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    基于GNSS的CGCS2000数据处理技术综述

    2019-01-19 15:37:11来源: 武汉大学学报信息科学版作者
    聊聊

    来源武汉大学学报·信息科学版2018年12期

    作者程鹏飞, 成英燕

    第一作者程鹏飞, 博士, 研究员, 主要从事卫星大地测量和大地坐标系方面的研究工作

    提示其他平台转载请注明原始出处与作者

    摘 要2000国家大地坐标系(CGCS2000)发布后的推广使用不仅涉及大量参心坐标系下的成果转换同时也涉及基于全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite SystemGNSS)手段获得的点位坐标的归算获取GNSS观测数据和将其归算到CGCS2000采用的策略方法不同如参考站选择原则不同整网平差前的分区方案不同以及采用不同的方法将位置从当前历元改正到CGCS2000等将会使最终的CGCS2000系下的坐标差异较大最大可达到分米级造成这种结果的原因在于GNSS数据处理的多个?#26041;?#20013;依赖数据处理软件操作者的理解存在人为的选择换言之GNSS数据处理缺乏科学的规则为依据鉴于此采用一种统计方法即监督聚类作为参考站选择规则;采用间距分区法进行区域划分;并用板块运动归算方法将当前历元位置改正到CGCS2000其中基于间距分区方案的站坐标解算精度优于区域划分方案三维方向的坐标精度优于2 mm通过以上方案设计XYZ方向上的速度从0.920.720.97 mm/a分别降至0.190.450.32 mm/a优化和改进了CGCS2000框架维持精?#21462;?/span>

    关键词CGCS2000 监督聚类 板块改正 间距分区 均衡性评价

    从获取全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)站观测数据到站坐标归算至CGCS2000需要经历基准站选取数据处理站坐标归算等过程首先由于已知点选取的不同后续处理站点基于的基准不同;其次数据处理时如果采用国际高精度数据处理软件(GAMITBERNESE等)若站点较多超过了软件允许的范围需要进行分区处理不同的分区策略也将对数据处理结果产生影响;再则在获得平差站坐标后需要归算到CGCS2000而归算方法的不同对结果会产生很大的影响基于上述原因本文主要介绍基于GNSS观测数据到CGCS2000归算过程中的优化策略并和常规方法进行比较同时就以上几个?#26041;?#30340;不同策略和方法进行定性和定量分析并给出实例和相关结论供相关应用借鉴

    1 基准站选取

    框架是坐标系的具体实现基准站在框架维护中?#23548;?#19978;起骨架作用?#33539;?#26694;架相对于理论定义坐标系的相对位置关系;基准站选取越科学坐标系实现越精准框架实现涉及基准站数量基准站质量基准站分布等内容

    1.1 基准站选取原则

    本文主要基于国家基准网数据处理过程具体说明选取准则首先利用全球框架站点时序等资料按照国际通用标准并基于以下原则对各测站的数据质量进行分析连续性原则测站在近3 a(或以上)进行连续观测剔除观测年数不够以及处理过程中不连续和观测质量较差的站点稳定性原则站点坐标时序稳定性好具有稳定“可知”的点位变化速?#21462;?#39640;精度原则速度场精度优于3 mm/a多种解原则至少3个不同分析中心的速度场残差好于3 mm/a平衡性原则站点尽量全球分布精度一致性原则站点的位置和速度的精度应当一致

    在此基础上本文提出监督分类七参数法对测站进行精选[1-4]在一个板块(或块体)上各站的速度大小和方向应当基本一致而?#20197;?#31354;间上的变化应是逐渐的本文采用的主要方法是以板块运动模型划分的板块边界作为地学资料对于粗选取的框架点首先将实测的(X, Y, Z)的速度(VX , VY , VZ )?#35789;?1)转换为平面速度(Ve , Vn )再根据式(2)拟合板块模型欧拉矢量参数(ω'x , ω'y , ω'z )

