韩棚举 崔胜涛

(辽宁省自然资源事务服务中心, 辽宁 沈阳 110034)

0 引言

我国于20世纪50和80年代建立了1954年北京坐标系和1980西安坐标系,这两套坐标系在国民经济、社会发展和科学研究中发挥了重要作用,但该坐标系依赖于传统技术手段建设,存在技术老旧、测量精度差、控制点需要通视、控制范围小等问题[1]。

随着我国经济的稳步发展,已有的坐标基准越来越不能满足建设的需要,因此迫切需要采用原点位于地球质心的坐标系统作为国家大地坐标系[2]。当前利用基站网络RTK技术建立的连续运行卫星定位综合服务系统(Continuously Operating Reference Stations，CORS)已经成为全球定位系统(Global Positioning System,GPS)应用的发展热点[3]。CORS系统作为地面观测设施,为三维地心坐标系的建立与维持提供了有力手段。

辽宁省2000国家大地坐标框架建设是辽宁省现代测绘基准体系建设的主要内容,围绕LNCORS(Liaoning CORS)系统建设、2000国家大地坐标框架建立和维持、大地基准统一等关键问题进行研究,实现了各等级测量点的快速采集,解决了用户实时或准实时获取2000国家大地坐标的问题。

1 辽宁省卫星导航定位基准服务系统(LNCORS)建立

全球导航卫星系统(Global Navigation Sate-llite System,GNSS)又称天基(定位、导航、授时)系统,是随着空间技术发展而建立的精密卫星定位、导航、授时系统,具有在海陆空进行全方位实时三维导航、定位与授时功能[4]。

LNCORS利用GNSS技术、数据通信及“互联网+”技术建设,由覆盖辽宁省域的若干座基准站、1个数控中心、若干条通讯专线和用户组成,全天候实时提供高精度导航定位服务。

LNCORS系统包括基准站子系统、数控中心子系统和用户应用子系统,整个系统是以数控中心为主节点,以基准站和用户为子节点组成星型网络结构。

(1)基准站的功能是卫星信号的捕获、跟踪、采集与传输以及设备完好性监测,通过在全省14万km2范围内建立的若干座基准站,形成高精度、高时空分辨率、高效率、高覆盖率的LNCORS系统,为实现全省ITRF(国际地球参考框架，International Terrestrial Reference Frame)框架或CGCS2000坐标系下各等级控制点的快速建立和更新提供区域基准。

组成LNCORS的基准站是独立的数据采集系统,它是由GNSS接收机、匹配天线、UPS 稳压电源、网络设备、计算机、集成柜、观测墩、观测室和避雷系统组成的全天候观测系统,长期连续跟踪观测卫星信号,通过数据通信网络实时将观测数据传输到控制中心,提供实时、快速或事后的数据服务,主要功能见表1。

表1 基准站功能

(2)数控中心是LNCORS的核心单元,既是通讯控制中心,也是数据接收、发送及处理中心。数控中心按冗余备份设计,主要由播发服务器、解算服务器和磁盘阵列组成,高精度数据处理及实时服务软件采用分布式安装,对基准站观测数据进行同步处理和质量分析,经精密解算后,采用虚拟参考站技术[5],生成导航定位服务数据。主要功能见表2。

表2 数控中心功能

(3)用户服务子系统是保证用户完成导航及定位的接收设备,分为厘米、分米、亚米和米级用户。其是由接收数据链、GNSS 接收机和中央处理器构成,要实现的功能是实时信息播发、用户接入以及认证管理和事后服务。

(4)LNCORS的关键技术应用

①高精度动态坐标框架的建立:定期与国家GNSS基准站及国际IGS站联合解算,采用时间序列方法分析其稳定性,确定基准站在全球框架中的位置变化,建立我省高精度动态坐标框架基准,作为全省独立坐标框架的基础和工程建设的控制基础;

②实时动态定位:用一台接收机,在覆盖域内接收GNSS信号及差分数据,在几分钟(快速)或十几秒(动态)内,进行厘米到分米级的定位;

③系统完备性监测通过两个环路完成,一是基准站级的完备性检验,检验因基准站设备、观测条件的影响而造成的设备故障;二是由监测站实现系统级的监测,目的是通过该站定位结果的残差发现卫星引起的完备性故障。

2 辽宁省2000国家大地坐标框架的确定

辽宁省2000国家大地坐标框点由LNCORS基准站、B、C级GPS控制点组成。首先将LNCORS基准站与国家GNSS基准站及IGS跟踪站联合解算,使LNCORS与CGCS2000和国际ITRF框架基准保持一致,然后以LNCORS基准站为起算点,计算B、C级控制点坐标。

工作内容为数据预处理、基线解算、网平差计算和坐标框架精度统计。

2.1 数据预处理

整理若干个基准站以及B、C级控制点在2016年4月1日～6月11日的观测数据,进行标准化转换、点名和年积日一致性、接收机与天线正确性检验等。

2.2 基线解算

(1)确定坐标框架和历元:按精密星历解算,坐标框架为ITRF2008[6](2018年后为ITRF2014);按单天解算,参考历元为每日瞬时历元;

(2)获取先验坐标:采用伪距差分法,计算观测点的先验坐标;

(3)制定解算策略:观测值采用无电离层组合观测值;数据定权采用高度角定权,在迭代中修正;根据广播星历线计算卫星钟差;根据伪距观测值估计接收机钟差;相位中心改正采用绝对模型,依据高度角、方位角定权;

