刘文建，彭冬林

(1. 武汉大学卫星导航定位技术研究中心，湖北 武汉 430079； 2. 广东省国土资源测绘院，广东 广州 510500)

CORS坐标参考框架更新探讨

刘文建1,2，彭冬林2

(1. 武汉大学卫星导航定位技术研究中心，湖北 武汉 430079； 2. 广东省国土资源测绘院，广东 广州 510500)

CORS系统运行过程中，由于站点的相对沉降、搬迁、天线更换等原因，导致基准站/网坐标发生了明显变化，必须进行局部站点或站网更新。本文阐述了CORS坐标参考框架的更新原则、方法，针对广东省CORS改造升级过程基准站坐标变化情况，发现了引起基准站坐标变化的天线罩问题，并研究了“偏心观测量”的处理方案；研究解决了个别基准站坐标更新及基准站网坐标参考框架更新问题，保证了广东省CORS系统的持续、高精度运行及站网坐标参考框架的延续。

CORS；参考框架；ITRF；框架网；天线罩

近年来，连续运行基准站网(continuously operating reference systems,CORS)在我国得到了广泛的推广与应用。我国于2000年在深圳建立了第一个城市级CORS，至今，全国大多数省份建立了省级CORS。这些系统已逐步取代传统的高等级GNSS控制点，成为建立与维持区域坐标参考框架的重要基础设施[1-3]。

CORS系统一方面可建立和维持地区高精度三维基准，为国防和经济建设提供精确的定位、定向服务，为区域地球动力学和运动学等基础学科研究提供精确参考基准；另一方面可向地区网络RTK用户提供精确的实时三维定位服务[4]。此外，现代大地坐标框架是动态的或准动态的，地面点坐标因板块运动、地壳形变、潮汐负荷及其他因素的影响而发生变化，对于一个高精度的区域CORS参考框架坐标系必须考虑该坐标系的维持问题，即需按一定的复测策略保证站坐标的不断精化，从而保证CORS系统可向用户提供持续、有效服务[5-6]。因此，CORS坐标参考框架更新与维持具有重要意义。

本文阐述并研究了CORS坐标参考框架更新原则、方法及实现流程，并在广东省连续运行卫星定位服务系统(Guangdong continuously operating reference systems,GDCORS)改造升级(即广东省北斗地基增强服务系统建立)的坐标参考框架更新工作中得到了验证。

1 区域坐标参考框架更新原则与方法

考虑满足区域发展的科学和实用两个不同的目标需要,基于CORS的区域坐标参考框架同时用两种方式来表达：①基于CORS框架网与ITRF联测建立区域动态参考框架；②基于CORS基准网与CGCS2000联测建立区域静态参考框架。这两套成果可以作为CORS所在区域、城市的地心参考框架,为区域用户提供便捷、高效、无缝地使用ITRF和CGCS2000的基准[3]。本文主要讨论“基于CORS框架网与ITRF联测建立的CORS坐标参考框架”的更新。

1.1 更新原则

实际使用过程中，为方便使用，CORS系统用户基于CORS区域参考框架建立了市级独立坐标系、工程应用坐标系或局部坐标参考框架等。因此，对于基准站网规模大、运行历史时间长、注册用户数多的基准站网应用服务系统，必须保证用户既有观测成果使用的连贯性，即CORS坐标参考框架在更新前后必须是一致的。

