遼寧省2000國家大地坐標(biāo)框架的建立

韓棚舉 崔勝濤

(遼寧省自然資源事務(wù)服務(wù)中心, 遼寧 沈陽 110034)

0 引言

我國于20世紀(jì)50和80年代建立了1954年北京坐標(biāo)系和1980西安坐標(biāo)系,這兩套坐標(biāo)系在國民經(jīng)濟、社會發(fā)展和科學(xué)研究中發(fā)揮了重要作用,但該坐標(biāo)系依賴于傳統(tǒng)技術(shù)手段建設(shè),存在技術(shù)老舊、測量精度差、控制點需要通視、控制范圍小等問題[1]。

隨著我國經(jīng)濟的穩(wěn)步發(fā)展,已有的坐標(biāo)基準(zhǔn)越來越不能滿足建設(shè)的需要,因此迫切需要采用原點位于地球質(zhì)心的坐標(biāo)系統(tǒng)作為國家大地坐標(biāo)系[2]。當(dāng)前利用基站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)建立的連續(xù)運行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)(Continuously Operating Reference Stations，CORS)已經(jīng)成為全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)應(yīng)用的發(fā)展熱點[3]。CORS系統(tǒng)作為地面觀測設(shè)施,為三維地心坐標(biāo)系的建立與維持提供了有力手段。

遼寧省2000國家大地坐標(biāo)框架建設(shè)是遼寧省現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系建設(shè)的主要內(nèi)容,圍繞LNCORS(Liaoning CORS)系統(tǒng)建設(shè)、2000國家大地坐標(biāo)框架建立和維持、大地基準(zhǔn)統(tǒng)一等關(guān)鍵問題進行研究,實現(xiàn)了各等級測量點的快速采集,解決了用戶實時或準(zhǔn)實時獲取2000國家大地坐標(biāo)的問題。

1 遼寧省衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)服務(wù)系統(tǒng)(LNCORS)建立

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Sate-llite System,GNSS)又稱天基(定位、導(dǎo)航、授時)系統(tǒng),是隨著空間技術(shù)發(fā)展而建立的精密衛(wèi)星定位、導(dǎo)航、授時系統(tǒng),具有在海陸空進行全方位實時三維導(dǎo)航、定位與授時功能[4]。

LNCORS利用GNSS技術(shù)、數(shù)據(jù)通信及“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)建設(shè),由覆蓋遼寧省域的若干座基準(zhǔn)站、1個數(shù)控中心、若干條通訊專線和用戶組成,全天候?qū)崟r提供高精度導(dǎo)航定位服務(wù)。

LNCORS系統(tǒng)包括基準(zhǔn)站子系統(tǒng)、數(shù)控中心子系統(tǒng)和用戶應(yīng)用子系統(tǒng),整個系統(tǒng)是以數(shù)控中心為主節(jié)點,以基準(zhǔn)站和用戶為子節(jié)點組成星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

(1)基準(zhǔn)站的功能是衛(wèi)星信號的捕獲、跟蹤、采集與傳輸以及設(shè)備完好性監(jiān)測,通過在全省14萬km2范圍內(nèi)建立的若干座基準(zhǔn)站,形成高精度、高時空分辨率、高效率、高覆蓋率的LNCORS系統(tǒng),為實現(xiàn)全省ITRF(國際地球參考框架，International Terrestrial Reference Frame)框架或CGCS2000坐標(biāo)系下各等級控制點的快速建立和更新提供區(qū)域基準(zhǔn)。

組成LNCORS的基準(zhǔn)站是獨立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),它是由GNSS接收機、匹配天線、UPS 穩(wěn)壓電源、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、計算機、集成柜、觀測墩、觀測室和避雷系統(tǒng)組成的全天候觀測系統(tǒng),長期連續(xù)跟蹤觀測衛(wèi)星信號,通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)實時將觀測數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行?提供實時、快速或事后的數(shù)據(jù)服務(wù),主要功能見表1。

