基于CORS-技術(shù)建設(shè)安徽區(qū)域大地坐標(biāo)參考框架的探索.doc

精品文檔基于CORS技術(shù)建設(shè)安徽省區(qū)域大地坐標(biāo)參考框架的探索孫宏飛1，余建平2 ，張耀波1（安徽省基礎(chǔ)測(cè)繪信息中心1，安徽省測(cè)繪局2，安徽，合肥，230031） 摘要：實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位現(xiàn)在比較成熟的技術(shù)有VRS技術(shù)、FKP技術(shù)、MAX技術(shù)、CBI技術(shù)；連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)是一個(gè)集測(cè)繪技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等為一體的新型技術(shù)；由于地球的自轉(zhuǎn)和外界環(huán)境的影響，基準(zhǔn)站站點(diǎn)在水平和高程方向上都在實(shí)時(shí)變化著，如何建立省級(jí)區(qū)域大地坐標(biāo)參考框架和如何進(jìn)行省級(jí)參考框架的維護(hù)，關(guān)系到成果應(yīng)用精度和成果的現(xiàn)勢(shì)性，現(xiàn)在采用的方法是實(shí)測(cè)一簇時(shí)間序列的站點(diǎn)坐標(biāo)，這種方法比較方便，也有利于對(duì)參考框架進(jìn)行維護(hù)。 關(guān)鍵詞：連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)；實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)；參考框架維護(hù)；時(shí)間序列；擬合一、連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)簡(jiǎn)介 連續(xù)運(yùn)行參考站是由衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收機(jī)（含天線(xiàn)）、計(jì)算機(jī)、氣象設(shè)備、通訊設(shè)備及電源設(shè)備、觀(guān)測(cè)墩等構(gòu)成的觀(guān)測(cè)系統(tǒng)。它長(zhǎng)期連續(xù)跟蹤觀(guān)測(cè)衛(wèi)星信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)定時(shí)、實(shí)時(shí)或按數(shù)據(jù)控制中心的要求將觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)中心。它可獨(dú)立或組網(wǎng)提供實(shí)時(shí)，快速或事后的數(shù)據(jù)服務(wù)。連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng),是在一定范圍內(nèi)建立若干個(gè)連續(xù)運(yùn)行的永久性基準(zhǔn)站,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化的GNSS綜合服務(wù)系統(tǒng),不僅可以向各級(jí)測(cè)繪部門(mén)提供高精度、連續(xù)的空間基準(zhǔn),并可向?qū)Ш健r(shí)間、災(zāi)害防治等部門(mén)提供各種數(shù)據(jù)服務(wù),同時(shí)可為社會(huì)各行業(yè)：如城市建設(shè)、工程施工、交通管理、氣象、地震、環(huán)境、搶險(xiǎn)救災(zāi)等提供迅速、可靠、有效的信息服務(wù),滿(mǎn)足基礎(chǔ)測(cè)繪、交通運(yùn)輸管理、環(huán)保監(jiān)測(cè)、滑坡監(jiān)測(cè)、建筑物沉降變形監(jiān)測(cè)、移動(dòng)目標(biāo)的監(jiān)控、地理信息更新和國(guó)土資源調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)、氣象預(yù)報(bào)等信息需求。因此近年來(lái)我國(guó)一些部門(mén)、地區(qū)紛紛建設(shè)參考站網(wǎng),尤其是我國(guó)的城市化進(jìn)程正處于一個(gè)高速增長(zhǎng)時(shí)期,城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大,要求城市的功能也更加完備,這不僅需要有良好的硬件設(shè)施,更需要科學(xué)的管理手段,連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)則是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的手段。 