CORS系统的运行使用过程中，站点的相对位移/沉降、站点搬迁、天线更换及系统的整体升级将导致CORS基准站的个别站点，甚至整个CORS基准站网的坐标发生明显变化，必须对发生变化的CORS基准站或整个基准站网的坐标框架重新进行处理与更新，以保证CORS系统的持续正常运转。根据《卫星定位城市测量技术规范》(CJJ/T73—2010)：应定期对CORS网进行坐标解算，解算周期不应超过一年。CORS站的坐标变化量应符合下列规定：平面位置变化不应超过1.5 cm；高程变化不应超过3 cm；当CORS站坐标的变化量不符合规定时，应分析原因，并应及时更新CORS站坐标或另选新站。对于地面沉降严重的区域，可另行制定高程变化的变化量限值。根据《全球导航卫星系统连续运行基准站网运行维护技术规范》(CH/T 2011—2012)：区域基准站网内个别基准站发生显著位移(平面位置变化超过2 cm，或高程变化超过3 cm)时，应及时更新基准站坐标。当基准站累计更新数量达到30%时，应进行全网更新。

因此，CORS坐标参考框架更新原则主要有：①对CORS基准站网进行定期、不定期的坐标解算，监测基准站坐标变化；②个别基准站坐标发生显著位移时，该基准站坐标应及时更新；③累计超30%基准站数的基准站坐标已更新时，需对基准站网坐标更新。

1.2 更新方法

个别基准站坐标发生明显变化，且仅为局部区域时，可先与局部区域周边基准站联测，实现基准站坐标的快速更新、应用；但在后续定期站网坐标解算中应进行检核、更新；全区域的多个基准站或超30%基准站数的局部基准站坐标发生明显变化时，进行基准站网坐标参考框架更新。如图1所示。

应注意的问题是：为保证站网坐标参考框架的延续问题，在基准站网整体升级时，为避免出现起算基准不充分、不连续的情况，应注意分期进行。以分两期进行为例，需要进行两次站网的整体解算：第一次解算确定第一期升级的基准站坐标，且对其作为第二期待升级基准站坐标确定的起算基准的有效性、精度等进行检验；第二次解算以已升级基准站的坐标为起算基准进行站网坐标参考框架的确定。

2 区域坐标参考框架更新实例分析

2.1 个别基准站坐标更新

2.1.1 坐标变化原因分析

2014年，珠海市通过新建8个基准站、升级GDCORS系统的3个基准站(ZHGT、JWGT、DMGT)建立珠海市北斗地基增强系统。计算表明，升级后的GDCORS系统的3个基准站由于天线的更换，其坐标变化量不符合规定(高程变化大于5 cm)。

研究表明，GPS信号通过天线罩会延时和折射，这会影响定位。相对于定位确定的水平分量没有显著影响；在解算对流层参数和估计区域网高程时有3 cm的误差，该误差不仅与天线和天线罩的型号有关，而且与平差最小高度角有关[7]。

因此，为了明确更换天线后差异引起的问题所在，先后开展了天线比对测试、观测环境检验测试、超短基线测试及天线罩影响测试。多次的测试及计算表明，天线罩对TRM41249.00及TRM59900.00时基线垂直向量影响具有不一致性，其后果将直接导致基准站在换天线(2014年5月22日)前后，由其解算的基线向量与其他GDCORS基准站(或其他已测点位)的存在明显差异。

2.1.2 坐标更新策略

考虑GDCORS已有基准站已当作ZHBDCORS项目各坐标系/框架的起算，同时考虑坐标成果的统一性、严肃性，为保证ZHBDCORS基准站采用与GDCORS一致的坐标框架，应使ZHBDCORS利用的GDCORS基准站的坐标在更换天线前后保持一致。

采用如下步骤事项：将“天线罩+TRM41249.00”“天线罩+TRM59900.00”各自均看成一个整体；把更换天线带来的影响当作“天线罩+TRM59900.00”的偏心观测量重新进行标定；将偏心观测量纳入基线解算相关设置并重新解算基线；检核施加了偏心观测量后的基线与历史基线(“天线罩+TRM41249.00”)的重复性是否良好；应用时将偏心观测量纳入CORS系统解算软件中去。

2.1.3 偏心观测量确定

(1) 收集了ZHBDCORS的11个基准站及周边GDCORS的5个基准站的局部基准站网(如图2所示)从2014年6月22日(年积日173)至7月5日(年积日186)共14天的数据，并对数据的可用性和质量进行了分析。

