CGCS2000框架下多期GNSS网观测数据联合处理
来源：《测绘地理信息》2017年第4期
作者：汪燕麟、刘鸿飞、陈晋春、吴俐民
城市GNSS控制网升级改造过程中，由于观测间隔中点位可能发生变动，导致不同期数据的兼容性和解算控制点成果的一致性较差。针对该问题，研究了CGCS2000框架下多期GNSS网观测数据联合处理的方法，通过比较不同期观测数据中存在的重复基线来确定点位变动情况，进而解决多期数据的兼容性问题。以昆明市城市首级GNSS控制网间隔8年的两期观测为例进行试验，结果表明，笔者提出的方法能确认变动点位并更新坐标，保证了多期联合平差的可靠性，获得了与原有成果较为一致的结果。
测绘基准是所有地理空间信息统一的起始坐标框架，是描述地球表面自然形态、人文信息、地理空间特征的参照系统。基于经典光学测量技术建立的传统测绘基准体系，其精度相对低，更新周期长，服务功能单一以及不具备三维及动态的特性，很难满足国民经济建设和科学研究的需求。目前，全球卫星导航系统(globalnavigation satellitesystem，GNSS)已经成为构建高精度、三维、地心、动态的现代测绘基准的主要技术手段。在此基础上，我国建立的2000国家大地坐标系(Chinageodeticcoordi natesystem2000，CGCS2000)[1，2]于2008年7月1日全面启用，各主要城市先后基于CGCS2000 建立了城市首级控制网。
截至目前，我国大部分城市的首级控制网已历时近10年，受城市地表水平位移、沉降和人为破坏的影响，其稳定性、精确性和现势性都难以得到保障，需要进行更新，更新的主要思路是在原控制网基础上进行适当改造并重新联测。为此，如何分析已有的GNSS观测资料，并联合多期观测数据建立可延续且现势性强的城市坐标基准，成为一个需要解决的问题。国内部分学者从不同的实现目的提出了多期GNSS 观测数据联合解算策略。其中，王敏等[3，4]主要侧重考虑成果的高精确性，以便提取真实的测站变形量;姜卫平等[5]主要考虑测绘成果的现势性，并兼顾可延续性。本文研究CGCS2000框架下多期GNSS网观测数据联合处理方法，以某市首级GNSS控制网间隔8年的两期观测为例进行试验，验证本文处理方法的可行性。
1、观测数据
本文中涉及到的GNSS 观测数据主要包括以下3部分：①2005 年11 月建立的城市GNSS 控制网(下简称2005期控制网)，包括控制点53个，每个点观测3个时段，每个时段观测8h;②2013年进行了升级改造，新增了15个控制点，构成了68个点的控制网(下简称2013期控制网)，同时2013年某市建立了10个站的连续运行参考站系统，因此2013期控制网观测采用基于CORS站的同步静态联测方式，每点观测1或2个时段，每个时段长度为4h;③CORS网、中国境内IGS站、某市周边的中国地壳运动观测网络工程站的观测数据，需要注意的是，上述观测数据仅与2013期观测数据同步。为便于叙述，下文将上述参考站构成的控制网简称为框架网。2013、2005期控制网以及CORS站点位分布如图1所示。
图1 2013、2005两期数据中控制点位分布图
2、GNSS基线解算
本文涉及框架网、2013 期控制网以及2005 期控制网，分别对上述观测数据进行处理，主要包括：①框架网：主要处理10个CORS站、IGS跟踪站、网络工程站的同步观测数据联合处理，并获得CORS站、IGS站的基线解，从而在平差时能够利用CORS站作为衔接，以IGS 站、网络工程站的CGCS2000坐标为起算基准，实现CGCS2000 基准的传递;②2013期控制网：由于2013 期控制网采用基于CORS站的同步静态联测进行作业，各同步环之间通过CORS 网连接，因此，数据处理时将CORS 站数据与每一个同步环数据进行解算，获得控制点与CORS站间的基线解;③2005 期控制网：处理2005年53个控制点的观测数据，由于该网为全面观测网，采用边链接进行，且每个点至少观测3 个时段，因此，将每一个同步环数据进行解算，获得同步环中各点间的基线解。
GNSS数据处理沿用了无基准算法[6]，解算软件采用GAMIT/GLOBK Ver.10.34。处理载波相位观测值得到区域的单日解(包括约束解和松弛解)，基线解算时采取的主要策略包括[7~9]：①电离层折射影响用LC 观测值消除;② 对流层折射根据标准大气模型用萨斯坦莫宁模型改正，采用分段线性的方法估算折射量偏差参数，每2h估计一个参数;③卫星和接收机天线相位中心采用绝对的天线相位中心模型改正;④顾及测站位置的潮汐改正;⑤截止高度角为15°，历元间隔为30s。
3、两期数据兼容性分析
