涂純二,江翠云,陳國恒
(1.廣東省國土資源測繪院,廣東 廣州 510500;2.廣東省測繪工程公司,廣東 廣州 510000)
我國未來大地基準重點發(fā)展方向集中在2000 中國大地坐標系(CGCS2000)的建立與維持、高程基準現(xiàn)代化、兼容北斗的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)多源數(shù)據(jù)融合、大地參考框架維持以及多源技術(shù)集成的空天參考基準一體化方面[1],而CGCS2000 是基于國際參考地球框架ITRF97,并定義在2000 歷元下的坐標[2]。近年來,華南沿海地區(qū)包括廣州[3]、珠海[4]、惠州[5]、桂林[6]、三明[7]、??赱8]等城市為響應國家統(tǒng)一使用2000 國家大地坐標系的要求,紛紛建立符合現(xiàn)代化測繪地理信息發(fā)展的測繪基準框架。本文以華南沿海城市江門作為應用實例,從建設高精度的2000 國家大地坐標系GNSS 控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理方面進行技術(shù)探討,通過基線解算與網(wǎng)平差計算的策略優(yōu)化,以獲取高精度的GNSS 大地基準成果,為華南沿海地區(qū)的高精度現(xiàn)代化大地基準建設提供借鑒參考。
江門市大地基準控制網(wǎng)分為G N S S 框架網(wǎng)(GNSS-B 級)與基本網(wǎng)(GNSS-C 級)。框架網(wǎng)由12 個GDCORS 基準站與15 個框架點構(gòu)成,利用到的GDCOR 基準站有佛山更合站(FSGH)、恩平站(GDEP)、上川站(GDSC)、陽江站(YJGT)、臺山站(GDTS)、新興站(GDXX)、陽春站(GDYC)、高明站(GMGT)、江門站(JMGT)、金灣站(JWGT)、順德站(SDGT)、中山站(ZSGT)?;揪W(wǎng)由江門站(JMGT)、恩平站(GDEP)、陽江站(YJGT)、15 個框架點、140 個基本點組成。
項目結(jié)合華南沿海地區(qū)的地理環(huán)境特點,在滿足規(guī)范基本要求的基礎(chǔ)上,通過基線解算與網(wǎng)平差計算兩方面的策略進行分析,以提高數(shù)據(jù)處理的精度。
框架網(wǎng)外業(yè)采樣間隔由規(guī)定的30 s 縮減至10 s,基本網(wǎng)的外業(yè)采樣間隔由規(guī)定的10~30 s 縮減至5~10 s,并以基本網(wǎng)的其中一個時段作為分析,分別使用30 s 與5 s 的采樣間隔進行數(shù)據(jù)解算,分析其精度影響,以此來調(diào)整項目的基線解算策略。
2)基本網(wǎng)的觀測時長增加至20 h 以上,并以其中一個時段作為分析,分別使用8 h 和20 h 進行數(shù)據(jù)解算,分析其精度影響,以此來調(diào)整項目的基線解算策略。
3)數(shù)據(jù)處理采用高精度的數(shù)據(jù)處理專用軟件,其中基線解算采用GAMIT,網(wǎng)平差計算采用PowerNet或GLOBK,通過平差精度上的對比分析,以此來調(diào)整項目的網(wǎng)平差計算策略。
為研究分析本項目在基線解算上的策略,在使用GAMIT 進行基線解算時,保證以下考慮因素不變的條件下[9],再對采樣間隔及觀測時長進行調(diào)整解算。
1)衛(wèi)星鐘差的模型改正(用廣播星歷中的鐘差參數(shù));
2)換收機鐘差的模型改正(用根據(jù)偽距觀測值計算出的鐘差);
3)電離層折射影響用LC 觀測值消除;
4)對流層折射。框架網(wǎng)根據(jù)標準大氣模型用薩斯坦莫寧(saastamoinen)模型改正,采用分段線形的方法估算折射量偏差數(shù);基本網(wǎng)測站間距離較短、且觀測時氣候狀況穩(wěn)定,因此考慮不估計對流層天頂延遲,采用雙差的方法來消除對流層延遲;
