徐國杰 呂繼書

中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司西南分公司，四川成都610041

基于GAMIT/GLOBK的高精度管道工程控制網(wǎng)解算

徐國杰 呂繼書

中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司西南分公司，四川成都610041

為討論基于GAMIT/GLOBK的高精度管道工程控制網(wǎng)解算，論述了基線解算、平差及精度評定的過程及結(jié)果。在控制網(wǎng)中按40～60 km間隔選取11個點(diǎn)進(jìn)行長時間觀測，聯(lián)合7個IGS參考站連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，利用GAMIT/GLOBK對觀測的GPS基線進(jìn)行精密處理，然后以松弛約束法和開爾曼濾波迭代計算11個點(diǎn)的高精度坐標(biāo)，以獲得的坐標(biāo)作為起算數(shù)據(jù)，對整個管道工程控制網(wǎng)進(jìn)行整體平差。精度分析結(jié)果表明，利用GAMIT/GLOBK解算的起算點(diǎn)精度達(dá)到毫米級水平，控制網(wǎng)整體平差結(jié)果的精度高于三等GPS控制網(wǎng)精度要求?；贕AMIT/GLOBK的高精度管道工程控制網(wǎng)解算可作為一種有效的備用技術(shù)手段在將來的工程中推廣。

GAMIT;GLOBK;精密星歷;管道工程控制網(wǎng);GPS基線處理

0 前言

管道工程控制網(wǎng)的精度影響著整個管道建設(shè)工期的各個環(huán)節(jié)。管道工程控制網(wǎng)的坐標(biāo)一般通過GPS靜態(tài)觀測手段，與高等級國家控制點(diǎn)聯(lián)測后使用通用平差軟件(如科傻、TBC等)經(jīng)過基線解算處理和平差解算得到。依托完善的高等級大地測量控制網(wǎng)在中國及其他發(fā)達(dá)國家和地區(qū)都容易實(shí)現(xiàn)并廣泛應(yīng)用［1－4］。但中亞等偏遠(yuǎn)落后地區(qū)高等級大地測量控制網(wǎng)不完善，既有控制點(diǎn)的精度不高、密度也不夠，此類地區(qū)的大型工程建設(shè)，無法通過聯(lián)測國家控制點(diǎn)布設(shè)高精度工程控制網(wǎng)。這對長距離中亞D線管道工程提出了挑戰(zhàn)，如何在此類地區(qū)建立有足夠精度的工程控制網(wǎng)，是當(dāng)?shù)毓こ探ㄔO(shè)需要解決的問題。

GPS靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵在于基線解算，隨著基線長度增加，衛(wèi)星軌道誤差、對流層延遲及電離層延遲等造成的基線解算誤差隨之增加。當(dāng)基線長度增加至上百公里甚至更長時，地球章動、日月固體潮、地殼運(yùn)動、海洋潮汐等在短基線解算時可忽略不計的因素，都會影響基線解算的精度。而通用平差軟件由于其解算模型的限制，無法有效解決上述因素的影響，不適用于長基線解算。所以這些通用平差軟件不適用于高等級、大跨度的控制網(wǎng)基線解算。

針對上述問題，中亞D線管道工程采取分級布網(wǎng)、長時觀測、分步解算的方法，并利用GAMIT/GLOBK進(jìn)行高精度長基線解算、高精度網(wǎng)平差，成功建立了跨度達(dá)600 km的高精度工程控制網(wǎng)。本文以GAMIT/ GLOBK在中亞D線管道工程控制測量中的應(yīng)用實(shí)踐為例，詳細(xì)闡述GAMIT/GLOBK的高精度GPS基線解算、松弛約束法估算測站起始坐標(biāo)及開爾曼濾波迭代計算高精度坐標(biāo)的過程，并在整體平差后進(jìn)行精度分析。

