2017, Vol. 42引用本文 |
| HiCORS应用于远海岛 (礁) 控制测量的可行性研究 |  [PDF全文] |
2. 海岛 (礁) 测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室，山东 青岛，266590
2. Key Laboratory of Surveying and Mapping Technology on Island and Reef, NASG, Qingdao 266590, China
海南连续运行卫星定位综合服务系统 (HiCORS) 是海南国际旅游岛数字地理空间框架基准参考框架和基础设施之一，是在全面收集国家各部委在海南岛已建成或计划建的站点信息的基础上，统一规划，逐步实施，边建设、边服务、边完善。HiCORS系统由22座基准站和1个数据服务中心组成，从2011年7月1日开始正式进入试运行，为岛内用户提供全天候、全岛覆盖、高精度、动态、实时定位的测绘保障服务。目前，已有岛内测绘、气象、国土、规划、水利、农业和林业等行业共127家单位申请使用，系统月平均使用时间约1万小时，得到用户的高度认可。
精确的海岛 (礁) 测绘数据对宣示我国领海主权、维护海洋权益、开发海洋资源具有重要意义[1]。常规的GNSS (global navigation satellite system) 技术手段一般满足大陆架20 km以内的测绘需求[1, 2]，而我国对离岸上百km甚至上千km的远海海岛 (礁) 的测绘需求越来越紧迫。基于海岛 (礁) 分布于远海的分散性和海岛 (礁) 面积大小不一的特点，考虑到海上作业的安全问题和提高工作效率，本文提出了利用HiCORS向远海海岛 (礁) 传递国家坐标的技术可行性研究。实现将大陆架CORS (continuously operating reference stations) 站的2000国家大地坐标系成果传递至远海海岛 (礁)，为GNSS技术在海岛 (礁) 测绘中的推广应用提供技术依据。
1 远海岛 (礁) 与HiCORS联测网网形设计本文选取西沙群岛为实验区。由于远海海岛 (礁) 分布较分散，海上交通不便，且远海作业具有不确定性的危险性，因此，基于远海海岛 (礁) 的GNSS控制网网形设计应优先考虑作业安全性因素。在外业观测时，以岛屿为单位，每个岛屿的控制点均与永兴岛上的两个控制点同步观测，并与HiCORS基准站构成联测网，从而将大陆架CORS站的2000国家大地坐标系成果传递至远海海岛 (礁)。本文基于HiCORS基准站分布情况及网形结构，利用新港、澄迈、琼中、崖城4个基准站，与远海海岛 (礁) 的GNSS控制网构成联测网，作为控制网起算的依据。
远海海岛 (礁) 与HiCORS联测网网形设计如图 1所示。其中，最长边466 km，最短边94 m。
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| 图 1 网形设计图 Figure 1 GNSS Network |
2 基线解算模型分析
本文利用GAMIT软件对远海海岛 (礁) 与HiCORS联测网进行基线解算，研究在长距离坐标传递中，长基线和短基线同时存在对GNSS控制网的基线解算质量所产生的影响，分析GAMIT软件提供的各种基线解算模型在长基线和短基线解算中的适用性。
2.1 长基线解算模型分析由于LC_AUTCLN和LC_HELP基线解均为基于无电离层组合载波相位观测值，区别为如何计算LC整周模糊度[3, 4]。为进一步分析GAMIT软件中针对长基线提供的LC_AUTCLN和LC_HELP模型的可靠性，本文在实验区分别选取3条长基线进行实验，基线长分别为466 km、350 km、101 km。
本实验对长基线解算的参数设置如表 1所示。
| 表 1 长基线解算模型及参数设置 Table 1 Long Baseline Solution Model and Parameter Settings |
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利用IGS精密星历，分别对3条长基线的7 h观测时长从第1个小时开始，每1 h递增，分成6个观测时长，并以各条基线的7 h基线解作为参考值进行较差比对，分析LC_AUTCLN和LC_HELP两种基线解在处理长基线的可靠性。
由图 2~图 4可知：在中低纬度地区，LC_AUTCLN和LC_HELP两种基线解算模型对于400 km以内的长基线，模糊度在连续观测达4 h基线解才基本收敛，主要是中低纬度电离层影响较严重。LC_AUTCLN和LC_HELP的两种基线结果基本符合，LC_AUTCLN模型略优于LC_HELP模型，其原因是在解算宽巷模糊度时，LC_AUTCLN采用伪距码，而LC_HELP则采用电离层约束[5, 6]，由于在赤道附近电离层影响较严重，因此，LC_AUTCLN在赤道附近的基线解的稳定性略优于LC_HELP。
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| 图 2 466 km长基线解较差分析图 Figure 2 Analysis Diagram of 466 km Long Baseline Solution |
