基于CORS-技术建设安徽区域大地坐标参考框架的探索.doc

精品文档基于CORS技术建设安徽省区域大地坐标参考框架的探索孙宏飞1，余建平2 ，张耀波1（安徽省基础测绘信息中心1，安徽省测绘局2，安徽，合肥，230031） 摘要：实时动态定位现在比较成熟的技术有VRS技术、FKP技术、MAX技术、CBI技术；连续运行参考站系统是一个集测绘技术、计算机技术、网络通信技术等为一体的新型技术；由于地球的自转和外界环境的影响，基准站站点在水平和高程方向上都在实时变化着，如何建立省级区域大地坐标参考框架和如何进行省级参考框架的维护，关系到成果应用精度和成果的现势性，现在采用的方法是实测一簇时间序列的站点坐标，这种方法比较方便，也有利于对参考框架进行维护。 关键词：连续运行参考站系统；实时动态定位技术；参考框架维护；时间序列；拟合一、连续运行参考站系统简介 连续运行参考站是由卫星定位系统接收机（含天线）、计算机、气象设备、通讯设备及电源设备、观测墩等构成的观测系统。它长期连续跟踪观测卫星信号，通过数据通信网络定时、实时或按数据控制中心的要求将观测数据传送到数据中心。它可独立或组网提供实时，快速或事后的数据服务。连续运行参考站系统,是在一定范围内建立若干个连续运行的永久性基准站,通过网络互联,构成网络化的GNSS综合服务系统,不仅可以向各级测绘部门提供高精度、连续的空间基准,并可向导航、时间、灾害防治等部门提供各种数据服务,同时可为社会各行业：如城市建设、工程施工、交通管理、气象、地震、环境、抢险救灾等提供迅速、可靠、有效的信息服务,满足基础测绘、交通运输管理、环保监测、滑坡监测、建筑物沉降变形监测、移动目标的监控、地理信息更新和国土资源调查、地质灾害预报、气象预报等信息需求。因此近年来我国一些部门、地区纷纷建设参考站网,尤其是我国的城市化进程正处于一个高速增长时期,城市规模的不断扩大,要求城市的功能也更加完备,这不仅需要有良好的硬件设施,更需要科学的管理手段,连续运行基准站网络系统的建设则是实现这一目标的手段。 二、如何建立安徽省现代的大地坐标参考框架的思考 2.1 安徽省大地参考框架的建立 安徽省的现代大地坐标参考框架系统将包括以AHCORS为基础的三维动态地心坐标参考框架和省级区域内的A，B，C级GPS网点为基础的控制框架。国家级GNSS连续运行参考站网建立后，将AHCORS纳入动态的国家级大地坐标参考框架网内，采用国家大地坐标基准，同时求解安徽区域内的1980西安坐标系与2000国家大地坐标系之间的转换参数，和安徽区域内1954年北京坐标系与2000国家大地坐标系之间的转换参数。AHCORS的所有参考站点，通过约束部分国际IGS站点，定期解算，观察AHCORS所有参考站的整体运动情况；同时充分利用国家GNSS连续运行站和陆态网中的基岩点，约束求解其他参考站点的相对运动。这样，经过几年甚至更长时间的观测数据，选择AHCORS中的站速变化率较小的站点来建立维持安徽省高精度、动态、持续的现代化三维地心大地坐标参考框架。AHCORS网形设计 2.2 现代高程基准建设 在国家华东、华中大地水准面精化项目中，安徽省省内的大地水准面精化的精度均高于周边省份，现在我省正在使用大地水准面精化的新成果。但我省的淮北地区、淮南地区的煤矿开采区和长江南部的一些矿产资源开采区，由于长期的地下资源开采，地面沉降严重，高程变化较大，如何实现监测这些地区的沉降变化，在这些地区如何利用大地水准面的精化成果尤为重要。为此考虑在这些地区建立分布比较均匀的基岩参考站，并在参考站上安装水准标志，与国家的一、二等水准点联测，获得参考站的平面坐标同时，获得高精度的高程信息，作为安徽省的现代高程基准，同时通过与已有的水准成果联网平差，可以提高安徽省大地水准面精化的可靠性。 2.3 重力大地水准面的建设 在安徽省内已有的重力成果中，成果分布不均匀，且成果过于陈旧，很难满足建立安徽省高精度、高分辨率重力大地水准面建立的需要。