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    式中r 为半径;( φ, λ )为站点的纬?#21462;?#32463;?#21462;?/span>

    用求出的模型参数(ω'x , ω'y , ω'z )计算每个测站的速度称为模型速?#21462;?#21516;时计算速度矢量的方位角将各站的模型速度和方位角与实测速度和方位角相比较剔除残差项绝对值分别大于2σ1 和2σ2 的测站

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    式中σ1 为板块内测站模型速度残差的中误差;σ2 为方位角残差中误差;Λ为速度的方位角

    基于上述原则在国际地球参考框架(international terrestrial reference frameITRF)站中选取了92个国际站作为框架站这些?#31350;?#20316;为我国基准框架数据处理的基准站其分?#25216;?#22270; 1图 1中红色三角是采用监督聚类法选取的92个国际GNSS服务(international GNSS service, IGS)站

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    图 1 全球框架站点分布

    1.2 测站分布均衡性评价方法

    研究表明测站的分布对计算结果会产生一定的影响基准站分布均匀可使参数估?#32856;?#31934;确可靠最小二乘平差方法一方面要求观测值要尽量多且精度要高另一方面要求测站尽可能均匀地分布在整个稳定地区使关系矩阵有较强的结构在一个板块上站点的分布一般是不均匀的所以应根据站点覆盖面积最大分布尽量均匀的原则来布站这样不仅有利于卫星定轨也可使基准构架更合理基于以上考虑本文提出了站点的分布均匀化评价准则

    理论上讲如果选择的站点均匀分布在地球表面上则求取网的重心坐标应?#23186;?#36817;于坐标原点(地心)将此作为测站分布合理性评价指标公式为

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    式中(X0, Y0, Z0 )为重心坐标; N为测站数

    考虑到站点分布在地面上不完全是理想的椭球面受地面高?#25512;?#20239;的影响XYZ 满足上述条件比较难因此将网的重心坐标转换成大地坐标则评价标准为网的重心坐标经度应接近起始子午面?#20174;?#31449;点分布东西对称;纬度接近赤道?#20174;?#31449;点分布南北对称; 大地高接近地心

    2 分区方法及数据处理

    2.1 间距分区与区域分区

    1) 间距分区法

    基准站观测共视卫星观测数据中误差的相关性与站间距有关随着站间距增大相关性越来越弱本文针对多基准站密集型分布连续运行参考站(continuously operating reference stationsCORS)站网进行基线解算时需要分区尤其是网中站间基线长度差异较大时的情况提出了间距分区法[5-7]以提高解算精?#21462;?#25152;谓间距分区法是根据各个测站之间的距离将分布密集的测站抽稀使距离较近的测站均匀地分布在不同的分区尽量避免短基线使基线长?#32570;?#36739;均匀?#28304;?#26469;提高GAMIT软件对各测站基线解算的精?#21462;?#29992;间距分区法进行基线解算既考虑了测站间距的问题保证各个测站间基线长度较长又兼顾了测站分布状况使得测站分布较为均?#21462;?#20197;图 2图 3中某省CORS站为例说明间距分区法

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    图 2 某省CORS站分布图

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    图 3 间距分区法划分的3个分区

    2) 区域子网划?#22336;?/span>

    区域子网划?#22336;?#26159;依据我国二级板块分布结合各板块地理特征及测站分布情况进行划分的也有按经纬度进行子网划分[8]

    2.2 分区方法与整体解算一致性分析

    以陆态网(crustal movement observation network of China, CMONOC)基准站解算为例[6], 比较分析两?#22336;?#21306;法与整体解算结果的差异为保证能进行整网解算选取全国55个陆态网络连续运行基准站2013年3 d的观测数据, 区域框架站采用7个中国及周边IGS框架站分别采用整网解算方案以及两?#22336;?#21306;方案进行解算其站点分布情况如图 4所示图 4中红色五角星表示IGS站蓝色点表示陆态网连续运行基准站

