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基于BDS的广东省坐标框架建立及精度分析

刘文建 徐荣攀 李敏 唐卫明 邹璇 施闯

刘文建, 徐荣攀, 李敏, 唐卫明, 邹璇, 施闯. 基于BDS的广东省坐标框架建立及精度分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(6): 874-878. doi: 10.13203/j.whugis20160153
引用本文: 刘文建, 徐荣攀, 李敏, 唐卫明, 邹璇, 施闯. 基于BDS的广东省坐标框架建立及精度分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(6): 874-878. doi: 10.13203/j.whugis20160153
LIU Wenjian, XU Rongpan, LI Min, TANG Weiming, ZOU Xuan, SHI Chuang. Establishment and Accuracy Analysis for Guangdong Coordinate Frame Based on BDS[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(6): 874-878. doi: 10.13203/j.whugis20160153
Citation: LIU Wenjian, XU Rongpan, LI Min, TANG Weiming, ZOU Xuan, SHI Chuang. Establishment and Accuracy Analysis for Guangdong Coordinate Frame Based on BDS[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(6): 874-878. doi: 10.13203/j.whugis20160153

基于BDS的广东省坐标框架建立及精度分析

doi: 10.13203/j.whugis20160153
基金项目: 

国家重点研发计划项目 2016YFB0501800

详细信息

Establishment and Accuracy Analysis for Guangdong Coordinate Frame Based on BDS

Funds: 

The National Key Research and Development Program of China 2016YFB0501800

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图(7) / 表(4)
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-01-11
  • 刊出日期:  2018-06-05

基于BDS的广东省坐标框架建立及精度分析

doi: 10.13203/j.whugis20160153
    基金项目:

    国家重点研发计划项目 2016YFB0501800

    作者简介:

    刘文建, 博士, 主要从事CORS技术及其应用研究。13760625230@126.com

    通讯作者: 徐荣攀, 工程师。xurongpan@163.com
  • 中图分类号: P228

摘要: 利用广东省BDS地基增强系统中的北斗观测数据,采用武汉大学高精度GNSS数据处理软件PANDA,实现了广东省BDS基准站网的高精度坐标解算,重复性精度指标为平面方向0.37 cm,高程方向0.74 cm。基于该结果建立的以BDS基准站网为主的广东省坐标框架,与GPS建立的坐标框架对比发现,平面及高程方向精度分别为0.50 cm、0.94 cm、满足国家二等控制网平面方向5 mm、高程方向10 mm、相对精度不低于1×10-7的精度要求。

English Abstract

刘文建, 徐荣攀, 李敏, 唐卫明, 邹璇, 施闯. 基于BDS的广东省坐标框架建立及精度分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(6): 874-878. doi: 10.13203/j.whugis20160153
引用本文: 刘文建, 徐荣攀, 李敏, 唐卫明, 邹璇, 施闯. 基于BDS的广东省坐标框架建立及精度分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(6): 874-878. doi: 10.13203/j.whugis20160153
LIU Wenjian, XU Rongpan, LI Min, TANG Weiming, ZOU Xuan, SHI Chuang. Establishment and Accuracy Analysis for Guangdong Coordinate Frame Based on BDS[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(6): 874-878. doi: 10.13203/j.whugis20160153
Citation: LIU Wenjian, XU Rongpan, LI Min, TANG Weiming, ZOU Xuan, SHI Chuang. Establishment and Accuracy Analysis for Guangdong Coordinate Frame Based on BDS[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(6): 874-878. doi: 10.13203/j.whugis20160153
  • 近年来,利用卫星导航系统建立的坐标框架,在工程应用及大地测量学相关研究中的作用日益突出[1]。随着北斗卫星导航系统(BDS)的建成及投入使用,BDS在国民经济生活中的地位与贡献显著提高。而目前,中国各省市在建立坐标框架时,基本依赖于GPS,或仅以BDS为辅助,不利于BDS的发展和普及应用[2-4]。因此,在对BDS建立坐标框架时的精度进行评估后,建立以BDS基准站网为主的坐标框架,对国防、经济建设都将具有重要意义[5]

    广东省连续运行卫星定位服务系统(Guangdong Continuously Operating Reference Stations,GDCORS)自2006年启动建设以来,已发展成为由88个连续运行参考站组成的连续运行参考站网系统[6]。2015年,为了使基准站支持北斗卫星信号的跟踪,根据广东省国土资源厅的通知,要求对广东省坐标框架开展BDS的升级工作,升级更换了58个不支持北斗卫星信号跟踪的基准站的天线。由于天线更换导致坐标框架的变化,需重新确定广东省坐标框架,并对基于BDS建立广东省坐标框架的可行性及精度进行评估,从而使更新后的框架能够提供基于BDS卫星的高精度导航定位服务。因此,本文利用高精度GNSS数据处理软件PANDA[7-8],建立了以BDS基准站网为主的广东省坐标框架,并与利用GPS观测数据建立的坐标框架进行了对比分析,结果表明,基于BDS建立省级坐标框架是可行的,精度等相关指标满足规范要求[9]