图2 珠海坐标参考框架确定局部基准站网分布图

(2) 使用GAMIT 10.5及相关基线处理策略[8](本文其他数据处理均相同)，采用IGS精密星历，进行了局部基准站网的基线处理。

(3) 三维约束平差采用武汉大学研制的POWERNET科研版软件(本文其他数据处理均相同)，以5个GDCORS基准站(清远站(QYGT)、河源站(HYGT)、阳江站(YJGT)、肇庆站(ZQGT)、中山站(ZSGT))的坐标成果作为起算数据，计算了8个新建基准站及3个GDCORS升级基准站的GDCORS框架坐标成果。

将3个升级基准站的计算坐标与其原成果进行比对，计算了该站天线差异引起的相对于原天线加天线罩的“偏心观测量”，结果见表1。

表1 3个升级基准站的偏心观测量 m

2.1.4 框架坐标确定

利用偏心观测量计算时的观测数据，在基线解算时加入表1的偏心观测量，重新进行局部基准站网基线解算及网平差。基线向量重复性统计见表2。

表2 基线向量重复性统计表

注：重复性=a+b×10-6。

三维约束平差以5个GDCORS基准站(不含3个升级基准站)的坐标成果作为起算，平差计算了ZHBDCORS的11个基准站GDCORS框架坐标成果；采用8个GDCORS基准站(含3个升级基准站)的坐标成果作为起算，平差计算了ZHBDCORS的8个新建基准站GDCORS框架坐标成果。

将3个升级基准站的计算坐标与其已有成果进行比对，检验了偏心改正量的精度(见表3)。

表3 3个升级基准站的计算精度 m

由5个GDCORS基准站及8个GDCORS基准站作为起算计算的8个ZHBDCORS新建基准站坐标进行比较(见表4)。

表4 不同起算计算的坐标比较 m

解算结果表明，在施加偏心改正量后，由GDCORS基准站不同约束计算的8个新增基准站坐标各方向的差异量均在1 mm左右。为保证成果的一致性，最终采用由8个GDCORS基准站起算计算结果作为最终的坐标成果。

2.2 基准站网坐标参考框架更新

GDCORS总基准站数为88个。2013—2014年期间，由于地、市建立市级北斗地基增强系统及国家GNSS基准站一期工程等原因，对相关GDCORS基准站点进行了升级；2014年4个GDCORS基准站进行了站址搬迁工作。由于基准站天线型号变更、站址变化等因素引起了相应框架坐标变化，需对GDCORS系统的14个基准站框架坐标进行重新计算确定。

2015年，广东省开展了基准站的北斗升级工作，对58个基准站的天线进行了更换升级，以保证北斗卫星信号的有效跟踪。由于天线更换导致的基准站框架坐标变化，使坐标变化量不符合规定的基准站数超过了基准站网总数的1/2，需重新确定GDCORS基准站网来进行框架坐标确定。

2.2.1 框架坐标确定方案分析

将2014年进行基准站(包括站点搬迁、基准站升级改造，总共14个)框架坐标确定视为GDCORS的第一期框架确定；2015年北斗升级改造需进行天线更换的基准站(58个)框架坐标确定作为GDCORS第二期框架确定。

按两种方案进行了站网坐标框架确定的计算分析：一是分步确定，2014年框架确定时起算基准选用天线未进行更换、站址未变迁且框架坐标长期相对变化小的基准站点[9]，确定新更换天线后的基准站点；2015年框架确定时利用2014年已经重新确定框架基准的站点起算，确定GDCORS其他站点框架坐标。二是整体确定，选用2014年框架确定时相同的起算基准，将2014年的解算数据、2015年的解算数据进行整体平差，全面确定GDCORS的最新框架坐标。结果显示，两种方案计算的GDCORS框架坐标三维分量差异量最大为8.2 mm，如图3所示。考虑到GDCORS框架基准的一致性与延续性，采用整体确定的方案所解算的框架成果作为最终成果。