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    图 4 55个陆态网CORS站分布?#25216;?#38388;距分区法测站分布示意图

    图 4采用间距分区法将测站划分为两个区图 5为采用区域子网划?#22336;?#20381;据中国二级板块划分及测站分布情况保证每个板块有足够的站点中蒙和中朝板块合并划为东北区华北平原和鄂尔多斯板块合并划为华北区鲁东-黄海华南及南海板块划为华东区天山及塔里木板块划分为新藏区其他小板块合并为西部区55个测站?#19981;?#20998;为5个区

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    图 5 区域子网划?#22336;?#27979;站分布图

    利用GAMIT/GLOBK软件进行解算统计3种解算方案解得的基线长以及测站坐标分析两?#22336;?#21306;方案与整网解算方案的基线长度差及三维方向坐标差并计算基线的相对精?#21462;?#22270; 6为两?#22336;?#21306;方案与整网解算方案作差求得的基线相对精度;图 7为两?#22336;?#21306;方案与整网解算方案BLH 方向坐标差

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    图 6 两?#22336;?#21306;方案基线相对精度

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    图 7 两?#22336;?#21306;方案大地坐标系下坐标差

    从图 6可以看出间距分区法测区内基线相对精度明显高于区域子网划?#22336;?#38388;距分区方案解算精度高且稳定从图 7可以看出间距分区方案解算的测站坐标优于区域子网划?#22336;?#26356;加接近于整网解算方案且精度均?#21462;?#31283;定三维方向坐标精度均优于2 mm;在大地坐标系下水平方向的误差也基本上在1 mm以内高程方向在2 mm以内

    2.3 陆态网数据处理

    选取全国240个陆态网络连续运行基准站2013年1月共30 d的数据同样采用两种方法分析解算结果差异间距分区法把测站均匀分布在6个测区;基于板块按区域分区法分5个区数据处理时采用我国及周边15个IGS框架站, 利用GAMIT/GLOBK软件进行解算及平差计算得到全国GNSS连续运行基准站在ITRF2008框架2013.04历元下的坐标

    区域分区方案南北分量的中误差平均值为±0.8 mm, 东西分量的中误差平均值为±1.0 mm, 垂直分量的中误差平均值为±2.6 mm间距分区南北分量的中误差平均值为±0.5 mm, 东西分量的中误差平均值为±0.5 mm, 垂直分量的中误差平均值为±1.9 mm图 8为240个陆态网络连续运行基准站采用间距分区法得到的NEU三个方向的坐标精?#21462;?/span>

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    图 8 240个陆态网络连续运行基准站NEU方向坐标精度

    从图 8可以看出陆态网络连续运行基准站各测站解算结果在三维方向上的坐标精度均优于3 mm;在站心坐标系下基准站解算结果在水平方向的误差均小于1 mm高程方向的误差均小于3 mm

    3 板块运动改正

    在获得了各站点坐标在ITRF框架当前历元下的坐标后需要将站点坐标归算到CGCS2000坐标系下常用的做法一是采用强制?#38469;?#24179;差的方法即将CGCS2000的站作为平差基准进行拟稳平差二是采用速度场归算的方法[9-11]通过两种方式将坐标改正到CGCS2000并与这些站在CGCS2000下的坐标进行比较分析为说明方法的不同本文对原国家测绘地理信息?#36136;?#38598;的2014年国?#22987;?#20840;国省级近1 800个CORS站(包括国际92个IGS站)1个月的观测数据处理结果采用两种改正方法将坐标改正到CGCS2000与16个有CGCS2000坐标的国家基准站坐标进行比较分析结果差异

    3.1 两种方法一致性检验

    图 9是采用速度场归算的方法将ITRF2008框架下16个国家基准站在2014.664历元下的坐标归算到CGCS2000下并与CGCS2000下的大地坐标基准差异进行比较具体见图 9[11]图 9中差值单?#25442;?#31639;成m图 10为采用拟稳平差的方法强制归算的结果(NE两方向)

