm[5]。均為現(xiàn)代化海洋測(cè)繪三維基準(zhǔn)建設(shè)提供了科學(xué)理論支撐和應(yīng)用技術(shù)路徑。

2 區(qū)域海洋測(cè)繪GNSS骨干網(wǎng)設(shè)計(jì)

2.1 點(diǎn)位選址與網(wǎng)形設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)目標(biāo)，綜合考慮區(qū)域海洋測(cè)繪平面控制基準(zhǔn)的中遠(yuǎn)期需要、垂直基準(zhǔn)的關(guān)聯(lián)、似大地水準(zhǔn)面精化支撐與經(jīng)濟(jì)要素投入等因素，設(shè)計(jì)建設(shè)骨干GNSS控制網(wǎng)為B級(jí)，參照《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》[6]及《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》[7]，點(diǎn)位選址緊緊圍繞環(huán)渤海地區(qū)已有或規(guī)劃建設(shè)的潮位站位置及部分腹地位置共設(shè)置主點(diǎn)（B級(jí)）50個(gè)（圖2）、副點(diǎn)（C級(jí)）61個(gè)，幾何水準(zhǔn)按照二等施測(cè)。一則是為將沿海潮位站納入國(guó)家高程系統(tǒng)進(jìn)而助推海陸垂直基準(zhǔn)一體化，二是考慮重點(diǎn)港口附近的控制基礎(chǔ)保障。此外還要考慮原有控制標(biāo)志的利用以便保障新測(cè)成果與原有成果的有效銜接。新布設(shè)的控制點(diǎn)應(yīng)選擇在交通便利、有利于擴(kuò)展和連測(cè)的位置。點(diǎn)位平均距離等主要精度指標(biāo)要求摘錄于表1。

表1 B、C級(jí)控制網(wǎng)主要技術(shù)精度指標(biāo)[6]

環(huán)渤海地區(qū)海洋測(cè)繪控制網(wǎng)建設(shè)不僅是為了滿足區(qū)域測(cè)繪平面控制基準(zhǔn)的需要，同時(shí)還要為區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精密模型建立、陸海高程基準(zhǔn)統(tǒng)一提供基礎(chǔ)支撐。因此，在方案設(shè)計(jì)中一并兼顧考慮了GNSS測(cè)量、水準(zhǔn)連測(cè)以及主要潮位觀測(cè)站入網(wǎng)等方面的需求，并有所側(cè)重。新選主點(diǎn)應(yīng)建造有強(qiáng)制對(duì)中標(biāo)志的天線墩（海島點(diǎn)除外），標(biāo)石（觀測(cè)墩）拆模后應(yīng)進(jìn)行不少于 10天的薄膜養(yǎng)生法養(yǎng)護(hù)并經(jīng)過(guò)一個(gè)雨季的穩(wěn)定，以保證觀測(cè)墩的應(yīng)有強(qiáng)度、穩(wěn)定性和使用年限。

主點(diǎn)是構(gòu)成區(qū)域基礎(chǔ)控制骨干網(wǎng)的點(diǎn)，點(diǎn)位應(yīng)選在地基堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定、安全僻靜、交通方便、并利于測(cè)量標(biāo)志長(zhǎng)期保存和觀測(cè)的地方。為保證衛(wèi)星觀測(cè)信號(hào)質(zhì)量，站點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無(wú)線電發(fā)射源，附近不應(yīng)有強(qiáng)烈反射接收衛(wèi)星信號(hào)的物體，周圍應(yīng)視野開(kāi)闊，障礙物的高度角不宜大于15°[6]。為了便于與潮位觀測(cè)站水準(zhǔn)連測(cè)，主點(diǎn)還應(yīng)靠近潮位站附近，一般應(yīng)小于5 km。主點(diǎn)選擇須優(yōu)先滿足GNSS觀測(cè)自身的規(guī)定和要求。