5)衛(wèi)星和換收機天線相位中心改正,換收機天線L1、L2 相位中心偏差采用設定值;
6)測站位置的潮汐改正采用FES2004 模型;
7)框架網(wǎng)截止高度角為10°;基本網(wǎng)截至高度角為15°。
針對基線解算中的采樣間隔選擇,本文選取了基本網(wǎng)的第299 個年積日的時段數(shù)據(jù),觀測時長為8 h,基線解算采樣間隔分別設置為30 s 和5 s,分別從N、E、U 各基線分量精度進行比對分析,見圖1。
圖1 采樣間隔對基線精度的影響分析
由圖1 可以看出,當選擇5 s 的采樣間隔時,N、E、U 分量的基線精度均優(yōu)于選擇30 s 的采樣間隔。其中5 s 采樣間隔N 方向精度在0.002 3 ~0.006 1 m 之間,平均精度為0.003 6 m;30 s 采樣間隔N 方向精度在0.004 2 ~0.008 2 m 之間,平均精度為0.005 5 m;5 s 采樣間隔使N 方向基線精度較30 s 平均提高了35.10%。5 s 采樣間隔E 方向精度在0.002 6~0.007 3 m之間,平均精度為0.004 0 m;30 s 采樣間隔E 方向精度在0.003 4~0.006 7 m 之間,平均精度為0.005 0 m;5 s 采樣間隔使E 方向基線精度較30 s 平均提高了19.74%。5 s 采樣間隔U 方向精度在0.003 8~0.010 6 m之間,平均精度為0.006 1 m;30 s 采樣間隔U 方向精度在0.006 6~0.014 7 m 之間,平均精度為0.010 4 m;5 s 采樣間隔使U 方向基線精度較30 s 平均提高了41.69%。因此,可選用較小采樣間隔方案作為本項目的解算策略。
針對基線解算中的觀測時長選擇,本文同樣選取了基本網(wǎng)的第299 個年積日的時段數(shù)據(jù),采用間隔設置為10 s,分別將觀測時長設為8 h 和20 h 進行基線解算,分別從N、E、U 分量精度進行比對分析。比較分析見圖2。
圖2 觀測時長對基線精度的影響分析
由圖2 可以看出,當選擇20 個小時觀測時長時,N、E、U 分量的基線精度均優(yōu)于選擇8 h。其中20 h 觀測時長N 方向精度在0.001 5~0.003 8 m 之間,平均精度為0.002 3 m,8 h 觀測時長N 方向精度在0.002 4~0.005 8 m 之間,平均精度為0.003 5 m,20 h觀測時長使N 方向基線精度較8 h 平均提高了34.49%;20 h 觀測時長E 方向精度在0.001 7~0.004 3 m 之間,平均精度為0.002 5 m,8 h 觀測時長E 方向精度在0.002 2~0.005 2 m 之間,平均精度為0.003 3 m,20 h觀測時長使E 方向基線精度較8 h 平均提高了22.95%;20 h 觀測時長U 方向精度在0.002 4 ~0.006 8 m 之間,平均精度為0.003 8 m,8 h 觀測時長U 方向精度在0.003 9 ~0.011 9 m 之間,平均精度為0.006 6 m,20 h 觀測時長使U 方向基線精度較8 個小時平均提高了41.74%。因此,基本網(wǎng)可選用20 h 或以上的時觀測時長方案作為本項目的解算策略。
采用上述兩種優(yōu)化后的策略進行本項目框架網(wǎng)和基本網(wǎng)的基線解算,并對基線重復性和閉合環(huán)進行檢驗??蚣芫W(wǎng)與基本網(wǎng)共構(gòu)成4 745 個閉合環(huán),閉合差為0.004 9 m,基線重復性檢驗統(tǒng)計如表1 所示,兩者均滿足規(guī)范與項目設計要求。
表1 基線重復性檢驗