表1 基準(zhǔn)站功能

(2)數(shù)控中心是LNCORS的核心單元,既是通訊控制中心,也是數(shù)據(jù)接收、發(fā)送及處理中心。數(shù)控中心按冗余備份設(shè)計,主要由播發(fā)服務(wù)器、解算服務(wù)器和磁盤陣列組成,高精度數(shù)據(jù)處理及實時服務(wù)軟件采用分布式安裝,對基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)進行同步處理和質(zhì)量分析,經(jīng)精密解算后,采用虛擬參考站技術(shù)[5],生成導(dǎo)航定位服務(wù)數(shù)據(jù)。主要功能見表2。

表2 數(shù)控中心功能

(3)用戶服務(wù)子系統(tǒng)是保證用戶完成導(dǎo)航及定位的接收設(shè)備,分為厘米、分米、亞米和米級用戶。其是由接收數(shù)據(jù)鏈、GNSS 接收機和中央處理器構(gòu)成,要實現(xiàn)的功能是實時信息播發(fā)、用戶接入以及認證管理和事后服務(wù)。

(4)LNCORS的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

①高精度動態(tài)坐標(biāo)框架的建立:定期與國家GNSS基準(zhǔn)站及國際IGS站聯(lián)合解算,采用時間序列方法分析其穩(wěn)定性,確定基準(zhǔn)站在全球框架中的位置變化,建立我省高精度動態(tài)坐標(biāo)框架基準(zhǔn),作為全省獨立坐標(biāo)框架的基礎(chǔ)和工程建設(shè)的控制基礎(chǔ);

②實時動態(tài)定位:用一臺接收機,在覆蓋域內(nèi)接收GNSS信號及差分數(shù)據(jù),在幾分鐘(快速)或十幾秒(動態(tài))內(nèi),進行厘米到分米級的定位;

③系統(tǒng)完備性監(jiān)測通過兩個環(huán)路完成,一是基準(zhǔn)站級的完備性檢驗,檢驗因基準(zhǔn)站設(shè)備、觀測條件的影響而造成的設(shè)備故障;二是由監(jiān)測站實現(xiàn)系統(tǒng)級的監(jiān)測,目的是通過該站定位結(jié)果的殘差發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星引起的完備性故障。

2 遼寧省2000國家大地坐標(biāo)框架的確定

遼寧省2000國家大地坐標(biāo)框點由LNCORS基準(zhǔn)站、B、C級GPS控制點組成。首先將LNCORS基準(zhǔn)站與國家GNSS基準(zhǔn)站及IGS跟蹤站聯(lián)合解算,使LNCORS與CGCS2000和國際ITRF框架基準(zhǔn)保持一致,然后以LNCORS基準(zhǔn)站為起算點,計算B、C級控制點坐標(biāo)。

工作內(nèi)容為數(shù)據(jù)預(yù)處理、基線解算、網(wǎng)平差計算和坐標(biāo)框架精度統(tǒng)計。

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

整理若干個基準(zhǔn)站以及B、C級控制點在2016年4月1日～6月11日的觀測數(shù)據(jù),進行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換、點名和年積日一致性、接收機與天線正確性檢驗等。

2.2 基線解算

(1)確定坐標(biāo)框架和歷元:按精密星歷解算,坐標(biāo)框架為ITRF2008[6](2018年后為ITRF2014);按單天解算,參考歷元為每日瞬時歷元;

(2)獲取先驗坐標(biāo):采用偽距差分法,計算觀測點的先驗坐標(biāo);

(3)制定解算策略:觀測值采用無電離層組合觀測值;數(shù)據(jù)定權(quán)采用高度角定權(quán),在迭代中修正;根據(jù)廣播星歷線計算衛(wèi)星鐘差;根據(jù)偽距觀測值估計接收機鐘差;相位中心改正采用絕對模型,依據(jù)高度角、方位角定權(quán);