副點(diǎn)是骨干網(wǎng)主點(diǎn)向港口、沿海水文站的延伸，是潮位站垂直基準(zhǔn)與平面基準(zhǔn)相關(guān)聯(lián)的橋梁和紐帶，位置選取應(yīng)盡可能靠近潮位站，一般應(yīng)小于1 km。副點(diǎn)選址可優(yōu)先考慮點(diǎn)位的水準(zhǔn)觀測(cè)、水尺零點(diǎn)引測(cè)和日常使用與保存，其他要求可適當(dāng)放寬。

水準(zhǔn)點(diǎn)主要用于水深測(cè)量垂直基準(zhǔn)同陸地高程系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)，潮位站附近均應(yīng)設(shè)置水準(zhǔn)點(diǎn)?；舅疁?zhǔn)點(diǎn)應(yīng)重點(diǎn)考慮地基堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定、安全僻靜、交通方便、并利于測(cè)量標(biāo)志長(zhǎng)期保存與觀測(cè)；工作水準(zhǔn)點(diǎn)則應(yīng)盡量靠近潮位站以便監(jiān)測(cè)潮位站是否存在垂直沉降。條件允許時(shí)應(yīng)優(yōu)先利用各類已有的測(cè)量標(biāo)志，并包括平面控制與水準(zhǔn)共點(diǎn)的標(biāo)志。

2.2 設(shè)備指標(biāo)設(shè)計(jì)

GNSS通?？梢詣澐譃閷?dǎo)航型和大地測(cè)量型兩大類。顧名思義，大地測(cè)量型是針對(duì)大地測(cè)量的特點(diǎn)和要求而設(shè)計(jì)的，它可以測(cè)量載波相位因而可以獲得很高精度的相對(duì)定位結(jié)果（如兩點(diǎn)的基線向量）。按照載波頻率又可粗略劃分為單頻和雙頻兩個(gè)系列。GNSS衛(wèi)星信號(hào)需要穿過(guò)電離層、對(duì)流層等空間介質(zhì)才能到達(dá)地面接收設(shè)備，介質(zhì)模型參數(shù)勢(shì)必影響其觀測(cè)精度。單頻接收機(jī)（L1）只接收調(diào)制的 L1信號(hào)，雖然可利用導(dǎo)航電文提供的參數(shù)，對(duì)觀測(cè)量進(jìn)行電離層影響修正，但由于修正模型尚不完善，精度較差[8]。兩站相距越近，其電離層延遲影響越是趨同，故此單頻GNSS接受機(jī)通常用于基線短于20 km的測(cè)量。雙頻接收機(jī)可以同時(shí)接收L1、L2載波的信號(hào)，由于不同頻率受電離層的延遲影響各異，故可通過(guò)求差模型消除電離層對(duì)GNSS信號(hào)延遲的影響。另一方面，組合兩個(gè)頻率上的觀測(cè)數(shù)據(jù)也會(huì)增加未知參量，進(jìn)而帶來(lái)相應(yīng)的解算誤差，故此短基線觀測(cè)一般不使用雙頻解算方法[8]。該區(qū)域基礎(chǔ)控制骨干網(wǎng)為B級(jí)，其平均基線長(zhǎng)為50 km，C級(jí)網(wǎng)的平均邊長(zhǎng)為20 km，因而必需選用雙頻 GNSS接收設(shè)備（表 2），同時(shí)利用CHOKE RING天線（大地測(cè)量扼流圈天線）削弱多路徑效應(yīng)的影響。