(4)同步环检验:将均方根误差(nrms)[7]作为评价指标,检验其偏离加权平均值的程度;

(5)重复性检验:重复性反应的是观测数据的离散程度,是衡量基线质量的重要指标[8],按式(1)计算,结果见表3。

(1)

表3 重复性检验结果 单位：mm

2.3 网平差计算

(1)LNCORS:2000国家大地坐标系下,约束国家基准站;ITRF2008框架下,观测平均历元为*,约束IGS跟踪站;

(2)B、C级网:2000国家大地坐标系下,约束LNCORS站;

(3)对基线的单位权方差进行检验,确认是否与平差前的先验单位权方差一致;

(4)基准误差处理及统一:采用GPS基线向量观测值消除系统基准误差(位置、尺度、方位和时间演变误差)。时间演变误差通过板块模型进行改正,尺度和方位基准系统误差在平差模型中附加系统参数予以消除。平差模型[9]如下:

(2)

式中，wx、wy、wz是空间直角坐标改正值,δ是尺度参数,ωx、ωy、ωz是旋转参数,Δx、Δy、Δz是基线向量观测值。

(5)坐标框架精度统计:LNCORS、B级、C级网精度统计结果均优于设计要求。

3 辽宁省大地基准的统一

均匀联测具有1954年北京坐标系、1980西安坐标系成果的控制点,建立2000国家大地坐标系与目前坐标系的转换关系。

(1)坐标转换采用布尔沙模型[10]

(3)

式中，dx、dy、dz为平移参数;wx、wy、wz为旋转参数;m为尺度参数;Xa、Ya、Za为2000空间直角坐标;Xb、Yb、Zb为同名点空间直角坐标。

(2)模型参数计算

①将重合点坐标换算为空间直角坐标;

②使用全部重合点求转换参数,利用转换参数回代,得重合点的转换坐标,计算重合点的坐标残差;

③分析残差值较大点的可靠性,检查点位和成果的正确性,对残差较大的粗差点进行剔除后重新确定坐标转换点;

④重复以上步骤,直到回代残差到一定范围内。

(3)模型内符合精度:利用重合点的转换残差误差计算。

(4)重合点分析:选取足够的高等级、高精度、均匀分布的重合点。

(5)转换模型精度统计:转换完成以后计算转换模型的精度,结果见表4。其中2000国家大地坐标系向1954北京坐标系转换的精度较差。原因是使用重合点是20世纪50～70年代布设,由于地壳运动变化,点位发生了不同程度的位移,再加上1954年北京坐标系按局部平差、本身精度较差。

表4 坐标转换模型精度统计结果 单位：m

4 辽宁省2000国家大地坐标框架的维持

由于板块运动、地壳形变等因素导致的基准站坐标发生变化,需对坐标框架进行动态维持,计算坐标时间序列和速度场,对基准站进行稳定性分析。

4.1 稳定性分析

基准站的位移分两部分:一是控制点随板块运动所产生的刚体位移;二是控制点在块体内的变形。其中刚体位移占比较大,但不会导致控制点相对位置的变化。因此,对基准站进行稳定性分析,就是要对块体内的显著性进行检验。首先,消除活动板块的刚体位移,刚体在球面上的运动采用欧拉矢量模型进行描述:

(4)

式中，dx、dy、dz为X、Y、Z方向的位移;X、Y、Z为空间直角坐标;wx、wy、wz为块体运动参数,即旋转的角分量。

其次进行块体内变形的显著性检验。根据《全球导航卫星连续运行基准站网运行维护技术规范》,区域基准站网内个别基准站发生显著位移(平面超过2 cm、高程超过3 cm)时,应更新基准站坐标。将所有基准站两期坐标的计算结果进行了比较(分别是2016年6月和2016年10月)。在剔除块体位移后,所有基准站平面位移小于1 cm,高程位移小于2 cm,说明基准站在201*—201*年间,位移不显著,点位稳定。

4.2 时间序列分析

利用单日解获得的坐标分量序列y(ti)按下式表示:

y(ti)=a+bti+csin(2πti)+dcos(2πti)+

(5)

ti(i=1,2,3...,n)是以年为单位的时间,系数a为序列的平均值,b为线性速率,c、d和e、f为年周期和半年周期的系数,gj表示阶跃式的坐标突变,H为阶梯函数,vi为观测噪声。

4.3 基准站速度场获取

绘制基准站网水平和垂直运动图像,见图1。其中,基准站在水平方向存在向东南运动的趋势,平均年速率与国内外学者计算给出的中国整体运动趋势一致,主要由地壳板块运动引起;垂直位移存在下沉趋势的基准站若干个,存在抬升趋势的基准站若干个。辽东某地和辽宁某地存在缓慢抬升趋势,辽河某地存在下沉趋势,但不明显。

图1 基准站水平和垂直运动图像

5 结束语

辽宁省2000国家大地坐标框架的建立,形成了一个覆盖全省的卫星定位网,对辽宁省地理空间服务产生重大影响,实现了辽宁省传统控制测量向动态、高精度、实时的测量方式转变,也为作业方式、作业时效等带来全面升级,促进了地理信息、通信网络有机结合,提高动态信息管理能力,在政府的行政管理、社会公共服务、基础设施和重大工程建设、智能交通物流枢纽建设等方面发挥较大作用;同时可以实时监测大气中水汽的变化和地球表面各种类型的形变,从而为天气预报、防汛减灾、地震地质灾害等提供监测预报服务。