华东、华中大地水准面精化项目成果公布后，安徽省大地水准面精度外符和内符合精度达到优于3厘米，大大地改善了安徽省似大地水准面成果不足以满足现代化测绘的需求的状况。但是安徽省作为地形变化分布比较明显的省份，南部多为山区，中部多为丘陵，北部多为平原，是否可以考虑将山区、丘陵、平原的大地水准面进行区域性的精化，并在使用的过程中针对不同的地区，提供不同的水准面精化成果。如此，安徽省的大地水准面精度将进一步提高，进而满足全省的GPS水准测量需要，实现全省三维坐标的实时获取，同时也完善安徽省现代重力基准的建设。 2.4 三维坐标成果应用的意义 将CORS系统和(似)大地水准面精化的成果(精化模型)相结合，可以充分发挥CORS系统实时、快捷、精度均匀可靠的优点，同时可以利用(似)大地水准面精化模型提高CORS(或GPS)系统在第三维的精度，以使其三维结果能够同时得到使用，真正实现GPS技术在几何和物理意义上的三维定位功能，使得平面控制网和高程控制网分离的传统测量模式成为历史，能够极大地改善测绘工作的技术条件和作业模式，构建高效的地球空间信息采集平台。 2.5 省级网参考框架的维护 参考框架的维持通常有欧拉模型和实测时间序列。根据空间大地测量实测数据反演的板块欧拉矢量一般也不用于参考框架的维持，这是因为，刚性板块的假设在大陆地区难以完全满足，或者某些构造地块可能就是非刚性的，大陆地区板块边界的划分还存在很多的困难，此外，欧拉模型只能给出水平运动速度场，而高程的速率变化更为复杂，不能完全用数学模型给出。因而，区域参考框架维持一般采用下面介绍的实测时间序列方法来实现。实测时间序列是建立基于GPS技术的CORS网，公认的建立和维持区域参考框架最经济、最有效的手段。以区域参考框架点实测坐标序列作为参考框架的维持也是普遍的形式。三、如何进一步完善安徽省大地坐标参考框架的思考 建立高精度、动态、三维大地坐标框架以及高精度似大地水准面是安徽省现代化大地测量建设的主要任务，AHCORS的建立将会为实现安徽省现代三维大地参考框架的建立奠定基础。国家的现代大地测量基准正在建设和完善之中，AHCORS和C 级网与之联测，可以实现安徽省大地参考框架的实时性、动态性、可靠性，并使得安徽省坐标参考框架的几何基准和物理基准实现统一。 3.1 重力（似）大地水准面与GPS水准（似）大地水准面拟合 利用地面重力数据、位模型和DTM计算的重力（似）大地水准面，属于国际GRS80（正常）参考椭球系统，但重力归算中采用的正高则属于不同的高层基准，位模型和重力数据的长波误差的不一致，这些因素都将产生系统性影响；由高程异常控制网（HACN90），即GPS水准网确定的（似）大地水准面也有参考基准的差别，其中不仅包括水准高程基准差别，也包括椭球基准的差别。这两类（似）大地水准面之间一般都有较大系统偏差或不符值。如何联合这两类大地水准面得到一个“校正曲面”由不同的处理方法，目前采用的大致有三种：最小二乘配置法拟合、多项式拟合和联合平差法。GPS水准测定的（似）大地水准面通常认为起控制作用。这是因为它联系于国家高精度定位基准，且所含随机误差水平较低，但以此为控制经拟合处理得到的“校正曲面”并非“地球大地水准面”（即满足W=W0=U0）,而是联系于国家水准面基准的大地水准面，它适合于用GPS测定正（常）高的实用目的。采用的方法主要有全网一次性拟合、将全区域适当分成若干子区域，分区求解各区拟合系数、逐点求解拟合系数。 3.2 大地水准面拼接问题的思索 “拼接”问题从广义上说的是假定一个边界被划分为若干子边界，每个子边界上有不同类的重力数据，且一般不重叠；每一类型重力数据各有不同的精度水平，还可能含有系统误差。我们要解决的是，在重力位边值理论的框架下，求解一个扰动位函数，满足Laplace方程及所有子边界面上的边值条件，并保证该位函数在无穷远的正则性要求，同时顾及不同类数据精度水平的匹配，即确定一个误差最佳分配准则（例如带权残差平方和最小准则），并能一并解算某些可以模拟的系统误差参数。 