胡思華

(貴州有色地質工程勘察公司，貴州 貴陽 550025)

GPS技術自其出現(xiàn)以來就因其高精度、全天候、自動化等優(yōu)點而迅速融入到社會各個領域，并在測繪領域形成了一種先進的數(shù)據(jù)采集方式——GPS測量[1-2]。對于GPS所采集數(shù)據(jù)的處理，國內的商用軟件普遍采用模型簡單、計算量小的單基線解模式進行解算，其處理結果精度較低[3]。如果想獲得高精度的成果，必須使用更嚴謹精密的測量科研分析軟件。當前的高精度GPS數(shù)據(jù)分析軟件主要有：Bernese軟件，由瑞士Bern大學開發(fā)；GAMIT/GLOBK軟件，由美國麻省理工學院和SCRIPPS海洋研究所共同開發(fā)[4-7]。由于GAMIT/GLOBK軟件可以免費提供給所有用戶使用，這使得它迅速被應用到全球各地，深受廣大測繪人員的好評。目前，國內主流的平差軟件是武漢大學獨立研制的COSAGPS軟件。COSAGPS軟件針對國內測量規(guī)范設置了各種控制網(wǎng)等級的參數(shù)，平差較GLOBK更為方便直觀。IGS數(shù)據(jù)處理中心公布的精密星歷可以為GAMIT軟件提供穩(wěn)定的高精度起算基準。而聯(lián)測IGS跟蹤站可以得到所測控制點在ITRF框架下的坐標成果。

本文選擇貴州大學的4個強制對中觀測墩，且無其坐標信息，鑒于CGCS2000坐標系是目前國內精度最高的坐標系，在適宜的觀測方案的基礎上，綜合以上優(yōu)點，以期得到高精度的控制點CGCS2000坐標成果。

1 觀測方案

1.1 測區(qū)概況

測區(qū)位于貴陽市花溪區(qū)，地勢較為平坦。測區(qū)范圍為東經(jīng)106.656 4°～106.665 2°、北緯26.444 1°～26.449 3°。測區(qū)平均高程為1 100 m。四個觀測墩分別為GD01、GD02、GD03、GD04。測區(qū)附近IGS站點分布圖如圖1所示。

圖1 測區(qū)附近IGS站點分布圖

1.2 聯(lián)測方案

1.2.1 IGS站的選取

如果選擇測區(qū)附近均勻分布的5～6個IGS站，來自于高程誤差的影響將相互抵消，進而提高GAMIT的解算精度。本文選擇bjfs、shao、urum、twtf、cusv、pimo等6個IGS站點，這些站點較為均勻的分布在測站周圍，并與測站距離在1 000～2 000 km，有利于GAMIT的長基線解算。

1.2.2 儀器的類型及精度

本次觀測方案配備3臺南方NETS9接收機，在進行靜態(tài)數(shù)據(jù)采集時，其平面定位精度為±2.5 mm+1 ppm，其高程定位精度為±5 mm+1 ppm。同時配備3臺可弱化多路徑效應的南方CR3- G3扼流圈天線。

1.2.3 觀測方案

本次GPS測量實測4個點，利用3臺接收機，按照工程三等控制網(wǎng)的要求對4個控制點同步觀測3個時段，時段長4 h。具體觀測方案為：第1時段觀測GD01、GD02、GD03等三個控制點；第2時段觀測GD02、GD03、GD04等三個控制點；第3時段觀測GD01、GD02、GD04等三個控制點。觀測時采用的技術指標為：(1)觀測衛(wèi)星數(shù)≥5；(2)衛(wèi)星高度角為15°；(3)采樣間隔為30 s。

2 基于GAMIT軟件的基線解算

2.1 數(shù)據(jù)準備

本次觀測于2016年5月4日(125日)和5月5日(126日)兩天完成。因此需要在IGS數(shù)據(jù)網(wǎng)站上下載125日和126日兩天的原始觀測數(shù)據(jù)以及需要更新的tables表文件。