二、如何建立安徽省現(xiàn)代的大地坐標(biāo)參考框架的思考 2.1 安徽省大地參考框架的建立 安徽省的現(xiàn)代大地坐標(biāo)參考框架系統(tǒng)將包括以AHCORS為基礎(chǔ)的三維動(dòng)態(tài)地心坐標(biāo)參考框架和省級(jí)區(qū)域內(nèi)的A，B，C級(jí)GPS網(wǎng)點(diǎn)為基礎(chǔ)的控制框架。國(guó)家級(jí)GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)建立后，將AHCORS納入動(dòng)態(tài)的國(guó)家級(jí)大地坐標(biāo)參考框架網(wǎng)內(nèi)，采用國(guó)家大地坐標(biāo)基準(zhǔn)，同時(shí)求解安徽區(qū)域內(nèi)的1980西安坐標(biāo)系與2000國(guó)家大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，和安徽區(qū)域內(nèi)1954年北京坐標(biāo)系與2000國(guó)家大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。AHCORS的所有參考站點(diǎn)，通過(guò)約束部分國(guó)際IGS站點(diǎn)，定期解算，觀(guān)察AHCORS所有參考站的整體運(yùn)動(dòng)情況；同時(shí)充分利用國(guó)家GNSS連續(xù)運(yùn)行站和陸態(tài)網(wǎng)中的基巖點(diǎn)，約束求解其他參考站點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這樣，經(jīng)過(guò)幾年甚至更長(zhǎng)時(shí)間的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，選擇AHCORS中的站速變化率較小的站點(diǎn)來(lái)建立維持安徽省高精度、動(dòng)態(tài)、持續(xù)的現(xiàn)代化三維地心大地坐標(biāo)參考框架。AHCORS網(wǎng)形設(shè)計(jì) 2.2 現(xiàn)代高程基準(zhǔn)建設(shè) 在國(guó)家華東、華中大地水準(zhǔn)面精化項(xiàng)目中，安徽省省內(nèi)的大地水準(zhǔn)面精化的精度均高于周邊省份，現(xiàn)在我省正在使用大地水準(zhǔn)面精化的新成果。但我省的淮北地區(qū)、淮南地區(qū)的煤礦開(kāi)采區(qū)和長(zhǎng)江南部的一些礦產(chǎn)資源開(kāi)采區(qū)，由于長(zhǎng)期的地下資源開(kāi)采，地面沉降嚴(yán)重，高程變化較大，如何實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)這些地區(qū)的沉降變化，在這些地區(qū)如何利用大地水準(zhǔn)面的精化成果尤為重要。為此考慮在這些地區(qū)建立分布比較均勻的基巖參考站，并在參考站上安裝水準(zhǔn)標(biāo)志，與國(guó)家的一、二等水準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測(cè)，獲得參考站的平面坐標(biāo)同時(shí)，獲得高精度的高程信息，作為安徽省的現(xiàn)代高程基準(zhǔn)，同時(shí)通過(guò)與已有的水準(zhǔn)成果聯(lián)網(wǎng)平差，可以提高安徽省大地水準(zhǔn)面精化的可靠性。 2.3 重力大地水準(zhǔn)面的建設(shè) 在安徽省內(nèi)已有的重力成果中，成果分布不均勻，且成果過(guò)于陳舊，很難滿(mǎn)足建立安徽省高精度、高分辨率重力大地水準(zhǔn)面建立的需要。華東、華中大地水準(zhǔn)面精化項(xiàng)目成果公布后，安徽省大地水準(zhǔn)面精度外符和內(nèi)符合精度達(dá)到優(yōu)于3厘米，大大地改善了安徽省似大地水準(zhǔn)面成果不足以滿(mǎn)足現(xiàn)代化測(cè)繪的需求的狀況。但是安徽省作為地形變化分布比較明顯的省份，南部多為山區(qū)，中部多為丘陵，北部多為平原，是否可以考慮將山區(qū)、丘陵、平原的大地水準(zhǔn)面進(jìn)行區(qū)域性的精化，并在使用的過(guò)程中針對(duì)不同的地區(qū)，提供不同的水準(zhǔn)面精化成果。