GPS城市控制网改造思路研究

1 全球定位系统的应用及其发展

目前, GPS已广泛的应用于海空导航、车辆调度与导航、导弹制导、电离层监测、地壳运动监测、精密定位、工程测量与放样、变形监测、设备安装, 时间传递、速度测量等众多领域, 越来越与我们的工作生活戚戚相关。

尤其是在测绘领域, GPS已被广泛应用于测绘的各个方面, 并己完全取代常规测距, 测角技术建立大地控制网。我国于1992年利用全球导航定位技术在全国建立了由28个点组成的国家A级GPS控制网, 平差后地心坐标精度优于0.1m, 边长相对精度优于1×10-8, 后又经过两次复测, 精度达到3×10-9, 1996年完成了由730个点组成的国家B级GPS网, 平差后地心坐标精度0.1m, 基线边长相对精度2×10-8。高程为3×10-8。此后又建成了GPS连续运行站网以及中国地壳运动观测网络, 完成了应用空间大地网与ITRF框架建立高精度地心坐标系的理论和方法的研究和实践, 即将成为我国现代大地测量和基础测绘的基本框架。

在这种情况下, 应用GPS建立城市和工程控制网是大势所趋, 既是在地方体现全国大地基准的需要, 也是GPS应用发展的需要。全球定位技术已成为城市基础地理信息设施建设的重要技术保障。

2 全国大地基准及其坐标框架

我国建立现代化的大地基准, 既是适应“数字中国”建设的需求, 也是与国际接轨的大势所趋。新的全国大地基准统一采用“2000国家大地坐标系” (英文名称China Geodetic Coordinate System 2000, 简称CGCS2000) 。

原点:包括海洋和大气的整个地球的质量中心;

长度单位:引力相对论意义下局部地球框架中的米 (SI) ;

定向:初始定向由1984.0时BIH (国际时间局) 定向给定;

定向时间演化:定向的时间演化不产生相对地壳的残余全球旋转;

CGCS2000大地坐标系是右手地固直角坐标系。原点在地心:Z轴为国际地球旋转局 (IERS) 参考极URP方向, X轴为IERS的参考子午面 (IRM) 与垂直于Z轴的赤道面的交线, Y轴与Z轴和X轴构成右手正交坐标系。

CGCS2000的参考历元为2000.0;

参考椭球采用2000参考椭球, 其定义常数是;

长半轴:a=6378137m;

地球 (包括大气) 引力常数:

地球动力形状因子:

地球旋转速度:

正常椭球与参考椭球一致。

任何一个坐标系都需要坐标框架来实现, 我国2000国家大地坐标系相应的坐标框架是国家GPS2000网, 它的定义与国际地球参考系统 (ITRS) 相同。其框架的选择是以国际IGS站和国内IGS站以及国内连续运行的GPS永久跟踪站 (主要是“网络工程”的基准站) 为基础, 再将国内所有站址保存完好的GPS观测站 (约2000个左右GPS站) 的数据与这些永久跟踪站数据一起平差, 构成我国新一代地心坐标参考框架。

3 城市控制网的现代化

随着科学技术与社会经济的飞速发展, 信息化时代已经到来:空间数据基础设施 (SDI) 是支撑并形成信息化社会的一个必备的基础设施。一个开放性的空间数据基础设施所要解决的主要问题和具备的基本功能就是实时地为所有的用户提供精确可靠的时间和空间信息。连续运行的GPS卫星参考站网综合服务系统就是当代最为有效的空间数据基础设施之一。由利用全球卫星定位技术在一定地域建立若干永久性、连续性卫星跟踪站 (或基准站) 及相应实时播发站, 用户再通过各种数据通信手段, 结合自身的卫星跟踪观测数据, 实时获得带有时间标志的位置信息, 用于实时精密导航、高精度快速实时定位、三维放样和各类变形监测, 从而为城市规划、施工建设、国土与地籍管理、基础测绘、环境监测、灾害预测、天气预报、交通监管、精细农业等服务, 将为城市信息化提供了一个强有力的基础设施和物质保障。这是城市全球定位综合服务系统技术兴起与发展的必然的趋势。

在跨入新世纪以来, 香港、深圳、上海、广州、北京、苏州等城市都先后投入巨资, 开始建设城市多用途空间信息服务参考网系统。香港卫星定位参考站网由12个连续运行参考站组成。分两期建设, 分别在2001, 2002年完成, 用户在10km半径内能找到至少2个参考站供测量使用。深圳市连续运行卫星定位服务系统由10个GPS卫星连续观测跟踪站组成, 一期工程完成4个跟踪站建设, 现在进入试用阶段。上海市GPS综合应用网由14个GPS基准站组成, 形成以上海为中心覆盖整个长江三角洲地区的GPS气象服务网, 已基本建成, 正在试运行中。广州市的基准站网由10个基准站所组成。北京市全球卫星定位综合服务系统, 将由28个GPS卫星连续跟踪站组成, 2003年初己启动, 一期为试验工程, 在规划区内建立5个跟踪站, 已初步建成, 正转入数据采集处理和应用试用期, 然后再逐步扩大。在我国的一些直辖市和中心城市也都在积极酝酿建立城市全球定位综合服务系统, 位于长三角地域的苏州市也已建立了基准站网。

4 城市控制网现代化建设的任务

为实现城市控制网的现代化, 必须新建三维地心坐标系, 这就首先需要建立由若干点组成的城市基准站网, 网中须联测包括IGS站在内的国内若干个连续运行站, 采用GAMIT和GLOBK软件作数据处理。

将基准站点作为遍布全市的首级GPS控制网的固定点, 不仅能提高城市GPS网的精度。而且能获得所有控制点基于ITRF框架的三维地心坐标, 从而推进RTK新技术的应用, 使每个控制点都兼有WGS84及CGCS2000三维精确坐标, 都能方便地成为实施RTK技术的基准站, 从而实现城市测量定位控制网的现代化, 在空间数据基础设施建设方面步入国际先进行列。为此须进一步研究对GPS附合网作三维平差的合适的方法。

还须研究如何将首级控制网点的三维地心坐标转换到现有的城市独立坐标, 不仅要求实现精确严密的转换关系, 而且要求经转换后基础控制网和原有首级GPS控制网两网重合点上的坐标较差为最小, 从而维持原有二维坐标系的框架。但与以往的习惯做法不同, 不再以国家参考椭球面作为过渡, 而是要使其高斯平面直角坐标与大地经纬度、大地高及三维直角坐标有着完全严密的对应关系, 均基于与城市投影面密切吻合的区域性椭球面。

摘要：本文基于笔者长期参与城市控制网改造的相关工作经验, 从宏观的角度探讨了GPS城市控制网的改造思路, 具体分析了城市控制网现代化的目标和任务, 全文建立在笔者所在城市深圳控制网改造的具体实践基础上, 但笔者并未单纯地探讨技术, 而是由实践中引申出对全局的看法, 相信对从事相关工作的同行有着一定的参考价值和借鉴意义。

关键词：GPS,城市控制网,现代化