(4)同步環(huán)檢驗:將均方根誤差(nrms)[7]作為評價指標(biāo),檢驗其偏離加權(quán)平均值的程度;

(5)重復(fù)性檢驗:重復(fù)性反應(yīng)的是觀測數(shù)據(jù)的離散程度,是衡量基線質(zhì)量的重要指標(biāo)[8],按式(1)計算,結(jié)果見表3。

(1)

表3 重復(fù)性檢驗結(jié)果 單位：mm

2.3 網(wǎng)平差計算

(1)LNCORS:2000國家大地坐標(biāo)系下,約束國家基準(zhǔn)站;ITRF2008框架下,觀測平均歷元為*,約束IGS跟蹤站;

(2)B、C級網(wǎng):2000國家大地坐標(biāo)系下,約束LNCORS站;

(3)對基線的單位權(quán)方差進行檢驗,確認是否與平差前的先驗單位權(quán)方差一致;

(4)基準(zhǔn)誤差處理及統(tǒng)一:采用GPS基線向量觀測值消除系統(tǒng)基準(zhǔn)誤差(位置、尺度、方位和時間演變誤差)。時間演變誤差通過板塊模型進行改正,尺度和方位基準(zhǔn)系統(tǒng)誤差在平差模型中附加系統(tǒng)參數(shù)予以消除。平差模型[9]如下:

(2)

式中，wx、wy、wz是空間直角坐標(biāo)改正值,δ是尺度參數(shù),ωx、ωy、ωz是旋轉(zhuǎn)參數(shù),Δx、Δy、Δz是基線向量觀測值。

(5)坐標(biāo)框架精度統(tǒng)計:LNCORS、B級、C級網(wǎng)精度統(tǒng)計結(jié)果均優(yōu)于設(shè)計要求。

3 遼寧省大地基準(zhǔn)的統(tǒng)一

均勻聯(lián)測具有1954年北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系成果的控制點,建立2000國家大地坐標(biāo)系與目前坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

(1)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換采用布爾沙模型[10]

(3)

式中，dx、dy、dz為平移參數(shù);wx、wy、wz為旋轉(zhuǎn)參數(shù);m為尺度參數(shù);Xa、Ya、Za為2000空間直角坐標(biāo);Xb、Yb、Zb為同名點空間直角坐標(biāo)。

(2)模型參數(shù)計算

①將重合點坐標(biāo)換算為空間直角坐標(biāo);

②使用全部重合點求轉(zhuǎn)換參數(shù),利用轉(zhuǎn)換參數(shù)回代,得重合點的轉(zhuǎn)換坐標(biāo),計算重合點的坐標(biāo)殘差;

③分析殘差值較大點的可靠性,檢查點位和成果的正確性,對殘差較大的粗差點進行剔除后重新確定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換點;

④重復(fù)以上步驟,直到回代殘差到一定范圍內(nèi)。

(3)模型內(nèi)符合精度:利用重合點的轉(zhuǎn)換殘差誤差計算。

(4)重合點分析:選取足夠的高等級、高精度、均勻分布的重合點。

(5)轉(zhuǎn)換模型精度統(tǒng)計:轉(zhuǎn)換完成以后計算轉(zhuǎn)換模型的精度,結(jié)果見表4。其中2000國家大地坐標(biāo)系向1954北京坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的精度較差。原因是使用重合點是20世紀(jì)50～70年代布設(shè),由于地殼運動變化,點位發(fā)生了不同程度的位移,再加上1954年北京坐標(biāo)系按局部平差、本身精度較差。

表4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型精度統(tǒng)計結(jié)果 單位：m

4 遼寧省2000國家大地坐標(biāo)框架的維持

由于板塊運動、地殼形變等因素導(dǎo)致的基準(zhǔn)站坐標(biāo)發(fā)生變化,需對坐標(biāo)框架進行動態(tài)維持,計算坐標(biāo)時間序列和速度場,對基準(zhǔn)站進行穩(wěn)定性分析。