如此，安徽省的大地水準(zhǔn)面精度將進(jìn)一步提高，進(jìn)而滿(mǎn)足全省的GPS水準(zhǔn)測(cè)量需要，實(shí)現(xiàn)全省三維坐標(biāo)的實(shí)時(shí)獲取，同時(shí)也完善安徽省現(xiàn)代重力基準(zhǔn)的建設(shè)。 2.4 三維坐標(biāo)成果應(yīng)用的意義 將CORS系統(tǒng)和(似)大地水準(zhǔn)面精化的成果(精化模型)相結(jié)合，可以充分發(fā)揮CORS系統(tǒng)實(shí)時(shí)、快捷、精度均勻可靠的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以利用(似)大地水準(zhǔn)面精化模型提高CORS(或GPS)系統(tǒng)在第三維的精度，以使其三維結(jié)果能夠同時(shí)得到使用，真正實(shí)現(xiàn)GPS技術(shù)在幾何和物理意義上的三維定位功能，使得平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)分離的傳統(tǒng)測(cè)量模式成為歷史，能夠極大地改善測(cè)繪工作的技術(shù)條件和作業(yè)模式，構(gòu)建高效的地球空間信息采集平臺(tái)。 2.5 省級(jí)網(wǎng)參考框架的維護(hù) 參考框架的維持通常有歐拉模型和實(shí)測(cè)時(shí)間序列。根據(jù)空間大地測(cè)量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演的板塊歐拉矢量一般也不用于參考框架的維持，這是因?yàn)椋瑒傂园鍓K的假設(shè)在大陸地區(qū)難以完全滿(mǎn)足，或者某些構(gòu)造地塊可能就是非剛性的，大陸地區(qū)板塊邊界的劃分還存在很多的困難，此外，歐拉模型只能給出水平運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)，而高程的速率變化更為復(fù)雜，不能完全用數(shù)學(xué)模型給出。因而，區(qū)域參考框架維持一般采用下面介紹的實(shí)測(cè)時(shí)間序列方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)測(cè)時(shí)間序列是建立基于GPS技術(shù)的CORS網(wǎng)，公認(rèn)的建立和維持區(qū)域參考框架最經(jīng)濟(jì)、最有效的手段。以區(qū)域參考框架點(diǎn)實(shí)測(cè)坐標(biāo)序列作為參考框架的維持也是普遍的形式。三、如何進(jìn)一步完善安徽省大地坐標(biāo)參考框架的思考 建立高精度、動(dòng)態(tài)、三維大地坐標(biāo)框架以及高精度似大地水準(zhǔn)面是安徽省現(xiàn)代化大地測(cè)量建設(shè)的主要任務(wù)，AHCORS的建立將會(huì)為實(shí)現(xiàn)安徽省現(xiàn)代三維大地參考框架的建立奠定基礎(chǔ)。國(guó)家的現(xiàn)代大地測(cè)量基準(zhǔn)正在建設(shè)和完善之中，AHCORS和C 級(jí)網(wǎng)與之聯(lián)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)安徽省大地參考框架的實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性、可靠性，并使得安徽省坐標(biāo)參考框架的幾何基準(zhǔn)和物理基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一。 3.1 重力（似）大地水準(zhǔn)面與GPS水準(zhǔn)（似）大地水準(zhǔn)面擬合 利用地面重力數(shù)據(jù)、位模型和DTM計(jì)算的重力（似）大地水準(zhǔn)面，屬于國(guó)際GRS80（正常）參考橢球系統(tǒng)，但重力歸算中采用的正高則屬于不同的高層基準(zhǔn)，位模型和重力數(shù)據(jù)的長(zhǎng)波誤差的不一致，這些因素都將產(chǎn)生系統(tǒng)性影響；由高程異?？刂凭W(wǎng)（HACN90），即GPS水準(zhǔn)網(wǎng)確定的（似）大地水準(zhǔn)面也有參考基準(zhǔn)的差別，其中不僅包括水準(zhǔn)高程基準(zhǔn)差別，也包括橢球基準(zhǔn)的差別。這兩類(lèi)（似）大地水準(zhǔn)面之間一般都有較大系統(tǒng)偏差或不符值。如何聯(lián)合這兩類(lèi)大地水準(zhǔn)面得到一個(gè)“校正曲面”由不同的處理方法，目前采用的大致有三種：最小二乘配置法擬合、多項(xiàng)式擬合和聯(lián)合平差法。GPS水準(zhǔn)測(cè)定的（似）大地水準(zhǔn)面通常認(rèn)為起控制作用。