两期数据中重合了53个控制点，由于GNSS观测数据时间间隔8年，点位有可能发生变动，对于不同时期观测的控制网解算成果，控制点坐标差异中包括有点位变动以及定位误差等的影响，导致基线解算结果并不完全一致，因此多期GNSS网观测数据联合平差之前，需要对数据的兼容性进行分析，以确定是否能够将不同时期观测的GNSS 控制网合并。由于GNSS观测以小组展开作业，每一个同步环一般情况下观测距离较近的若干个控制点，这必然导致不同期观测中的每一个时段中有可能观测了相同的点，因此，不同期数据的同步环中必然存在相同的基线，可将不同时段观测数据中重复观测的基线简称为重复基线。通过分析，本文中重复基线有70条，其分布如图2所示。
图2 两期观测数据中的重复基线
从图2中不难看出，2013期控制网数据中除了新增的15 个控制点以及A030、A032这两个点外，其余的控制点均与2005期控制网存在重复基线，若点位在2005-2013年间发生了变动，则必然反映出基线的异常。对于全球分布的测站坐标，利用GNSS技术确定的测站基线，其不同历元的差异主要由大尺度的构造运动引起;对于小范围GNSS 控制网，由于构造运动的影响较为一致，因此，控制点间的相对关系不会发生变化，但如果控制点本身出现了局部变形(平移或者沉降)，重复基线的分量必然存在差异。当然，GNSS 定位技术本身的误差会干扰测站坐标，但已有研究表明，长期的GNSS 连续运行站观测数据可以分辨出测站毫米量级的运动。尽管本文中2013期、2005期控制网观测时间稍短，但是由于GNSS技术的高精度、高可靠性，若两期观测数据的重复性较好，原则上亦可分辨出测站较为显著的变动。同时，由于控制点变动具有随机性，重复基线的两个控制点在时间间隔期内在相同方向上发生相同程度变动的可能性极小，因此，若两期GNSS数据基线解中，重复基线的重复性优于定位精度，则可以断定控制点不曾发生变动。鉴于此，本文比较了70条重复基线的差异，如图3所示。
图3 重复基线较差
图3横坐标为基线的序号，纵坐标分别为2013期、2005期控制网中重复基线不同时段解与时段平均值的偏差。不难发现，70条重复基线中，大部分基线分量吻合，U分量差异小于2cm，N分量差异小于2cm，E分量差异小于4cm，2013期、2005期控制网时隔8年之久，上述重复基线解算结果的一致性也一定程度上验证了GNSS相对定位的可靠性、稳定性。
70条重复基线中存在若干基线E分量的偏差明显大于4cm，本文分析了偏差较大的基线，分别为A002-A007、A007-A011、A007-A008、A005-A007、A007-A006，均与测站A007相关。如表1 所示，表中N、E、U分别为各时段基线分量相对于各时段基线分量平均值的偏差。可以看出，A002-A007、A007-A011、A007-A008、A005-A007、A007-A006等重复基线，2013期、2015期基线解算结果N、E、U分量间的差异分别约为4cm、7cm、5cm，其中2013期控制网中，A002-A007在2013年、2014年进行了两次观测，其差异分别为N分量为9mm，E分量为6 mm，高程为1.9 mm，两次观测基线较为吻合，验证了2013期控制网GNSS数据处理的正确性。但与2005期控制网基线解相比，两者在N分量相差约2cm，E分量相差约8cm，U分量约4cm，明显大于GNSS的相对定位精度，可以断定，基线A002-Ａ007间隔期内控制点发生变动，同时与Ａ007相关的重复基线均存在明显差异，与Ａ002相关的重复基线并未出现异常，由此可以确定发生变动的点为Ａ007。
4、GNSS网平差
本文中采用GLOBK 对框架网、2013 期、2005期控制网基线结果进行联合平差，平差时选取了兼容较好的一组IGS站的网络工程作为约束基准，确定了68个控制点的CGCS2000坐标。与2005期控制网重合的53个控制点的CGCS2000 坐标的较差如表2所示。不难看出，采用本文方法计算的结果与原有成果在N、E、U分量的差异最大分别为2.4cm、2.7cm、2.1cm，最小分别为-2.8cm、-2.9cm、-3.9 cm，平均值分别为-2 mm、-3mm、-1.6cm，较差的标准差分别为1.2cm、1.5cm、1.1cm，可见，本文通过比较重复基线的差异，确定了点位发生变动的情况，同时解决了多期数据的兼容性问题，联合平差后点位精度高，且与2005期控制网计算成果之间的一致性好。
5、结束语
本文研究了CGCS2000 框架下多期GNSS 网观测数据联合处理的问题，提出了解决多期GNSS观测数据的兼容性的方法，并以某市城市首级GNSS控制网为例，处理2013 期、2005 期两期数据，分析了70条重复基线的差异，确定了点位发生变动需更新坐标，而后对两期数据进行联合平差，平差后控制点成果与原有成果在N、E、U方向上较差的平均值分别为-2 mm、-3 mm、-1.6cm，标准差分别为1.2cm、1.5cm、1.1cm。本文提出的方法较好地保证了多期GNSS 网数据联合平差的可靠性，并获得了与原有成果较为一致的计算结果，提高了基准成果的可延续性。
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