1 GAMIT/GLOBK數(shù)據(jù)處理流程

GAMIT/GLOBK是一套高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件，主要用于分析研究地殼變形、高精度GPS測量數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域，是目前世界上先進(jìn)的精密GPS數(shù)據(jù)處理軟件之一，廣泛應(yīng)用于長距離、高精度、長時間的GPS定位數(shù)據(jù)處理［5－10］。GAMIT/GLOBK由美國麻省理工學(xué)院(MIT)、哈佛－史密松斯天體物理中心(CFA)和克里普斯海洋研究所(SIO)聯(lián)合開發(fā)，并得到美國哈佛大學(xué)和美國國家科學(xué)基金會的支持。

GAMIT/GLOBK與常用的Windows軟件不同的是，它僅支持在UNIX/LINUX操作系統(tǒng)下運(yùn)行。

1.1 GAMIT軟件

GAMIT軟件是世界上優(yōu)秀的GPS定位和定軌軟件之一，采用精密星歷和高精度起算點(diǎn)時，其解算長基線的相對精度能達(dá)到10－9量級，解算短基線的精度能優(yōu)于1 mm［11］，特點(diǎn)是運(yùn)算速度快、在精度許可范圍內(nèi)自動化處理程度高等，應(yīng)用相當(dāng)廣泛［12－19］。

GAMIT具有ARC、MODEL、AUTCLN、CFMRG及SOLVE等5個主要模塊:ARC為軌道積分模塊，對衛(wèi)星運(yùn)動方程進(jìn)行數(shù)值積分來確定衛(wèi)星軌道;MODEL為求偏導(dǎo)模塊，生成觀測方程;AUTCLN為周跳修復(fù)模塊，CFMRG為參數(shù)定義和選擇模塊，為SOLVE模塊創(chuàng)建觀測方式文件(M-file);SOLVE模塊利用雙差觀測值按最小二乘法求解各參數(shù)。

GAMIT軟件處理GPS觀測數(shù)據(jù)的過程非常復(fù)雜，其數(shù)據(jù)處理流程見圖1［20］。

1.2 GLOBK軟件

GLOBK軟件是個基于基線解進(jìn)行網(wǎng)平差的軟件，主要功能是采用卡爾曼濾波和松弛約束算法，綜合處理由GAMIT軟件對原始觀測數(shù)據(jù)處理后輸出的測站坐標(biāo)解、地球旋轉(zhuǎn)參數(shù)、軌道參數(shù)等估值及協(xié)方差矩陣，產(chǎn)生測站坐標(biāo)的時間序列，檢測測站坐標(biāo)重復(fù)度，檢測剔除產(chǎn)生異常域的測站和歷元;綜合處理同期觀測數(shù)據(jù)的單時段解以獲得此期測站的平均坐標(biāo);綜合處理測站多期的平均坐標(biāo)來獲得測站的速度，最后輸出測站坐標(biāo)。GLOBK軟件處理流程見圖2。

2 觀測與解算

2.1 坐標(biāo)系確定

在中亞D線管道工程經(jīng)過的T國和G國境內(nèi)約600 km路由附近，根據(jù)GB/T 50539－2009《油氣輸送管道工程測量規(guī)范》布網(wǎng)原則［21］，布設(shè)70對(140個)控制樁建立該工程的控制網(wǎng)。采用GPS雙頻接收機(jī)進(jìn)行靜態(tài)觀測，相鄰點(diǎn)對間同步觀測時間不少于2 h。選取工程控制網(wǎng)中6個點(diǎn)與T國已建立的ITRF 2005(參考?xì)v元為2009.89)坐標(biāo)控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測，但經(jīng)過嚴(yán)格的起算點(diǎn)精度檢查發(fā)現(xiàn)控制點(diǎn)精度不能滿足起算點(diǎn)精度要求，故不能作為工程的控制網(wǎng)起算點(diǎn)。因此決定建立1套獨(dú)立于T國控制網(wǎng)的工程控制網(wǎng)，坐標(biāo)采用最新的ITRF 2008坐標(biāo)，歷元選擇在最后一組起算點(diǎn)的觀測歷元(2013.73)。為與T國既有控制網(wǎng)坐標(biāo)保持一致，考慮經(jīng)過整體平差后，再把控制網(wǎng)成果從ITRF 2008坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成ITRF 2005坐標(biāo)。