表2 B、C級(jí)GPS網(wǎng)測(cè)量接收機(jī)技術(shù)要求

2.3 測(cè)量模式與技術(shù)路線

衛(wèi)星定位、導(dǎo)航服務(wù)一般可以分為偽距測(cè)量與載波相位測(cè)量、單點(diǎn)與差分、靜態(tài)與動(dòng)態(tài)等模式?；趥尉嘤^測(cè)的單點(diǎn)定位和偽距差分定位，不存在多值性的問(wèn)題，但定位精度相對(duì)較低，一般只用于實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位；基于載波相位觀測(cè)的各種模式，定位精度很高但存在整周模糊度問(wèn)題（即多值性），最常見(jiàn)的相對(duì)靜態(tài)測(cè)量主要用于大地控制基礎(chǔ)建立。眾所周知，相位測(cè)量的定位精度，取決于波長(zhǎng)和相位測(cè)量的分辨率。目前主流的大地型GNSS接收機(jī)的相位測(cè)量的分辨率一般均可達(dá)到±1°甚至更高，又GPS載波L1=19 cm，L2=24 cm，相應(yīng)的測(cè)距中誤差優(yōu)于毫米級(jí)。與此同時(shí)，利用載波相位進(jìn)行相對(duì)測(cè)量，求差模型還可以有效消除（或消弱）許多諸如電離層、對(duì)流層以及衛(wèi)星種差等同源（或相關(guān)）誤差，因而可獲得很高的定位精度[9]。環(huán)渤海地區(qū)海洋測(cè)繪GNSS基礎(chǔ)控制網(wǎng)建設(shè)工程旨在建立區(qū)域高精度控制基，GPS載波相位相對(duì)靜態(tài)觀測(cè)是首選，幾乎也是唯一的測(cè)量模式。

整體技術(shù)路線就是，利用 GPS載波相位實(shí)施相對(duì)靜態(tài)測(cè)量，采用IGS精密星歷，使用國(guó)際領(lǐng)先的專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件（GAMIT等）解算基線向量，通過(guò)與周邊 IGS跟蹤站網(wǎng)和國(guó)家基準(zhǔn)一期工程GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)聯(lián)結(jié)進(jìn)行平差解算（POWERNET），獲得高精度的 CGCS2000地心坐標(biāo)（如圖3之雙實(shí)線框部分）。通過(guò)二等幾何水準(zhǔn)連測(cè)，初步建立垂直基準(zhǔn)。同時(shí)，整體考慮水平與垂直基準(zhǔn)同步規(guī)劃、海陸基準(zhǔn)統(tǒng)一以及潮位站零點(diǎn)關(guān)聯(lián)等工作，為實(shí)現(xiàn)區(qū)域陸海一體化三維測(cè)繪提供基礎(chǔ)框架支撐。

圖3 環(huán)渤海地區(qū)海洋測(cè)繪基準(zhǔn)建設(shè)整體技術(shù)路線

3 數(shù)據(jù)采集

3.1 主要觀測(cè)指標(biāo)

項(xiàng)目共設(shè)計(jì)GPS B級(jí)點(diǎn)主點(diǎn)50個(gè)和與之配套的副點(diǎn)C級(jí)點(diǎn)61個(gè)。按照規(guī)范中B、C級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求（表 3）分級(jí)進(jìn)行觀測(cè)。共投入雙頻大地測(cè)量型GPS（扼流圈天線）11臺(tái)套、高精度電子水準(zhǔn)儀6臺(tái)。觀測(cè)模式采用靜態(tài)同步觀測(cè)，布網(wǎng)方式采用邊連接的方式布設(shè)連續(xù)網(wǎng)，同步觀測(cè)網(wǎng)間連接點(diǎn)數(shù)不少于3點(diǎn)，時(shí)間基準(zhǔn)采用UTC時(shí)間（北京時(shí)-8）。

表3 GNSS觀測(cè)技術(shù)指標(biāo)[6]

3.2 測(cè)站工作要求

架設(shè)天線時(shí)嚴(yán)格置平、對(duì)中，天線定向線指向磁北，定向誤差不大于±5°。在每時(shí)段的觀測(cè)前后各量測(cè)一次天線高，讀數(shù)精確至1 mm。天線高量測(cè)時(shí)，量測(cè)互為 120°天線的三個(gè)位置，互差小于3 mm，取中數(shù)記入測(cè)前、測(cè)后天線高的位置。測(cè)前、測(cè)后中數(shù)的互差小于 3 mm時(shí)取中數(shù)采用[6]，否則應(yīng)重新觀測(cè)本時(shí)段。