图3 分步确定与整体确定成果三维坐标分量较差分布

整体确定方法计算的站网坐标与个别基准站坐标更新结果(即珠海区域11个基准站)进行了比对分析，点位较差均在5 mm内，验证了局部站点坐标更新方法有效性。

2.2.2 框架坐标确定

基线向量重复性统计见表5，三维约束平差基线分量精度中误差统计见表6，基线相对精度统计见表7，点位中误差统计见表8。

3 结 论

本文针对基准站升级过程中由于天线更换引起的坐标变化，研究了坐标变化原因及其更新策略，探讨了CORS坐标框架更新原则与方法，并进行了实例验证，主要结论有：

表5 基线向量重复性统计

注：重复性=a+b×10-8。

(1) 局部个别基准站坐标变化时，可依据周边基准站进行该站坐标的快速确定与应用，并适时进行站网整体解算。

表6 基线分量中误差统计

表7 基线相对精度统计

表8 点位精度中误差统计 m

(2) 基准站网需要整体升级时，宜分步实施，实现基准站坐标参考框架的分步传递与延续，保障系统持续正常运行。

[1] 陈俊勇,党亚民,张鹏．建设我国现代化测绘基准体系的思考[J]，测绘通报，2009(7)：1-5.

[2] 陈俊勇,杨元喜,王敏，等．2000国家大地控制网的构建和它的技术进步[J]，测绘学报，2007，36(1)：1-8.

[3] 刘经南，刘晖，邹蓉．建立全国CORS更新国家地心动态参考框架的几点思考[J]，武汉大学学报(信息科学版)，2009，34(11)：1261-1266.

[4] 张西光, 吕志平．论地球参考框架的维持[J].测绘通报，2009(5)：1-4.

[5] 刘鸿飞，姜卫平，汪燕麟，等．CGCS2000框架下区域CORS站数据联合处理[J]，武汉大学学报(信息科学版)，2014，39(2)：161-165.

[6] 夏传义．基于CORS建立与维持区域坐标参考框架的理论与应用研究[D]．武汉：武汉大学，2014.

[7] 孙坚．天线一天线罩对GPS高程测定的影响[J].北京测绘，2000(2)：41-43.

[8] 姜卫平，赵倩，刘鸿飞，等．子网划分在大规模GNSS基准站网数据处理中的应用[J].武汉大学学报(信息科学版)，2011，36(4)：389-392.

[9] 林良彬，刘文建．CORS在地震监测中的应用[J].测绘地理信息，2013，38(4)：73-75.

A Study of CORS Coordinate Reference Frame Updating

LIU Wenjian1,2，PENG DongLin2

(1. GNSS Research Center, Wuhan University, Wuhan 430079, China; 2. Surveying and Mapping Institute, Lands and Resources of Guangdong Province, Guangzhou 510500, China)

During the process of operation in CORS, the significant change of coordinate on reference station(s) must be updated for the relative subsidence, station transition, antenna replacement, et al. Firstly, principle and method of CORS coordinate reference frame updating is described in details. Then, antenna radome problem is discovered from the change of coordinate of reference stations in Guangdong CORS, and solution of eccentric observation is discussed. The coordinate updating problems of single station and frame network are studied and solved which guarantee continuous and high-accuracy operation of Guangdong CORS, and continuity of coordinate reference frame.

CORS；reference frame；International Terrestrial Reference Frame (ITRF); frame networks; antenna radome

刘文建，彭冬林.CORS坐标参考框架更新探讨[J].测绘通报，2017(2)：70-74.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0051.

2016-06-12；

2016-11-01

广东省科技计划项目(2013B020200009；2014A020219002)

刘文建(1980—)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向为CORS技术及其应用。E-mail：13760625230@126.com

P228.4

A

0494-0911(2017)02-0070-05