圖1 GAMIT軟件數(shù)據(jù)處理流程

圖2 GLOBK軟件數(shù)據(jù)處理流程

以間距50～80 km選取6個T國既有控制點(diǎn)及5個中亞D線管道工程首級控制點(diǎn)，進(jìn)行長時間GPS靜態(tài)觀測，平均連續(xù)觀測時間不小于24 h。收集測區(qū)周圍的7個IGS連續(xù)運(yùn)行參考站的同期靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)，與以上11個點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)一起打包組成新的包含18個測站數(shù)據(jù)的長基線GPS網(wǎng)，進(jìn)行統(tǒng)一解算。

2.2 長基線數(shù)據(jù)處理

利用GAMIT/GLOBK對18個測站的GPS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，參與處理的主要參數(shù)有:

·7個IGS連續(xù)運(yùn)行參考站的同期觀測數(shù)據(jù);

·GPS接收機(jī)天線相位中心漂移模型;

·GPS精密星歷;

·相對于地球自轉(zhuǎn)的定向參數(shù):極點(diǎn)、UTC、UT1;

·章動表(IERS/IGS標(biāo)準(zhǔn)):相對于地球自轉(zhuǎn)軸的章動和歲差;

·月球和太陽的固體潮汐星歷;

·碼偏差(P1－C1，P1－P2);

·海洋潮汐和大氣層帶來的地殼載荷;

·影響IGS參考站的地震信息及其帶來的相對位移。

通過以下步驟對GPS基站觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理:

1)利用每天的GPS雙差相位觀測值，以松弛約束法估算測站坐標(biāo)、每個測站的天頂大氣延遲參數(shù)以及衛(wèi)星軌道和地球自轉(zhuǎn)參數(shù)。其中，衛(wèi)星軌道參數(shù)由IGS(International GNSS Service)提供的精密星歷中得出［22］，地球自轉(zhuǎn)參數(shù)由IERS(International Earth Rotation and Reference Systems Service)提供的極移和UT1－UTC得到［23］。把這些控制參數(shù)連同7個IGS連續(xù)運(yùn)行參考站的同期觀測數(shù)據(jù)一起，解算其ITFR的地心坐標(biāo)。

2)利用每天估算的測站坐標(biāo)、衛(wèi)星軌道參數(shù)、地球定向參數(shù)以及協(xié)方差矩陣，以天為單位集合至一起作為擬觀測值進(jìn)行開爾曼濾波，推算協(xié)調(diào)坐標(biāo)集。

以上步驟需要迭代進(jìn)行，每一次迭代利用上一次計算出的坐標(biāo)作為先驗(yàn)值進(jìn)行計算。

3)根據(jù)7個IGS連續(xù)運(yùn)行參考站已知坐標(biāo)，利用空間轉(zhuǎn)換6參數(shù)(3個位移參數(shù)，3個旋轉(zhuǎn)參數(shù))計算測站坐標(biāo)。在該步計算中舍棄尺度參數(shù)是為了使參加計算的7個IGS連續(xù)運(yùn)行參考站坐標(biāo)的計算值和其已知值誤差最小。該步也需要迭代進(jìn)行，直至求出7個IGS參考站坐標(biāo)的最佳子集。

通過以上步驟計算，得到11個測站平面坐標(biāo)的相對誤差優(yōu)于±1 cm;橢球高的相對誤差優(yōu)于±1.5 cm。在2013.73歷元(最后一組觀測時的歷元)的ITRF 2008的空間坐標(biāo)優(yōu)于±1 cm。

2.3 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

首先，利用IERS發(fā)布的基于ITRF運(yùn)動場模型的歐洲板塊運(yùn)動速率的歐拉向量，計算各測站速率，利用測站速率把各測站的ITRF 2008坐標(biāo)從2013.73歷元轉(zhuǎn)換至2009.89歷元。然后利用IERS公布的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換7參數(shù)(3個位移參數(shù)，3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)和1個尺度參數(shù))把11個測站坐標(biāo)從ITRF 2008轉(zhuǎn)換至ITRF 2005。最終得到11個測站在歷元2009.89的ITRF 2005坐標(biāo)。

