GNSS超长基线差分定位方法在机场工程控制测量中的应用

项 伟，王 园，李 锋，梁自忠， 陈金磊，张昌昌

（1. 空军研究院 工程设计研究所，北京 100076；2. 西安建筑科技大学，西安 710055）

0 引言

在机场建设工程控制测量工作中，传统的高精度定位工作通常采用分级测量模式，以工作区域为基本观测单位，滚动式逐步展开。采用全球卫星导航系统（global navigation satellite system,GNSS）接收机进行施测时，至少要与3个已知国家高等级平面控制点联测，同步基线长度有一定限制，一般不超过10 km[1-2]；使用随机附带解算软件，基于广播星历进行解算。采用这种方法，在西部偏远地区，当建设区域国家控制点稀疏或者数量不足3个时，无法满足规范相关要求[2]，导致工作无法开展。

某机场建设工程位于西部某市，收集到基于2000国家大地坐标系（China geodetic coordinate system 2000, CGCS2000）的国家控制点4个，距离场区的距离均为10 km左右。经过踏勘，只找到2个控制点，另外2个控制点未找到（后来通过测量证实1个埋设于地面下1.5 m，另外1个已被破坏），因而国家控制点不足3个，不能满足规范要求。针对此情况，通常采用非差精密单点定位或者通过联测国际GNSS服务组织（International GNSS Service, IGS）基准站的超远距离差分定位模式，采用加米特（GAMIT）、伯尔尼（BERNESE）等高精度的GNSS解算软件进行解算，从而获得高精度的定位成果。这两款软件各有特色，尤其是GAMTI软件功能强大，而且由于其源代码开放，软件无偿使用，成为众多学者的研究对象[3-5]。但是由于GAMIT运行平台不支持视窗（Windows）操作系统，使其使用受到一定的限制，同时由于参数设置复杂，解算文件多，也给使用者带来很多问题。为此，本文采用基于IGS基准站的超远距离差分定位模式，利用自主开发的高精度软件，基于快速精密星历进行解算，再通过框架转换，获得基于CGCS2000的坐标成果，从而建立工程首级控制网。

1 控制网布设及数据采集

采用4台徕卡GS18双频GNSS接收机，确定在1个单天内，将仪器架设在场区布设的4个待定点和2个国家控制点上进行数据采集，每点观测1个时段，数据采集时段长度大于5 h，设置采样率15 s，卫星截止角10°，与IGS连续运行基准站组成超长基线差分定位模式，基线长度790～3 100 km。同时保证场区4个待定点GD01、GD02、GD03及GD04之间有1 h的同步观测时段，组成同步观测环，满足D级GPS网布设的相关要求[2]。超长基线控制网和场区控制网的布设分别如图1、图2所示。

图1 超长基线控制网

图2 场区控制网

2 控制网数据处理

2.1 数据处理策略

为了满足Windows环境下进行数据处理，用10.60版本的GAMIT/格洛布克（GLOBK）软件进行二次开发，完成了一款高精度数据处理软件。该软件可以对基准站观测文件、精密星历、广播星历、表文件等实现一键自动下载，完成自动定位后，进一步通过获取文件位置、文件名称从而读入观测文件、星历文件和已知点文件，并完成创建目录、拷贝移动文件和创建快捷方式等操作。基线解算利用分布处理方式，只用1个命令即可完成文件链接、坐标历元改算及格式转换、创建解算目录、轨道积分、卫星时钟生成、测站时钟生成及观测二进制数据生成、基线批处理命令生成、基线处理和平差等操作。处理完成后，将解算结果和解算精度存到指定目录，方便查看。

该软件面向Windows人机交互界面，减少了人工操作的步骤，大大节省了文件配置准备工作，只需要1个命令即可完成基线解算，减少大量命令代码的记忆，降低了使用难度[6]。软件数据处理流程如图3所示。