4.1 穩(wěn)定性分析

基準(zhǔn)站的位移分兩部分:一是控制點隨板塊運動所產(chǎn)生的剛體位移;二是控制點在塊體內(nèi)的變形。其中剛體位移占比較大,但不會導(dǎo)致控制點相對位置的變化。因此,對基準(zhǔn)站進行穩(wěn)定性分析,就是要對塊體內(nèi)的顯著性進行檢驗。首先,消除活動板塊的剛體位移,剛體在球面上的運動采用歐拉矢量模型進行描述:

(4)

式中，dx、dy、dz為X、Y、Z方向的位移;X、Y、Z為空間直角坐標(biāo);wx、wy、wz為塊體運動參數(shù),即旋轉(zhuǎn)的角分量。

其次進行塊體內(nèi)變形的顯著性檢驗。根據(jù)《全球?qū)Ш叫l(wèi)星連續(xù)運行基準(zhǔn)站網(wǎng)運行維護技術(shù)規(guī)范》,區(qū)域基準(zhǔn)站網(wǎng)內(nèi)個別基準(zhǔn)站發(fā)生顯著位移(平面超過2 cm、高程超過3 cm)時,應(yīng)更新基準(zhǔn)站坐標(biāo)。將所有基準(zhǔn)站兩期坐標(biāo)的計算結(jié)果進行了比較(分別是2016年6月和2016年10月)。在剔除塊體位移后,所有基準(zhǔn)站平面位移小于1 cm,高程位移小于2 cm,說明基準(zhǔn)站在201*—201*年間,位移不顯著,點位穩(wěn)定。

4.2 時間序列分析

利用單日解獲得的坐標(biāo)分量序列y(ti)按下式表示:

y(ti)=a+bti+csin(2πti)+dcos(2πti)+

(5)

ti(i=1,2,3...,n)是以年為單位的時間,系數(shù)a為序列的平均值,b為線性速率,c、d和e、f為年周期和半年周期的系數(shù),gj表示階躍式的坐標(biāo)突變,H為階梯函數(shù),vi為觀測噪聲。

4.3 基準(zhǔn)站速度場獲取

繪制基準(zhǔn)站網(wǎng)水平和垂直運動圖像,見圖1。其中,基準(zhǔn)站在水平方向存在向東南運動的趨勢,平均年速率與國內(nèi)外學(xué)者計算給出的中國整體運動趨勢一致,主要由地殼板塊運動引起;垂直位移存在下沉趨勢的基準(zhǔn)站若干個,存在抬升趨勢的基準(zhǔn)站若干個。遼東某地和遼寧某地存在緩慢抬升趨勢,遼河某地存在下沉趨勢,但不明顯。

圖1 基準(zhǔn)站水平和垂直運動圖像

5 結(jié)束語

遼寧省2000國家大地坐標(biāo)框架的建立,形成了一個覆蓋全省的衛(wèi)星定位網(wǎng),對遼寧省地理空間服務(wù)產(chǎn)生重大影響,實現(xiàn)了遼寧省傳統(tǒng)控制測量向動態(tài)、高精度、實時的測量方式轉(zhuǎn)變,也為作業(yè)方式、作業(yè)時效等帶來全面升級,促進了地理信息、通信網(wǎng)絡(luò)有機結(jié)合,提高動態(tài)信息管理能力,在政府的行政管理、社會公共服務(wù)、基礎(chǔ)設(shè)施和重大工程建設(shè)、智能交通物流樞紐建設(shè)等方面發(fā)揮較大作用;同時可以實時監(jiān)測大氣中水汽的變化和地球表面各種類型的形變,從而為天氣預(yù)報、防汛減災(zāi)、地震地質(zhì)災(zāi)害等提供監(jiān)測預(yù)報服務(wù)。