2.4 整網(wǎng)平差

將通過GAMIT/GLOBK解算獲得的11個起算點(diǎn)的高精度坐標(biāo)作為已知值進(jìn)行工程控制網(wǎng)整網(wǎng)平差。此時不存在解算長基線的問題，平差軟件采用Trimble Business Center?；€解算及其精度檢查通過后，以11個起算點(diǎn)的坐標(biāo)值作為控制網(wǎng)的約束條件進(jìn)行約束平差，得到全部首級控制點(diǎn)坐標(biāo)。

3 精度分析

3.1 起算點(diǎn)解算精度分析

以起算點(diǎn)解算結(jié)果中誤差為精度指標(biāo)來評價起算點(diǎn)解算精度。表1為11個起算點(diǎn)解算坐標(biāo)后驗(yàn)中誤差。

表1 起算點(diǎn)解算坐標(biāo)后驗(yàn)中誤差表

由表1可知，雖然起算點(diǎn)間距均在50 km以上，但因?yàn)榛贕AMIT/GLOBK進(jìn)行解算時利用了精密星歷，大大提高了解算時的起始估算坐標(biāo)精度，并考慮了地球自轉(zhuǎn)參數(shù)等7個影響解算精度的環(huán)境參數(shù)，最后把解算結(jié)果的精度提高到了毫米級水平，為工程控制網(wǎng)整體平差提供了高精度的起算基準(zhǔn)。

3.2 整網(wǎng)平差精度分析

以工程控制網(wǎng)同步觀測環(huán)閉合差為指標(biāo)來評價起算點(diǎn)解算精度。對控制網(wǎng)600余個同步觀測閉合環(huán)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)閉合差大部分控制在2 mm以內(nèi)(為便于比較分析，閉合差為已換算為每公里相對閉合差，下同)，少數(shù)閉合差大于4 mm，最大閉合差為5.6 mm。

根據(jù)GB 50026－2007《工程測量規(guī)范》的三等GPS控制網(wǎng)精度要求［24］，算得同步環(huán)全長閉合差應(yīng)小于6.7 mm，通過以上結(jié)果比較可知，本文計算結(jié)果滿足三等GPS控制網(wǎng)精度要求，而管道工程首級控制網(wǎng)的精度要求為四等GPS控制網(wǎng)精度。

4 結(jié)論

精度分析表明，本文采用基于GAMIT/GLOBK進(jìn)行起算點(diǎn)坐標(biāo)解算，然后進(jìn)行整網(wǎng)平差得到了高精度結(jié)果。總結(jié)本次控制測量外、內(nèi)業(yè)過程可知，長時且穩(wěn)定的觀測數(shù)據(jù)，IGS參考站數(shù)據(jù)的應(yīng)用，精密星歷，天線相位漂移等精度因子的考慮及整體平差時的合理布網(wǎng)等幾個關(guān)鍵因素都大大降低或消除了相應(yīng)的偶然或系統(tǒng)誤差，保證了解算結(jié)果的高精度。而高精度基線解算及GAMIT/GLOBK是整個技術(shù)流程的關(guān)鍵，基于其對上述各種數(shù)據(jù)高效綜合的利用，得出了最后的高精度結(jié)果。

實(shí)踐證明，在高等級大地測量控制網(wǎng)不完善地區(qū)，利用GAMIT/GLOBK進(jìn)行工程控制網(wǎng)解算可以大大提高網(wǎng)形內(nèi)部精度和解算精度。如果可以獲得參與解算的IGS參考站的目標(biāo)坐標(biāo)系坐標(biāo)，這種方法完全可以在任何地區(qū)實(shí)施。鑒于GAMIT/GLOBK的高精度和高效，利用這種方式進(jìn)行控制網(wǎng)解算可作為一種有效的備用技術(shù)手段在工程中推廣應(yīng)用。

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10.3969/j．issn．1006－5539.2016.06.024

2016－04－10

中國石油天然氣集團(tuán)公司重點(diǎn)工程資助項目(S 2013－009 D)

徐國杰(1984－)，男，山東單縣人，工程師，碩士，主要從事3 S工程應(yīng)用相關(guān)技術(shù)工作。