    • GPS高精度数据处理技术目前已发展的较为成熟,一般采用可消除或削弱大部分误差的双差处理技术,如GAMIT、Bernese软件所采用的数据处理模式,以及利用PPP技术如GIPSY软件。对北斗的高精度数据处理软件PANDA则采用非差数据处理模式进行精密定位。本次北斗精密定位以单天24 h为计算弧段,利用非差无电离层载波相位组合观测值LC和无电离层伪距组合LP,数据处理间隔300 s,未能精确模型化的误差因素, 将通过参数估计模块吸收[10]

    • 本次框架建立精度评定办法主要包括:①BDS精密定位结果重复性分析,该结果可反映BDS卫星精密定位解算精度;②BDS建立的框架与利用GPS建立的框架比较分析,通过该结果可比较两系统在建立坐标框架时的具体差异信息。

    • 广东省位于中国大陆最南部,位于北纬20°13′~25°31′和东经109°39′~117°19′之间。自2006年,广东省连续运行卫星定位服务系统启动建设,如图 1所示,经过一期布设、二期加密,形成了由88个连续运行参考站组成的连续运行参考站网,该系统基于GPS观测数据,借助GAMIT/GLOBK建立。为将BDS纳入合理应用范畴,于2015年升级更换了58个不支持BDS卫星信号跟踪的基准站天线,并导致坐标框架的变化,从而需重新确定广东省坐标框架。

      图  1  广东省坐标框架点位分布

      Figure 1.  Distribution of Guangdong Province Coordinate Frame Stations

    • 高精度GNSS数据处理软件PANDA采用非差无电离层载波相位组合观测值LC和无电离层伪距组合观测值LP。观测模型处理策略及估计参数见表 1[11-12]

      表 1  观测模型处理策略及估计参数

      Table 1.  Strategy and Parameter of Observation Model

      参数 模型 先验约束
      观测量 LC和PC非差组合观测值 L1 0.02周, P1 1.0 m
      截止角 10°
      处理间隔 300 s
      卫星轨道 BDS固定为武汉大学发布的最终精密星历;GPS固定为IGS的最终精密星历
      卫星钟差 GPS固定为IGS最终精密卫星钟差;BDS固定为武汉大学发布的最终精密卫星钟差
      接收机钟差 估计 300 m
      测站坐标 估计 随机过程噪声10 m
      测站坐标改正 地球固体潮、极移潮汐、海洋潮汐等
      EOP 固定为IERS
      对流层改正 Saastamoinen模型+过程噪声 5~10 mm/h
    • 基于上述数据处理策略,解算广东省BDS地基增强系统中所有站点连续5 d的BDS与GPS观测数据,分别得到BDS及GPS的单天解算结果。图 2图 3分别为BDS和GPS解算结果的重复性RMS统计, 表 2表 3为统计结果。

      图  2  BDS单天解算结果重复性

      Figure 2.  BDS Results Repetition of Each Single Day

      图  3  GPS单天解算结果重复性

      Figure 3.  GPS Results Repetition of Each Single Day

      表 2  BDS单天解算结果重复性统计表

      Table 2.  Repetition Statistics of Each Single Day About BDS Results

      时间/d RMS/cm
      E N U
      1 0.30 0.23 0.96
      2 0.27 0.21 0.55
      3 0.31 0.13 0.61
      4 0.22 0.12 0.47
      5 0.50 0.20 1.11
      均值 0.32 0.18 0.74

      表 3  GPS单天解算结果重复性统计表

      Table 3.  Repetition Statistics of Each Single Day About GPS Results

      时间/d RMS/cm
      E N U
      1 0.25 0.18 0.69
      2 0.16 0.11 0.33
      3 0.26 0.18 0.58
      4 0.10 0.12 0.32
      5 0.12 0.11 0.37
      均值 0.18 0.14 0.46

      图 2图 3可以看出,BDS与GPS解算结果重复性精度在平面方向均优于高程方向。BDS解算结果在北方向精度最佳,等同于GPS;东方向在某些天稍差于GPS,但处于同一量级。

      表 2可知,BDS解算结果的重复性RMS为东方向(E)0.32 cm、北方向(N)0.18 cm、高程方向(U)0.74 cm。表 3表明,GPS解算结果重复性精度稍高于BDS解算精度。RMS分别达到东方向(E)0.18 cm、北方向(N)0.14 cm、高程方向(U)0.46 cm。相对于BDS解算结果,高程方向重复性精度有所提高,分析可能与BDS的精密轨道与钟差产品以及天线相位中心改正等相关。