觀測(cè)手簿在觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)用2H鉛筆逐頁(yè)填寫，使用規(guī)范簡(jiǎn)化漢字。要求如實(shí)記錄測(cè)站名稱、等級(jí)、接收機(jī)類型及天線號(hào)碼、天線高、觀測(cè)日期/年積日、觀測(cè)員、天氣狀況、時(shí)段號(hào)等內(nèi)容。

3.3 數(shù)據(jù)下載與存儲(chǔ)

每一個(gè)觀測(cè)時(shí)段的觀測(cè)數(shù)據(jù)均需及時(shí)下載，并使用接收機(jī)隨機(jī)軟件檢查原始數(shù)據(jù)下載的正確性、完整性，再將原始觀測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 RINEX格式數(shù)據(jù)。每天的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)、RINEX數(shù)據(jù)分置于不同目錄存放，目錄命名方式為測(cè)站編號(hào)+年+該天的年積日，原始觀測(cè)數(shù)據(jù)與 RINEX數(shù)據(jù)的目錄末位分別加注“D”及“R”予以區(qū)分。原始觀測(cè)數(shù)據(jù)需在多種不同的介質(zhì)上備份，并在接收機(jī)內(nèi)存容量尚有足夠空余時(shí)，盡可能保存至數(shù)據(jù)處理完成。

3.4 外業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核

在作業(yè)過(guò)程中，應(yīng)使用隨機(jī)商用軟件或?qū)I(yè)工具對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查及預(yù)處理，確保數(shù)據(jù)在移交給下一工序后能一次性通過(guò)。檢核內(nèi)容主要包括：觀測(cè)衛(wèi)星總數(shù)、數(shù)據(jù)可利用率、L1，L2頻率載波的多路徑效應(yīng)影響、GPS接收機(jī)鐘漂率等。最直觀有效的判斷方法就是原始觀測(cè)數(shù)據(jù)完整可讀，可以使用隨機(jī)商用軟件解算基線向量。詳細(xì)可參照接收機(jī)技術(shù)指標(biāo)（表 3），實(shí)際數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)摘錄見(jiàn)表 4，并對(duì)實(shí)際測(cè)量中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行如下處理。

表4 觀測(cè)數(shù)據(jù)可利用率等指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

一是部分埋石點(diǎn)位周圍環(huán)境對(duì) GPS觀測(cè)產(chǎn)生一定影響，造成個(gè)別點(diǎn)位數(shù)據(jù)多路徑效應(yīng)影響MP1、MP2值偏大或有些點(diǎn)位數(shù)據(jù)利用率超限。如南長(zhǎng)山島、蓬萊、萊陽(yáng)等點(diǎn)位周邊有房屋構(gòu)筑物或樹(shù)木遮擋，造成部分觀測(cè)時(shí)段觀測(cè)數(shù)據(jù)可利用率較低，隨后都采取升高儀器高的方法進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)量，并主要采用全站儀輔助對(duì)中桿的方式進(jìn)行對(duì)中整平，保證觀測(cè)總體時(shí)段數(shù)和數(shù)據(jù)利用率等指標(biāo)滿足要求。

二是采集數(shù)據(jù)年積日與實(shí)際日期不符的問(wèn)題處理。Ashtech ProFlex 500儀器在進(jìn)行B級(jí)網(wǎng)第五環(huán)第二時(shí)段（年積日 154）、第五環(huán)第三時(shí)段（年積日 155）、第六環(huán)第一時(shí)段（年積日 158）、第六環(huán)第二時(shí)段（年積日 159）觀測(cè)時(shí)出現(xiàn)儀器日期設(shè)置有誤，導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)年積日與實(shí)際不符，在實(shí)際處理中采用IGS參考站的BJFS站點(diǎn)廣播星歷進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查匹配處理，數(shù)據(jù)質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。還有個(gè)別觀測(cè)時(shí)段由于觀測(cè)時(shí)開(kāi)機(jī)時(shí)間早于北京時(shí)間 08：00，導(dǎo)致數(shù)據(jù)文件名稱年積日為設(shè)計(jì)觀測(cè)日的前一天，其它技術(shù)指標(biāo)合格，不影響最終數(shù)據(jù)處理使用。