這是因?yàn)樗?lián)系于國(guó)家高精度定位基準(zhǔn)，且所含隨機(jī)誤差水平較低，但以此為控制經(jīng)擬合處理得到的“校正曲面”并非“地球大地水準(zhǔn)面”（即滿(mǎn)足W=W0=U0）,而是聯(lián)系于國(guó)家水準(zhǔn)面基準(zhǔn)的大地水準(zhǔn)面，它適合于用GPS測(cè)定正（常）高的實(shí)用目的。采用的方法主要有全網(wǎng)一次性擬合、將全區(qū)域適當(dāng)分成若干子區(qū)域，分區(qū)求解各區(qū)擬合系數(shù)、逐點(diǎn)求解擬合系數(shù)。 3.2 大地水準(zhǔn)面拼接問(wèn)題的思索 “拼接”問(wèn)題從廣義上說(shuō)的是假定一個(gè)邊界被劃分為若干子邊界，每個(gè)子邊界上有不同類(lèi)的重力數(shù)據(jù)，且一般不重疊；每一類(lèi)型重力數(shù)據(jù)各有不同的精度水平，還可能含有系統(tǒng)誤差。我們要解決的是，在重力位邊值理論的框架下，求解一個(gè)擾動(dòng)位函數(shù)，滿(mǎn)足Laplace方程及所有子邊界面上的邊值條件，并保證該位函數(shù)在無(wú)窮遠(yuǎn)的正則性要求，同時(shí)顧及不同類(lèi)數(shù)據(jù)精度水平的匹配，即確定一個(gè)誤差最佳分配準(zhǔn)則（例如帶權(quán)殘差平方和最小準(zhǔn)則），并能一并解算某些可以模擬的系統(tǒng)誤差參數(shù)。 在“拼接”問(wèn)題中強(qiáng)調(diào)了不同類(lèi)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)和不同精度數(shù)據(jù)的“拼接”。如果不考慮觀(guān)測(cè)誤差，或者不同類(lèi)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)被認(rèn)為是等精度的，則可以在邊值問(wèn)題解析理論框架中解決多種邊值數(shù)據(jù)的拼接問(wèn)題。在此情況下拼接問(wèn)題就是處理多種邊值條件的邊值問(wèn)題，或者說(shuō)聯(lián)合多種重力數(shù)據(jù)確定重力場(chǎng)，若邊界之間有重疊區(qū)，即存在“多余”邊值，則是一個(gè)超定邊值問(wèn)題，也可以在超定邊值問(wèn)題解析理論框架中求解。 3.3 如何確定省級(jí)CORS與國(guó)家級(jí)CORS之間的關(guān)系 國(guó)家網(wǎng)是省級(jí)區(qū)域參考網(wǎng)的坐標(biāo)參考框架和基準(zhǔn)。這樣,無(wú)論何種應(yīng)用,國(guó)家CORS的數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系統(tǒng)上才是一致的、協(xié)調(diào)的、可以共享的。 國(guó)家連續(xù)運(yùn)行參考框架網(wǎng)的服務(wù)整體上是最為綜合的、多功能的、大范圍的、高精度的,而區(qū)域網(wǎng)的服務(wù)是局部的、高精度的,服務(wù)類(lèi)型是根據(jù)地區(qū)發(fā)展需求可選的、可升級(jí)的,專(zhuān)業(yè)應(yīng)用網(wǎng)的服務(wù)可以是綜合的,也可能是單一的。 在省級(jí)區(qū)域CORS的建設(shè)過(guò)程中，要與國(guó)家CORS的建設(shè)保持緊密的聯(lián)系，國(guó)家CORS建站的標(biāo)準(zhǔn)整體上優(yōu)于省級(jí)區(qū)域網(wǎng)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，要充分利用國(guó)家CORS資源，做到在同一地區(qū)不重建，同時(shí)與國(guó)家網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫拼接，把省級(jí)網(wǎng)絡(luò)中符合國(guó)家CORS標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)站申請(qǐng)加入國(guó)家CORS，也就是說(shuō),區(qū)域參考站網(wǎng)和專(zhuān)業(yè)應(yīng)用網(wǎng)中的某些測(cè)站,只要滿(mǎn)足國(guó)家參考站網(wǎng)的技術(shù)要求,就可以申請(qǐng)并通過(guò)某種權(quán)威機(jī)構(gòu)的認(rèn)證,成為國(guó)家連續(xù)運(yùn)行參考站。 