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    图 9 速度场归算后与已知值差异

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    图 10 CGCS2000框架拟稳基准平差解与CGCS2000坐标的比较

    从图 9图 10中可以看出整体上两种方法差异大的站点为XNINDLHAKMINHRBNHLAR将这几个站按板块进行定位其中XNINDLHA位于柴达木板块KMIN位于川滇板块HRBNHLAR位于中蒙板块这几个块体站的运动趋势与位于中原地区的其他各站差异较大见图 11从站的分布可以看出中部地区站分布得比较密?#38469;?#24179;差在选取基准进行平差时会基于用户指定的基准站组根据赫尔默特七参数转换残差分析选取运动趋势一致的基准站群作为拟稳平差基准因此与中原运动趋势一致的站点平差后结果与速度场归算结果较为吻合而位于与中原趋势不一致的板块上的站点转换结果较差达到分米?#32771;?/span>

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    图 11 全国CORS站分布与CGCS2000?#38469;?#24179;差后与真值差异大的站点分布图

    3.2 结果比较分析

    将全国各省级1 700多个CORS站按上面两种方法得到各测站在CGCS2000下的两套坐标求差将各站NE方向的差异表示成矢量图 11为站点分布?#25216;?#20004;种方法差矢量分布图

    图 11中?#25442;?#20986;了与CGCS2000差异在分米?#32771;?大于10 cm)的各站点的分布对照速度场和板块模型可以看出这些差异的走向和板块的运动方向一致差异大的站都分布在东北西北川滇地区平差后的整体网“回归”CGCS2000的趋势同所选基准网的分布密?#21462;?#36816;动趋势有关在所选取的基准站网24个基准站中中东部测站有10个站占了62%且分布密度相对集中决定了整体网的“走向”因此差异大的点基本上?#38469;?#21644;我国中部地区速度场走向不一致的点即分布在东北西北和华南川滇地区这些区域基本上也?#21069;?#22359;变形大的区域?#38469;?#24179;差由于未顾及板块运动趋势的不同因此平差的结果较差

    4 综合结果分析

    基于上述方法?#33539;?#20102;我国1025个站点(剔除了只有一期观测数据和站坐标精?#32570;?#36739;差的站点)的速度场XYZ速度场精度均方根(root mean square, RMS)由0.920.720.97 mm/a提高到0.190.450.32 mm/a以这个速度拟合和建立了我国板块运动模型CPM-CGCS2000[12-13]并与国际上的ITRF2005APKIM2005PB2002NUVEL1A[14-18]等模型进行比较同时也与国内两种模型[19-20]进行比较

    图 12为BJFSURUMSHAOWUHN这4个站各个模型归算后在经?#21462;?#32428;度方向与CGCS2000的差异将文献[20]速度场模?#32479;?#20026;CHINA_F文献[19]计算的速度场为CHINA_W由图 12可见CPM-CGCS2000水平方向上比ITRF2005APKIM2005PB2002NUVEL1A更加精确与CHINA_FCHINA_W两个模型相比CPM-CGCS2000精度也更均匀更能精确?#20174;?#31449;点的水平运动

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    图 12 各模型值与CGCS2000真值水平方向上的比较

    5 结 语

    ?#33539;GNSS观测站在CGCS2000下的坐标不同的方法对最终结果都会产生很大影响[21-22]不同于常规处理方法针对GNSS网解算基准选取本文提出了顾及板块运动因素的监督聚类基准站选取方法;针对密集型大网解算基线长度悬殊过大提出了顾及站间误差传播相关性因素的间距分区方法;同时对于解算得到的当前历元下的站坐标归算到CGCS2000提出了基于速度场的站坐标的归算方法相较于传统的方法本文方法能够提高整网的解算精度速度场的精度也有很大提高拟合的板块运动的精度也是目前国内精度最高的

    参考文献略

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