三是由數(shù)據(jù)中斷原因?qū)е碌闹販y(cè)與補(bǔ)測(cè)。在B級(jí)網(wǎng)中沾化第四環(huán)第一時(shí)段第二時(shí)段、上古林第四環(huán)第二時(shí)段、女島第七環(huán)第三時(shí)段、石臼第八環(huán)第一時(shí)段等個(gè)別站點(diǎn)某些時(shí)段出現(xiàn)了不同程度的數(shù)據(jù)中斷，均在后期進(jìn)行了補(bǔ)測(cè)。

4 數(shù)據(jù)處理與成果精度評(píng)價(jià)

4.1 基線處理

按照全球定位系統(tǒng)測(cè)量規(guī)范要求，A、B級(jí)GPS基線解算處理應(yīng)采用精密星歷，C級(jí)及以下可采用廣播星歷。B、C級(jí)GPS網(wǎng)基線解算可采用雙差解、單差解。長(zhǎng)度小于15 km的基線應(yīng)采用雙差固定解。長(zhǎng)度大于15 km的基線可在固定雙差解和浮動(dòng)雙差解中選擇最優(yōu)結(jié)果[6]。

1）數(shù)據(jù)整理

數(shù)據(jù)整理是進(jìn)行基線解算之前的一項(xiàng)重要工作。首先，根據(jù)GNSS數(shù)據(jù)處理軟件（如GAMIT）要求清查測(cè)站點(diǎn)名編號(hào)并進(jìn)行規(guī)范化處理，利用舊點(diǎn)的站點(diǎn)，編制新老點(diǎn)號(hào)點(diǎn)名對(duì)照表。其次是根據(jù)軟件要求，對(duì)不同類型設(shè)備天線高的量測(cè)方法、測(cè)量位置、天線類型和天線改正數(shù)等進(jìn)行統(tǒng)一歸算改正。然后在將多型號(hào)GNSS采集的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RINEX格式，并對(duì)每個(gè)測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)O文件、星歷 N文件等分類存放于統(tǒng)一命名的文件目錄。同時(shí)還要收集所需的全球站數(shù)據(jù)及精密星歷，予以框架和歷元改算。

2）基線解算處理

GNSS B級(jí)網(wǎng)不但承擔(dān)區(qū)域控制的骨干網(wǎng)，還可以將區(qū)域基礎(chǔ)控制網(wǎng)與國(guó)家及周邊IGS跟蹤站網(wǎng)和GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)聯(lián)結(jié)起來(lái)，獲得高精度的CGCS2000地心坐標(biāo)。同時(shí)還可以為C級(jí)網(wǎng)提供控制基準(zhǔn)。故此，基線處理也按照先B級(jí)、后C級(jí)兩步進(jìn)行。

基線處理軟件采用美國(guó)麻省理工學(xué)院和Scripps研究所共同研制的 GAMIT 10.60版本軟件，我國(guó)A、B級(jí)GNSS網(wǎng)的基線解算就采用了該軟件。在利用精密星歷的情況下，GAMIT的基線解的相對(duì)精度能夠達(dá)到10-9左右，是世界上最優(yōu)秀的GNSS軟件之一[10-12]。

表5 基線解算的主要模型和參數(shù)