在“拼接”问题中强调了不同类观测数据和不同精度数据的“拼接”。如果不考虑观测误差，或者不同类观测数据被认为是等精度的，则可以在边值问题解析理论框架中解决多种边值数据的拼接问题。在此情况下拼接问题就是处理多种边值条件的边值问题，或者说联合多种重力数据确定重力场，若边界之间有重叠区，即存在“多余”边值，则是一个超定边值问题，也可以在超定边值问题解析理论框架中求解。 3.3 如何确定省级CORS与国家级CORS之间的关系 国家网是省级区域参考网的坐标参考框架和基准。这样,无论何种应用,国家CORS的数据在坐标系统上才是一致的、协调的、可以共享的。 国家连续运行参考框架网的服务整体上是最为综合的、多功能的、大范围的、高精度的,而区域网的服务是局部的、高精度的,服务类型是根据地区发展需求可选的、可升级的,专业应用网的服务可以是综合的,也可能是单一的。 在省级区域CORS的建设过程中，要与国家CORS的建设保持紧密的联系，国家CORS建站的标准整体上优于省级区域网的建设标准，要充分利用国家CORS资源，做到在同一地区不重建，同时与国家网实现无缝拼接，把省级网络中符合国家CORS标准的基准站申请加入国家CORS，也就是说,区域参考站网和专业应用网中的某些测站,只要满足国家参考站网的技术要求,就可以申请并通过某种权威机构的认证,成为国家连续运行参考站。 3.4 CORS系统的开发和利用方向 无论是区域CORS还是大范围洲际CORS或者是IGS，其目前应用领域主要包括：大地测量学和地球动力学科以及其相关交叉学科的研究，区域或者全球参考框架的维护，各种等级的工程测量，车辆、飞机和船舶导航，采矿，林业，数字城市的建立，教育和环境监测等方面；在发达国家甚至广泛用于精细农业。 3.4.1 CORS的推广和应用与GIS紧密相连。CORS能够提供的只是基于位置服务（Location Based Service）的信息，这种空间点位信息结合GIS技术才能最大限度的服务于生产和生活。把CORS技术的实时性、高精度等特色融入到GIS中，结合现代网络通讯技术，可以衍生出很多专题应用项目，而这正是各区域CORS未来应用的重点发展方向。 3.4.2 CORS技术的应用趋向于“自助化”。这种“自助化”更多的体现在专业用户上。CORS的主管单位不仅仅是单作为CORS系统的主管部门，而应该是面向社会的服务部门。向社会提供更快、更优质的服务应该是CORS主管单位的宗旨。在这个理念的推动下，CORS主管单位应该充分发挥自己的技术优势，完善CORS系统的服务体系，实时、高效向不同等级的授权用户提供各种信息，而这些信息的获取应该由用户自己自助完成。比如在线数据获取、在线定位服务等。 四、总结 安徽省周边与江苏省，浙江省，江西省，湖北省，河南省，山东省交界，处于华东地区的核心位置，安徽CORS的建设和应用，使华东地区的CORS站建设实现全覆盖，在华东地区以后的CORS联网工作中将发挥着不可替代、核心枢纽的作用。目前很多省已经建立了省级CORS，有的正在筹建或正在建设当中，各省级间需要加强沟通，与周边省在彼此接边的地方实现资源共享，可以减少建站个数，节约资源。随着CORS技术的日益成熟和省级CORS的逐步建立和完善，测绘的作业方式必将有一个变革；同时，在CORS技术更深层次的开发和应用还有待进一步的努力，与其它领域的合作，比如交通部门、农业部门、地震部门等，还有待进一步的深化。参考文献1刘经南,刘晖.简历我国卫星定位连续运行站网的若干思考 J.武汉大学学报,2003年5月：27-31.2刘经南.连续运行站参考框架网络-21世纪国家空间信息重要基础设施C见：大地测量文集.北京：测绘出版社，1999.3祁芳,刘晖,王敏.广域查分GPS中用户定位算法的研究 J.测绘信息与工程,2003年6月：18-20.4李征航,黄劲松.GPS测量与数据处理M武汉大学出版社,2005年.5张西光,吕志平.论地球参考框架的维持J.测绘通报2009（5），1-4.6刘晖.地球空间信息网格及其在连续运行参考站网络