首先，新建一個工程目錄，命名為kong。之后，在該目錄下新建igs、brdc和rinex三個目錄存儲第1時段的所有原始觀測數(shù)據(jù)。更新完tables文件后，在終端中執(zhí)行sh_setup 2016 125 kong指令，將其鏈接到kong文件夾中。

將各配置文件準備好后，根據(jù)觀測的實際情況，做以下修改：

(1)將sestbl.中的Use otl.list = N和Use otl.grid = N中的N改為Y來進行潮汐改正。

(2)修改sessio.info中的起始觀測時間和歷元數(shù)。

(3)對各IGS站的先驗坐標做0.05 m的強約束，對4個控制點做9.99 m的松弛約束。

2.2 天線相位中心的改正

由于本文觀測使用的天線并未出現(xiàn)在rcvant.dat中，需要進行如下處理：

(1)訪問NGS網(wǎng)站，找到STHCR3-G3的ANTEX格式的天線相位中心參數(shù)，復制粘貼到antmod.dat文件中。

(2)將STHCR3-G3天線的編碼標識加入到rcvant.dat中。

(3)在hi.dat中添加STHCR3-G3天線的改正信息，GAMIT在其解算過程中會利用該參數(shù)改正天線高。

2.3 基線解算

如表1所示，IGS數(shù)據(jù)處理中心提供的星歷有3種：超快速星歷IGU，主要有觀測和預報兩部分，發(fā)布速度最快；快速星歷IGR，質量較好，發(fā)布速度也較快；最終精密星歷IGS，經(jīng)IGS處理中心加權后發(fā)布的，效果最好，但發(fā)布速度太慢。本文選用最終精密星歷IGS進行解算。

表1 3種精密星歷參數(shù)

在各項準備工作都進行完畢后，在kong目錄下打開終端，輸入基于最終精密星歷IGS的批處理命令：sh_gamit -expt kong -d 2016 125 -pres ELEV -orbit IGSF -copt x k p -dopts c ao，GAMIT軟件開始自動處理觀測數(shù)據(jù)，得到分析記錄文件o文件。第2、3時段的數(shù)據(jù)仍按上述步驟做基線解算的處理。最終獲得的3個時段的o文件的均方根誤差均在0.2左右，表示基線解算精度高[8]。(本文同時進行了松弛軌道解和固定軌道解兩種方式的基線解算，對比發(fā)現(xiàn)采用松弛軌道解的解算結果精度更高，因此本文采用松弛軌道解進行基線解算。)

3 基于COSAGPS的基線質量分析及網(wǎng)平差

3.1 COSAGPS軟件介紹

COSAGPS軟件是武漢大學獨立研制的一款專用GPS網(wǎng)平差軟件。COSAGPS軟件可讀取多種GPS軟件的基線數(shù)據(jù)，自動進行各種指標的計算。

同時，COSAGPS軟件針對國內的GPS測量規(guī)范設計了各種控制等級，減少了測繪人員處理數(shù)據(jù)時查找各種規(guī)范的煩惱，因而備受推崇。由于COSAGPS軟件運算速度快，且能保持非常高的整體性，是國內最受認可的權威平差軟件。

3.2 坐標系統(tǒng)的統(tǒng)一

由于國內IGS站建立相對較晚，不能直接從ITRF官網(wǎng)上得到各IGS站點的CGCS2000坐標。因此，首先找到各IGS站點在ITRF05，2000.0歷元(2000年1月1日所屬歷元)下的坐標，然后通過圖2所示框架轉換流程得到其CGCS2000坐標(各轉換參數(shù)均改正至2000.0歷元下)。

圖2 ITRF框架轉換流程圖

同時，考慮到各點所在板塊的不均勻運動對其坐標的影響，通過轉換歷元得到了表2所示的各IGS站在ITRF97框架，2016.344歷元(2016年126日所屬歷元)下的坐標[9-13]。