衛(wèi)星軌道的精度直接影響 GNSS基線解算質(zhì)量，故本項(xiàng)目采用IGS精密星歷，其軌道精度達(dá)到5 cm，對(duì)于百公里長(zhǎng)的基線，星歷誤差影響不超過(guò)0.1 mm?；€解算中，引進(jìn)高精度的國(guó)家CGCS 2000 GNSS控制網(wǎng)點(diǎn)（框架 ITRF97、歷元為2000.0）和全球跟蹤站作為基準(zhǔn)，基線解算的主要模型和參數(shù)見(jiàn)表5。

3）基線檢核

同一基線各不同時(shí)段的向量重復(fù)性客觀地反映了基線解的內(nèi)符合性精度，是衡量基線解質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。通?？刹捎霉潭ㄕ`差和比例誤差兩部分表示，即：

σ=a+bl

式中：

σ為分量的中誤差；

a為分量的固定誤差；

b為比例誤差；

l為分量的長(zhǎng)度。

B級(jí)網(wǎng)有1 560組重復(fù)基線，C級(jí)網(wǎng)有315組重復(fù)基線，整網(wǎng)的基線向量重復(fù)性如表6所示。從表中可知，基線長(zhǎng)度平均重復(fù)精度 B級(jí)網(wǎng)為1.18 mm+0.04×10-8、C 級(jí)網(wǎng)為 2.05 mm+0.1×10-8。基線處理的精度達(dá)到了項(xiàng)目技術(shù)設(shè)計(jì)的要求。

表6 基線向量重復(fù)性統(tǒng)計(jì)

另一項(xiàng)反映GNSS外業(yè)觀測(cè)質(zhì)量和基線解算質(zhì)量可靠性的指標(biāo)是同步環(huán)閉合差和異步環(huán)閉合差。前者反映的是一個(gè)同步環(huán)數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞，后者反映的則是整個(gè)GNSS網(wǎng)的外業(yè)觀測(cè)質(zhì)量和基線解算質(zhì)量的可靠性，因而異步環(huán)閉合差對(duì)GNSS成果質(zhì)量更為重要。由于GAMIT軟件采用的是網(wǎng)解（即全組合解），其同步環(huán)閉合差在基線解算時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了分配[10-12]。B級(jí)網(wǎng)共檢核由平差所用的獨(dú)立基線構(gòu)成的最簡(jiǎn)異步環(huán)747個(gè)，所有的異步環(huán)閉合差都小于國(guó)家GNSS規(guī)范的要求（見(jiàn)表7）；C級(jí)網(wǎng)共檢核由平差所用的獨(dú)立基線構(gòu)成的最簡(jiǎn)異步環(huán)123個(gè)，所有的異步環(huán)閉合差都小于規(guī)范的要求。

表7 異步環(huán)最大閉合差統(tǒng)計(jì)

4.2 GNSS網(wǎng)三維平差

網(wǎng)平差采用武漢大學(xué)研制的POWERNET科研版平差軟件，選取兼容性好的網(wǎng)絡(luò)工程基準(zhǔn)站點(diǎn)的 CGCS2000成果（框架為 ITRF97，歷元為2000.0）為基準(zhǔn)，以 GAMIT軟件解算的各同步觀測(cè)網(wǎng)的獨(dú)立基線向量及其全協(xié)方差矩陣作為觀測(cè)量先進(jìn)行B級(jí)網(wǎng)平差。再進(jìn)行C級(jí)網(wǎng)平差處理。

1）三維無(wú)約束平差

三維無(wú)約束平差旨在進(jìn)行粗差分析，以發(fā)現(xiàn)觀測(cè)量中的粗差并消除其影響；通過(guò)調(diào)整觀測(cè)量的協(xié)方差分量因子，使其與實(shí)際精度相匹配；進(jìn)而對(duì)整體網(wǎng)的內(nèi)部精度進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)估。

本項(xiàng)目參與 B級(jí)網(wǎng)三維無(wú)約束平差的基線共818條。從表8可以看出，B級(jí)網(wǎng)基線的三維方向向量改正小于4.5 cm，基線改正數(shù)都在±2.6 cm以內(nèi)，說(shuō)明觀測(cè)質(zhì)量較好，基線解的精度較高。

