高精度GPS数据处理中GAMIT批处理方法与实现

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文章编号: 0494-0911( 2012) 01-0003-04 中图分类号: P228． 3 文献标识码: B
一种有效的GPS RTK 高程测量方法
张兴福1，魏德宏1，余旭1，吴江淮2
( 1． 广东工业大学测绘工程系，广东广州510006; 2． 广州市城市规划勘测设计研究院，广东广州510006)
An Effective Method of GPS RTK Height Measurement
ZHANG Xingfu，WEI Dehong，YU Xu，WU Jianghuai
摘要:采用静态与动态测量相结合的模式，可以很方便地获得基准站及流动站相对于平均观测历元时刻的ITRF 框架坐标，与常
规GPS RTK 测量相比，该方法效率高，且获得的结果具有明确的基准定义。利用3 个IGS 跟踪站的数据，分析不同框架及历元下
对应点的大地经纬度及大地高的差异情况，并分析其变化对GPS 高程转换的影响。结果表明，不同框架及历元结果对GPS RTK
高程转换的影响基本可忽略，该方法具有较好的应用价值。
关键词:GPS RTK; 静态和动态测量; 坐标框架; 历元; GPS 高程转换
收稿日期: 2010-11-04
基金项目: 中国科学院动力大地测量学重点实验室开放基金项目( L09-07)
作者简介: 张兴福( 1977—) ，男，山东临沂人，副教授，主要研究方向为卫星重力、GPS 数据处理等。
一、引言
GPS RTK 技术已经被广泛应用到工程测量的
各个领域，如地形图测绘、线路纵横断面图测量、施
工放样以及水下地形测量等［1-2］。GPS RTK 测量可
实时获得流动站相对于基准站的WGS-84 坐标系下
的三维基线向量和相应的精度信息。根据基准站的
坐标可获得流动站对应基准站的坐标，而基准站的坐
标获取一般通过两种方法: ① 通过现场进行单点定
位;② 若该点已进行GPS 测量，则可将测量成果直接
作为该基准站坐标。而在我国，这种成果大部分也是
固定控制网中某一个GPS 点的单点定位结果通过无
约束平差获得的。除非确定基准站准确的WGS-84
坐标，否则均不可能获得流动站的WGS-84 坐标。
本文将探讨一种新的GPS RTK 高程测量方法。
该方法先利用现场单点定位的方法确定基准站坐
标，然后进行动态测量，同时让基准站进行静态测
量，并记录观测数据。动态测量可以获得流动站相
对于基准站的WGS-84 坐标系下的三维坐标差，而
通过对基准站的静态测量数据进行处理可以获得
基准站相对于平均观测历元的ITRF 框架坐标，进而
可获得相应基准的各流动站坐标。数据处理方法可
采用GPS 精密单点定位技术，一般情况下，利用双频
GPS 接收机观测2 h 以上的静态数据，即可获得比较
理想的定位结果［3］。采用该方法所获得的坐标不同
于普通单点定位结果，该成果具有明确的基准定义，
且可消除普通单点定位大地高的不准确性。
二、数值分析
GPS 精密单点定位技术一般获得的是平均观测
历元ITRF 框架的三维空间坐标，可将其转换为
WGS-84 坐标系的大地坐标，不同的ITRF 框架及历
元所对应的坐标会有差异，本文对这种差异进行分
析，重点分析大地经纬度及大地高的变化及其对模
型高程异常计算的影响。
1． 不同历元不同框架下大地坐标变化情况
现选择BJFS、SHAO 和KUNM 3 个IGS 跟踪站的
数据对IGS 站所对应的不同框架及历元的坐标变化
情况进行分析，框架选择ITRF2005 和ITRF2000，每个
框架的历元从1990． 0014 到2010． 0014，间隔为1 年，
每个IGS 站均获得了21 组数据，数据来自SOPAC
( scripps orbit and permanent array center) 网站。图1 ～
图3 为ITRF2005 框架下IGS 站BJFS、SHAO 和
KUNM 在大地纬度、大地经度及大地高方向的变化情
况，其参考基准为2000． 0014 历元，即所有历元的变化
结果是该历元坐标与参考历元坐标的差值。图4 ～
图6 为同一历元， IGS 站BJFS、SHAO 和KUNM 在
ITRF2005 框架和ITRF2000 框架大地坐标差。
图1 ～ 图3 结果显示，在ITRF2005 框架下，若
以2 000． 001 4 历元为基准，3
个IGS 跟踪站大地坐
标3 个分量中，纬度变化范围为± 20 cm，经度变化
范围为± 40 cm，而大地高变化范围仅为± 2． 5 cm。
因此在同一参考框架下，不同历元对点的经纬度影
响较大，而对大地高的影响较小。
2012 年 第1 期 张兴福，等: 一种有效的 GPS RTK 高程测量方法 3