    • 中国于2008-07-01起正式启用地心三维大地坐标系CGCS2000作为国家法定坐标系[13]。广东省在实现坐标框架时所采用的坐标系即为2000国家大地坐标系。CGCS2000的定义与国际地球参考系ITRF的定义一致,长半轴a、扁率f、地心引力常数GM及旋转角速度ω与IERS和IUGG的推荐值保持一致[14]。CGCS2000的坐标框架由大约2 500个GPS点在ITRF97内的联合平差得到,参考历元为2000.0,坐标精度达到厘米级水平[15]

    • 为将精密定位解算结果归算至CGCS2000坐标系下,必须提供已知点作为框架基准点。基于BDS及GPS各天解算结果,选取22个未进行天线更换、站址未变迁且框架坐标长期相对变化较小的基准站作为强约束站点来定义参考框架。利用PANDA软件的Powernet平差模块,通过去除先验约束、恢复法方程、粗差分析、引入系统误差参数、法方程叠加及参数估计等,最终确定58个新更换天线后的基准点坐标。强约束站点的分布如图 4所示。

      图  4  强约束站点分布图

      Figure 4.  Stations Distribution with Strong Constraints

    • 图 5为BDS与GPS建立的坐标框架平差结果分别在ENU方向的定位差异信息。由单独BDS及单独GPS系统建立的坐标框架,平面方向具有很好的一致性,其差值基本在0.5 cm之内;高程方向相较平面方向则较为分散,总体上可达到2 cm之内,个别站点差值大于3 cm。RMS统计结果为E方向0.34 cm,N方向0.29 cm,U方向1.11 cm。随着BDS星座及精密产品的优化,其精度将会有进一步提高。

      图  5  BDS、GPS平差结果各方向比较

      Figure 5.  Comparison of Each Direction Between BDS and GPS

      为了进一步分析基于BDS建立的广东省坐标框架精度,就该框架与利用GAMIT/GLOBK软件基于GPS观测数据建立的坐标框架进行了比较。GAMIT/GLOBK是由美国MIT和SIO共同研制的高精度GPS数据处理软件包,在利用精密星历的情况下,长基线解的相对精度能够达到10-9左右,是世界上优秀的GPS解算软件之一[16]。对比结果如图 6表 4所示。

      图  6  BDS(PANDA)与GPS(GAMIT)建立的坐标框架比较

      Figure 6.  Coordinate Frame Comparison Between BDS(PANDA) and GPS(GAMIT)

      表 4  BDS(PANDA)与GPS(GAMIT)建立的坐标框架差异RMS/cm

      Table 4.  RMS of Coordinate Frame Comparison Between BDS(PANDA) and GPS(GAMIT)/cm

      系统 RMS
      E方向 N方向 U方向
      GPS 0.19 0.20 0.42
      BDS 0.40 0.30 0.94

      图 6中右斜线为PANDA软件利用BDS观测数据建立的坐标框架与GAMIT软件基于GPS数据建立的坐标框架互差RMS。由表 4中可知,BDS(PANDA)和GPS(GAMIT)建立的框架差异为平面方向0.50 cm,高程方向0.94 cm。该结果与BDS重复性检验结果(平面0.37 cm,高程0.74 cm)基本一致。

      图 6中左斜线为PANDA软件利用GPS数据建立的坐标框架与GAMIT软件利用GPS数据建立的坐标框架互差RMS。表 4表明,GPS(PANDA)和GPS(GAMIT)所建立框架差异平面方向为0.28 cm,高程方向0.42 cm,与PANDA软件解算的GPS重复性检验结果(平面0.23 cm,高程0.46 cm)基本一致,符合性较好。

      图 7给出了利用PANDA软件基于BDS建立的坐标框架与利用GAMIT基于GPS建立的坐标框架各点位之间的差值。可以看出,部分站点在高程方向差异较大,而平面方向差异则基本集中在1 cm之内。

      图  7  BDS(PANDA)、GPS(GAMIT)建立的框架差异

      Figure 7.  Coordinate Frame Difference Between BDS(PANDA) and GPS(GAMIT)

    • 本文利用BDS观测数据,实现了BDS的高精度定位解算,建立了国内首个基于BDS的省级坐标框架,精度分析表明,该框架与利用GPS建立的框架精度处于同一量级,均可达到毫米级,满足国家规定的在建立区域坐标参考框架时,二等控制网的精度要求。初步结果表明,BDS可实现区域精密定位,可广泛应用于国内各省市坐标框架的建立。

参考文献 (16)

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