表2 各IGS站點在ITRF97，2016.344歷元的坐標/m

3.3 基線質量檢核

在COSAGPS軟件中新建一個工程，等級設置為工程三等。然后，導入GAMIT基于最終精密星歷IGS的基線解算數(shù)據(jù)并形成獨立基線文件，選擇BJFS作為無約束平差的已知坐標，進行各項控制指標的計算。

在《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》(GB/T18314-2009)中，同步環(huán)閉合差的限差為[14]：

(1)

從表3中可知，各方向坐標閉合差均在-0.1～0.1 mm之間，無明顯差別，精度較高，滿足規(guī)范的要求。

表3 同步環(huán)閉合差計算結果

在《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》(GB/T18314-2009)中，異步環(huán)閉合差的限差為[14]：

(2)

從表4中同樣可以得知，各方向異步環(huán)閉合差均在-0.1～0.1 mm之間，遠遠小于限差(各限差允許值均在19 000 mm以上)，WS最大值為0.14 mm，同樣遠遠小于限差(各限差允許值均在33 000 mm以上)，均滿足規(guī)范要求，由此表明采用精密星歷在長線路的異步環(huán)計算中具有較高的精度。

表4 異步環(huán)閉合差計算結果/mm

在《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》(GB/T18314-2009)中，重復基線較差的限差為[14]：

(3)

從表5中亦知，各重復基線長度差均在0.245 6～3.763 1 mm之間，遠遠小于限差允許值(21 000 mm以上)，均符合規(guī)范要求，由此表明采用精密星歷在長線路的重復基線計算中具有較高的精度。

表5 基于IGS精密星歷的重復基線長度較差計算結果

在《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》(GB/T18314-2009)中，三維無約束平差基線向量殘差的限差為[14]：

VDX，VDY，VDZ≤3σ

(4)

從表6中可知，各方向基線向量殘差均不超過±2 cm，精度較高，計算結果均滿足規(guī)范要求。

表6 三維無約束平差基線向量殘差計算結果/cm

3.4 網(wǎng)平差

本文選擇IGS站中最穩(wěn)定的BJFS、SHAO、URUM三個站的坐標作為已知坐標進行三維約束平差，平差后的控制點在ITRF97，2 016.344歷元下的坐標如表7所示。

表7 平差后的控制點坐標

平差后的最弱邊為GD01-GD02，其中誤差為1/73 000，滿足《工程測量規(guī)范》(GB50026-2007)三等工程控制網(wǎng)最弱邊中誤差≤1/700 00的要求。Y方向誤差略大于X、Z方向誤差。平差后的最弱點為GD01，其中誤差為17 mm，滿足《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》(GBT18314-2009)最弱點中誤差≤±25 mm的限差要求。綜上可得，平差后的控制點坐標成果是可靠的。

4 總 結

在GPS高精度數(shù)據(jù)處理中，有許多誤差會影響到最終的結果，本文在外業(yè)觀測時就通過配備扼流圈天線的接收機來消除多路徑效應，而GAMIT軟件通過設置好配置文件可以對天線相位中心偏差、潮汐、極移、章動、閏秒等誤差的影響進行改正。誤差的改正是高精度數(shù)據(jù)處理的關鍵。

通過長時間的數(shù)據(jù)觀測、采用精密星歷以及聯(lián)測測區(qū)附近分布均勻的6個IGS站， GAMIT軟件可以建立嚴密的數(shù)學模型進行數(shù)據(jù)解算，從而得到高質量的基線數(shù)據(jù)。再采用國內測繪領域最受歡迎的權威平差軟件COSAGPS，對GAMIT軟件解算的基線數(shù)據(jù)進行平差，最終得到了控制點在CGCS2000下的坐標，精度滿足工程測量規(guī)范三等控制網(wǎng)的要求。