表8 B級(jí)網(wǎng)基線改正數(shù)統(tǒng)計(jì)

2）三維約束平差

整體約束平差的目的是引入外部基準(zhǔn)，將所有獨(dú)立基線向量及其經(jīng)調(diào)整后的協(xié)方差陣作為觀測(cè)量，消除因星歷和網(wǎng)的傳遞誤差引起的整網(wǎng)在尺度和方向上的系統(tǒng)性偏差。經(jīng)過(guò)兼容性檢核，最終確定以 BJFS、BJSH、JIXN、TAIN等站作為本骨干網(wǎng)的起算基準(zhǔn)。

圖4 三維約束平差觀測(cè)邊長(zhǎng)相對(duì)精度統(tǒng)計(jì)分布

最終結(jié)果表明，三維約束平差后B級(jí)網(wǎng)的平均相對(duì)精度為 0.0037 ppm，最弱邊相對(duì)精度為0.0177 ppm（圖4），最弱點(diǎn)水平精度為0.010 m，大地高精度為0.0271 m。

GNSS C級(jí)網(wǎng)參與平差的基線有200條。約束平差后的平均相對(duì)精度為0.93 ppm，也獲得了很好的精度（在此不贅述）。

5 結(jié) 語(yǔ)

區(qū)域海洋測(cè)繪基礎(chǔ)控制網(wǎng)通常兼具范圍廣、跨度大、經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡等特征。環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈骨干控制網(wǎng)就橫跨了遼寧、河北、天津、山東三省一市以及江蘇東北部分區(qū)域，海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展特色各異，在控制網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮點(diǎn)位的相對(duì)均衡布設(shè)又要兼顧不同區(qū)域的個(gè)性化需要。因受工期所限，如果部分土層天線墩不滿足經(jīng)過(guò)一個(gè)雨季的穩(wěn)定時(shí)限要求，在實(shí)際作業(yè)中可采取現(xiàn)場(chǎng)注水模擬雨季的方式加以彌補(bǔ)。

環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈骨干控制網(wǎng)旨在服務(wù)區(qū)域海洋測(cè)繪及海洋工程等活動(dòng)需要，使得很多GNSS點(diǎn)不得不選址于大面積水域附近或港口設(shè)施密集區(qū)域，環(huán)境因素造成的信號(hào)遮蔽、多路徑影響必須予以充分考慮妥善解決。同時(shí)由于海洋和無(wú)人居住島嶼的阻隔，且海上航行受風(fēng)浪、雨霧等影響很大，造成進(jìn)行同步環(huán)觀測(cè)時(shí)，各點(diǎn)位之間的協(xié)調(diào)調(diào)度難度較大。因此，在外業(yè)觀測(cè)時(shí)需科學(xué)計(jì)劃、合理調(diào)度。針對(duì)油庫(kù)碼頭、企業(yè)廠區(qū)等敏感站點(diǎn)還要提前溝通保證測(cè)量作業(yè)時(shí)可順利按時(shí)到位。

原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量是最終成果精度的基礎(chǔ)保障，必須嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)執(zhí)行。GNSS網(wǎng)的基線處理推薦采用GAMIT等專業(yè)科研軟件，武漢大學(xué)研制的POWERNET科研版平差軟件則是網(wǎng)平差的不二選擇。

基礎(chǔ)控制是海洋測(cè)繪乃至一切海洋工程等活動(dòng)的基礎(chǔ)，需要立足當(dāng)下著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)，區(qū)域骨干控制網(wǎng)可以B級(jí)網(wǎng)為主框架輔以C、D級(jí)點(diǎn)作為個(gè)性化需求補(bǔ)充。同時(shí)，還要注重平面基準(zhǔn)與垂直基準(zhǔn)統(tǒng)籌謀劃、有序建設(shè)，并納入國(guó)家控制基準(zhǔn)。