图3 数据处理工艺流程图

2.2 数据预处理

观测数据采用接收机自主交换格式（receiver independent exchange format, RINEX）的标准化数据文件SITEDAYS.YYO。依据外业观测数据和下载的基准站观测数据，将同一观测时段的数据整理在一起，并进行点名一致性、年积日一致性、接收机与天线型号、天线高等数据的正确性检验。

天线高采用量高尺以垂直方式量测，并通过高精度数据处理软件，选择相匹配对应的天线型号，自动计算改正值，获取天线相位中心位置，并归算至待定点标识面。

2.3 基线解算与网平差

采用IGS连续运行基准站为基准进行差分，求得精度达到0.1 m的先验坐标。基线解算采用自主开发的高精度数据处理软件，其解算软件参数设置基于Windows人机操作界面，简单明了。主要参数设置界面图4所示。

图4 参数设置

采样频率设置为15 s，卫星截止高度角为10°；基线解算采用松弛（relax）解模式；卫星轨道基于快速精密星历；参考基准为国际地球参考框架（international terrestrial reference frame, ITRF）2014、历元为2 020.257。

观测时段基线解算标准化均方根（normalized root mean square, NRMS）值为0.206 79，小于0.3，周跳剔除干净；对整网的全部基线结果进行χ2检验，其结果为0.173，小于1，基线解算合格。

基线解算合格后，进行网平差。约束收集的6个IGS连续运行基准站成果，做3维约束平差，求出待定点基于参考框架ITRF2014、历元为2 020.257下的空间直角坐标成果。

3维约束平差完成，GNSS点的空间直角坐标X、Y、Z方向上的最大值为8.8 mm；北（N）方向、东（E）方向、高程（U）方向上的最大值为10.4 mm。GNSS点坐标精度统计如表1所示。

表1 坐标精度统计 单位：mm

2.4 坐标成果转换

解算成果的参考基准为参考框架ITRF2014、历元为2 020.257，而工程建设中要求的坐标成果基准为CGCS2000（参考框架ITRF97、历元2000.0）[7]，因此需要进行基于不同参考框架的坐标成果的转换。不同参考框架成果的转换法主要有强制约束法、参数转换法、速度场拟合法等[8-10]。与传统经典的3维7参数转换模型[11-12]不同，基于不同参考框架的坐标转换需要考虑参考框架的时变[13]，转换模型中包含14个未知参数，至少需要5个公共点才可求解转换参数[14-15]。

由于缺少足够的公共点，本文中的坐标转换采用速度场拟合法。首先完成参考框架转换，即由基于参考框架ITRF2014、历元为2 020.257的空间直角坐标成果向基于参考框架ITRF97、历元为2 020.257的空间直角坐标成果转换，参考框架间的转换即为基于不同参考椭球的空间直角坐标之间的转换。然后再完成历元转换，即基于参考框架ITRF97、历元为2 020.257的坐标成果向基于参考框架ITRF97、历元为2 000.0的坐标成果转换。历元转换则需要历元值和待定点处精确的速度成果[16-17]。文中采用“格网平均值”速度获取的方法，完成成果的历元转换。格网平均值法是将中国大陆分成137个3°×3°的格网，计算出每个格网内“网络”点的平均速度，代表格网内任一点的速度。该方法得到的“网络”点的速度计算值与其参考值之差的统计值分别为±1.81、±1.05、±1.55 mm/a，位置运动速度的误差±2.61 mm/a[16]。确定工程建设区域所对应的“格网”位置，用该“格网”的平均速度作为待定点的速度，即可完成相应的历元转换。但应该指出，由于该工程建设所处格网内无“网络”点，其速度平均值由临近格网速度值推算得到，因此精度要差些。

3 控制网成果质量分析

3.1 基线成果质量分析

将解算获得的基于CGC2000的空间直角坐标，反算出的基线向量成果与同步观测解算获得的基线向量成果相比较，进行基线检核。同步观测数据解算采用徕卡勒戈（LGO）解算软件，基于广播星历，进行无约束平差后即可解算获得任意两点间高精度的基线成果。