本項目選擇我國自主研發(fā)的PowerNet 與美國麻省理工(MIT)和美國加利福尼亞大學SCRIPPS 海洋研究院(SIO)共同開發(fā)的GLOBK 軟件[10]進行網(wǎng)平差計算。通過比較兩套平差軟件在平差結(jié)果上的精度,以此來調(diào)整本項目的網(wǎng)平差計算策略。
在數(shù)據(jù)處理過程中,通過采用PowerNet 軟件進行無約束平差,發(fā)現(xiàn)JWGT 與其他站點不兼容,且與已知起算坐標值X方向差為4 cm,Y方向差為9 cm,Z方向差為4 cm,因此,將JWGT 僅作為待求點參與基線解算,不作為起算點進行平差計算。本次實驗中以FSGH、GDEP、GDSC、YJGT、GDTS、GDXX、GDYC、GMGT、JMGT、SDGT、ZSGT 共11 個GDCORS 站點作為起算,其成果為2000 國家大地坐標成果(坐標框架為:ITRF97,歷元為2000.0),平差得到各框架點與基本點在CGCS2000 框架下的坐標成果。
使用PowerNet 軟件與GLOBK 軟件以上述11 個GDCORS 站進行約束平差,分析比較平差結(jié)果文件中N、E、H 方向上的精度,如圖3 所示。
圖3 平差精度比較
通過圖3 比較PowerNet 與GLOBK 平差后的精度,PowerNet 軟件在N、E 方向上平差精度均在6 mm 以下,H 方向上平差精度(排除粗差點JWGT)均在10 mm 以下,平差精度良好;而GLOBK 相比與PoweNet 軟件,在N、E、H 上其總體平差精度在N、E、H 方向上均更高。PowerNet 平差精度平均值為2.590 mm,GLOBK 平差精度平均值為0.937 mm,較PowerNet 平均精度提高了63.81%;在E 方向上,PowerNet 平差精度平均值為2.776 mm,GLOBK 平差精度平均值為1.007 mm,較PowerNet 平均精度提高了63.74%;在H 方向,PowerNet 平差精度平均值為4.953 mm,GLOBK 平差精度平均值為1.969 mm,較PowerNet 平均精度提高了60.24%。由此可見,使用GLOBK 軟件進行本項目框架網(wǎng)與基本網(wǎng)的整體平差,其平差精度在N、E、H 上均優(yōu)于PowerNet 軟件,可選用GLOBK 作為本項目的網(wǎng)平差計算軟件。最終選用GLOBK 軟件進行網(wǎng)平差計算得到CGCS2000 坐標成果,點位精度統(tǒng)計見表2。
表2 點位精度統(tǒng)計/m
本文以華南沿海城市江門作為應用實例,從建設高精度的2000 國家大地坐標系GNSS 控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理方面進行技術(shù)探討,通過基線解算與網(wǎng)平差計算的策略優(yōu)化,得到以下幾點結(jié)論。
1)框架網(wǎng)與基本網(wǎng)的基線處理采用GAMIT 軟件,通過設置較小的采樣間隔,以及基本網(wǎng)采用更長時間(20 h 以上)的觀測時長,使在數(shù)據(jù)處理中獲得更高的基線解算結(jié)果。將此基線解算策略應用于整網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理,其基線重復性和閉合環(huán)檢驗均滿足規(guī)范與項目設計的要求。
2)通過比較PowerNet 與GLOBK 兩款高精度的平差軟件,最終選擇GLOBK 應用于本項目的網(wǎng)平差計算,得到該地區(qū)在CGCS2000 框架下的三維大地坐標基準。
3)高精度控制點坐標為今后基礎(chǔ)測繪基準的最終建立提供了科學的依據(jù),也可為高精度、高分辨率似大地水準面的建立提供均勻、可靠和精確的數(shù)據(jù)。