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| 图 3 350 km长基线解较差分析图 Figure 3 Analysis Diagram of 350 km Long Baseline Solution |
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| 图 4 101 km长基线解较差分析图 Figure 4 Analysis Diagram of 101 km Long Baseline Solution |
2.2 短基线解算模型分析
本文对3种基于双频数据的短基线解模型L1_ONLY/L2_ONLY/L1, L2_INDEPEND进行实验，分析GAMIT软件中针对短基线提供的各种解算模型的可靠性，并与LC_AUTCLN进行比较。分别选取两条短基线进行实验，基线长分别为94 m、580 m。
本实验对短基线解算的参数设置如表 2所示。
| 表 2 短基线解算模型及参数设置 Table 2 Short Baseline Solution Model and Parameter Settings |
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利用IGS精密星历，分别对两条短基线的6 h观测时长从第1个小时开始，每1 h递增，分成5个观测时长，并以各条基线的6 h基线解作为参考值进行较差比对，分析多种基线解模型在处理短基线的可靠性。
由图 5和图 6可知：中低纬度地区600 m以内的短基线，经2 h观测基线解收敛。L1, L2_INDEPEND模型的可靠性最佳，L1_ONLY模型次之，然后是L2_ONLY模型。LC_AUTCLN相对于其他3种短基线解算模型的可靠性稍差，其原因是LC_AUTCLN是采用模型改正，适合处理长基线[7]。因此，对于短基线，可采用L1, L2_INDEPEND和L1_ONLY模型进行计算。
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| 图 5 94 m短8基线解较差分析图 Figure 5 Analysis Diagram of 94 km Short Baseline Solution |
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| 图 6 580 m短基线解较差分析图 Figure 6 Analysis Diagram of 580 km Short Baseline Solution |
3 远海岛 (礁) 与HiCORS联测网算例分析 3.1 实验数据情况
根据实验区的网形设计，利用西沙群岛某工程项目中的部分GNSS观测资料，选取2012年6月2日、5日两天5个控制点的GNSS观测资料，采样率为5 s，分两个时段观测，每个时段3.5 h。同时收集HiCORS的澄迈、崖城、新港和琼中共4个基准站的GNSS观测资料，采样率为5 s，观测时长为24 h。星历采用事后精密星历。
对于短基线 (小于10 km)、中长基线 (小于100 km) 和长基线 (大于100 km)[8]，根据上述基线解算模型分析，短基线采用L1, L2_INDEPEND模型，中长基线和长基线采用LC_AUTCLN模型计算。
3.2 结果分析评价GAMIT软件基线解算结果是否合格主要有以下两个标准：
1) 是否有足够数据量进行合理的计算和精度评估。基线解算结果中基线分量的精度是衡量这个标准是否满足的标志[3, 10]。本实验基线分量的精度均小于对测站坐标所加的约束，说明基线解算结果合格。
2) 基线解算结果是否符合精度评估模型。单天解的标准化均方根残差nrms (normalized rms) 是衡量这个标准是否满足的标志[3]。nrms的理论值为1，但在实际应用中合格的基线解算结果通常为0.2左右[4]。本实验数据基线解算单天解的nrms均小于0.3，说明基线解算结果合格。
评价GAMIT软件基线解算结果的质量在以上两个主要标准的基础上，通常还需评估多时段基线重复性来衡量基线解的质量。
联测网共有80条基线参与重复基线统计，重复基线精度统计结果见表 3和图 7。
| 表 3 重复基线精度统计表/条 Table 3 Repeat Baseline Statistics |
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| 图 7 重复基线精度统计图 Figure 7 Statistical Chart of Repeat Baselines |
由表 3和图 7可知，控制网重复基线精度绝大部分都分布在1/3限差内，且均在规范限差范围内，说明基线解的内部精度非常可靠。
4 结束语本文基于海岛 (礁) 分布于远海的分散性和海岛 (礁) 面积大小不一的特点，考虑到海上作业的安全问题和提高工作效率，开展了利用HiCORS向远海海岛 (礁) 传递国家坐标的技术可行性研究。本文基于GAMIT软件，对长基线和短基线同时存在对GNSS控制网基线解算质量的影响进行了研究分析，并提出了最佳基线解算方案。从算例分析结果可知，远海海岛 (礁) 与HiCORS联测网基线解的内部精度非常可靠。本实验为GNSS技术在海岛 (礁) 测绘中的推广应用提供了技术依据。
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