需要指出的是，同步观测解算获得的基线成果基于1984世界大地坐标系（world geodetic coordinate system 1984, WGS84）（参考框架ITRF2000、历元为2 001.0），而反算获得的基线成果基于CGCS2000（参考框架ITRF97、历元为2 000.0）。GCS2000与WGS84参考椭球在原点、方向、尺寸等方面的定义基本相同，只是在椭球扁率上有微小差别。这种差别体现到大地坐标坐标值差值理论上仅为亚毫米，在坐标系的实现精度范围内；在仅考虑参考椭球常数差异的情况下， CGCS2000坐标与WGS84坐标是一致的[18-20]，因此可以认为基线向量成果也是一致的。基线成果检核结果如表2所示。

表2 基线成果检核 单位：m

由表2基线向量成果检核可以看出：通过同步观测数据无约束平差解算获得的基线成果，与解算获得的CGCS2000的空间直角坐标成果反算出的基线成果在E、N、U三个方向上的差值均优于1 cm，说明通过采用基于IGS基准站的超远距离差分定位获得的4个待定点间的相对位置关系是准确的，其精度达到了毫米级，可以认为与场区控制点整体性一致。

3.2 坐标成果质量分析

经过框架和历元转换后，将解算获得的国家控制点成果同收集到的国家控制点已知成果相比较，对解算结果进行坐标成果检核。对比结果如表3所示。

表3 坐标成果检核 单位：m

由表3坐标成果检核可以看出，受速度场精度的影响，通过历元转换后，收集到的国家控制点的解算成果同已知成果在x方向上差值为2 cm左右，在y方向上的差值为3 cm左右。同时应该看出，差值表现出一致性，可理解为系统差。

通过表2、表3的成果检核可以得出结论，基于IGS基准站的超远距离差分定位方式在该机场建设工程控制测量的应用中，场区控制点间的相对位置精度优于1 cm，整体性一致。受限于速度场精度的影响，最终解算结果与已知成果间存在系统差，其值在x方向上为-2.0 cm，在y方向上为3.0 cm。通过基于IGS基准站的超远距离差分定位方式获得的成果，基于3个以上的控制点建立该工程测区的转换模型，通过实时动态差分（real-time kinematic, RTK）放样的方式，获得收集到的国家控制点的精确位置，找到了第3个国家控制点后，再采用传统的分级测量模式，获得场区待定点的高精度CGCS000坐标。将两种方法获得的结果相比较，也体现出了在x方向上为-2.0 cm、y方向上为3.0 cm系统性误差的特征（篇幅原因，这里不再赘述）。结合控制网基线长度进行精度验证统计后，约束点间的边长相对中误差dm≤1/100 000，最弱相对中误差优于2.5 cm/km，达到了卫星定位测量控制网四等的技术要求[1]。

4 结束语

本文探讨了在西部某机场建设工程控制测量中，由于国家起始控制点不够，在按照传统的基于广播星历的高精度分级测量模式无法开展工作的情况下，采用基于IGS基准站的超远距离差分定位模式，利用自主开发的GNSS高精度解算软件，结合快速精密星历进行建立工程首级控制网的尝试。结果表明，该方法在西部偏远地区国家高等级控制点稀疏或缺失的情况下，亦能灵活快速地进行工程建设的平面控制测量，获取基于CGCS2000坐标系精度达到厘米级的坐标成果。同时，通过本文的探讨分析，若工程建设区域周边IGS基准站分布合理，再结合高精度的速度场成果，利用文中方法甚至可以获得优于厘米级的坐标成果，这使得机场建设工程的控制测量工作无须再踏勘国家起始控制点来进行分级布网联测，可以根据场区实际情况来因地制宜地进行控制网的设计，使得控制网的布设更加灵活，无疑会大大提高工作效率。