3.4 CORS系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和利用方向 無(wú)論是區(qū)域CORS還是大范圍洲際CORS或者是IGS，其目前應(yīng)用領(lǐng)域主要包括：大地測(cè)量學(xué)和地球動(dòng)力學(xué)科以及其相關(guān)交叉學(xué)科的研究，區(qū)域或者全球參考框架的維護(hù)，各種等級(jí)的工程測(cè)量，車(chē)輛、飛機(jī)和船舶導(dǎo)航，采礦，林業(yè)，數(shù)字城市的建立，教育和環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面；在發(fā)達(dá)國(guó)家甚至廣泛用于精細(xì)農(nóng)業(yè)。 3.4.1 CORS的推廣和應(yīng)用與GIS緊密相連。CORS能夠提供的只是基于位置服務(wù)（Location Based Service）的信息，這種空間點(diǎn)位信息結(jié)合GIS技術(shù)才能最大限度的服務(wù)于生產(chǎn)和生活。把CORS技術(shù)的實(shí)時(shí)性、高精度等特色融入到GIS中，結(jié)合現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，可以衍生出很多專(zhuān)題應(yīng)用項(xiàng)目，而這正是各區(qū)域CORS未來(lái)應(yīng)用的重點(diǎn)發(fā)展方向。 3.4.2 CORS技術(shù)的應(yīng)用趨向于“自助化”。這種“自助化”更多的體現(xiàn)在專(zhuān)業(yè)用戶(hù)上。CORS的主管單位不僅僅是單作為CORS系統(tǒng)的主管部門(mén)，而應(yīng)該是面向社會(huì)的服務(wù)部門(mén)。向社會(huì)提供更快、更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)應(yīng)該是CORS主管單位的宗旨。在這個(gè)理念的推動(dòng)下，CORS主管單位應(yīng)該充分發(fā)揮自己的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，完善CORS系統(tǒng)的服務(wù)體系，實(shí)時(shí)、高效向不同等級(jí)的授權(quán)用戶(hù)提供各種信息，而這些信息的獲取應(yīng)該由用戶(hù)自己自助完成。比如在線(xiàn)數(shù)據(jù)獲取、在線(xiàn)定位服務(wù)等。 四、總結(jié) 安徽省周邊與江蘇省，浙江省，江西省，湖北省，河南省，山東省交界，處于華東地區(qū)的核心位置，安徽CORS的建設(shè)和應(yīng)用，使華東地區(qū)的CORS站建設(shè)實(shí)現(xiàn)全覆蓋，在華東地區(qū)以后的CORS聯(lián)網(wǎng)工作中將發(fā)揮著不可替代、核心樞紐的作用。目前很多省已經(jīng)建立了省級(jí)CORS，有的正在籌建或正在建設(shè)當(dāng)中，各省級(jí)間需要加強(qiáng)溝通，與周邊省在彼此接邊的地方實(shí)現(xiàn)資源共享，可以減少建站個(gè)數(shù)，節(jié)約資源。隨著CORS技術(shù)的日益成熟和省級(jí)CORS的逐步建立和完善，測(cè)繪的作業(yè)方式必將有一個(gè)變革；同時(shí)，在CORS技術(shù)更深層次的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用還有待進(jìn)一步的努力，與其它領(lǐng)域的合作，比如交通部門(mén)、農(nóng)業(yè)部門(mén)、地震部門(mén)等，還有待進(jìn)一步的深化。參考文獻(xiàn)1劉經(jīng)南,劉暉.簡(jiǎn)歷我國(guó)衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行站網(wǎng)的若干思考 J.武漢大學(xué)學(xué)報(bào),2003年5月：27-31.2劉經(jīng)南.連續(xù)運(yùn)行站參考框架網(wǎng)絡(luò)-21世紀(jì)國(guó)家空間信息重要基礎(chǔ)設(shè)施C見(jiàn)：大地測(cè)量文集.北京：測(cè)繪出版社，1999.3祁芳,劉暉,王敏.廣域查分GPS中用戶(hù)定位算法的研究 J.測(cè)繪信息與工程,2003年6月：18-20.4李征航,黃勁松.GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理M武漢大學(xué)出版社,2005年.5張西光,呂志平.論地球參考框架的維持J.測(cè)繪通報(bào)2009（5），1-4.6劉暉.地球空間信息網(wǎng)格及其在連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)絡(luò)