图1 纬度方向变化( ITRF2005)
图2 经度方向变化( ITRF2005)
图3 大地高方向变化( ITRF2005)
图4 纬度方向差异( 框架间)
图5 经度方向差异( 两框间)
图6 大地高方向差异( 两框间)
图4 ～ 图6 结果显示，同一历元， ITRF2005 和
ITRF2000 框架下，3
个IGS 跟踪站大地坐标3 个分量
中，纬度差异为－ 1． 5 ～ 2． 5 cm，经度差异为－ 1． 0 ～
3． 0 cm，而大地高差异仅为－ 0． 4 ～ 0． 8 cm。因此对
同一历元、不同参考框架，点的大地坐标差异较小，
大地高的差异不超过1 cm。
从以上结果可以看出，若以2000． 0014 历元为
基准，无论在ITRF2005 框架还是在ITRF2000 框架
下，同一个点10 年内的大地经纬度变化一般不会超
过40 cm，而大地高的变化一般不会超过2． 5 cm，这
说明不同框架及历元，大地高的变化很小。
2． 大地坐标变化对模型高程异常的影响分析
同一个点在不同历元时刻，点的大地坐标会发
生不同情况的变化。针对这种情况，分析这种变化
对模型高程异常计算结果的影响。
1) 选择IGS 站中的KUNM 站作为模拟计算点，
该点在ITRF2005 框架，2
000． 0014 历元的坐标( B =
39． 608 601 77，L = 115． 892 483 54，H = 87． 438 4) 为
基准数据。在该坐标的经纬度方向模拟± 50 cm 的
随机误差，大地高方向模拟± 5 cm 的随机误差，模
拟误差大小是根据同一个点在不同框架及不同历
4 测绘通报2012 年第1 期
元大地坐标变化情况确定的。
2) 利用2 160 阶的EGM2008 模型及模拟误差
后的坐标计算点的模型高程异常，共模拟500 次。
3) 将500 次模拟误差后计算得到的模型高程
异常和基准数据进行比较。
图7 为点大地坐标变化对模型高程异常的影
响，结果显示，大地经纬度± 50 cm 的误差，大地高
± 5 cm 的误差对模型高程异常计算的影响最大也
不会超过± 0． 05 mm，因此其影响完全可以忽略。
图7 点大地坐标变化对模型高程异常的计算影响
3． 大地高变化与空间直角坐标变化的关系
一般情况下，在给出点( 如IGS 站) 在某一框架
及特定历元时刻坐标的同时，会给出站点在该框架
的坐标变化速度，用于同一框架不同历元坐标归
算，但速度是X、Y、Z 形式的。为了获得大地高变化
速度，可采用如下方法进行转换，对大地坐标与空
间直角坐标的关系式进行微分可得到
dB
dL
d
éêê?
ùúú?
H
= R － 1
dX
dY
d
éêê?
ùúú?
Z
( 1)
式中
R － 1 =
－ ρ
M +Hsin Bcos L － ρ
M +Hsin Bsin L ρ
M +Hcos B
－ ρsin L
( N +H) cos B
ρcos L
( N +H) cos B 0
cos Bcos L cos Bsin L sin
éêêêêê?
ùúúúúú?
B
其中，M、N 分别为子午圈和卯酉圈曲率半径。
则可得到大地高与X、Y、Z 坐标变化的关系式
dH = cos Bcos L·dX + cos Bsin L·dY + sin B·dZ
( 2)
式中，dX、dY 和dZ 表示点的空间坐标变化速度或
变化量。根据点的概略坐标及X、Y、Z 3 个方向的
速度或变化量，利用式( 2) 即可获得大地高的变化
速度或变化量。
三、算例与结果分析
现选择某一工程项目的GPS RTK 数据对本文
方法进行试验，并分析精度。该项目GPS RTK 作业
采用的仪器设备为Trimble 5700( 1 个基准站+ 1 流
动站) ，具体作业方法为: ① 选择一适合GPS 观测
的位置安置GPS 基准站; ② 对该点进行静态测量，
并记录观测数据，数据采样率为15 s; ③ 对基准站
进行设置，基准站的坐标采用现场单点定位方法获
得，精度约为米级，并启动动态测量; ④ 进行GPS
RTK 测量，坐标转换采用点校正的方法，同时对区
域内的水准点进行联测，本次试验中GPS RTK 联测
水准点的概略图如图8 所示，其中实方框表示基准
站，十字丝表示流动站。
图8 GPS RTK 测量概略图
本次GPS RTK 作业半径小于10 km，基准站静
态观测时间约为4 h，采用CSRS-PPP 软件解算基准
站坐标，精密单点定位所获得结果的框架为
ITRF2005，历元为平均观测时刻，大地坐标3 个方向
的内符合精度均优于± 3 cm。利用GPS RTK 技术
共观测了9 个已知水准点，利用解算的ITRF2005 框
架下的基准站坐标以及GPS RTK 技术获得的基准
站与流动站间的坐标差，推求流动站ITRF2005 框架
下的坐标，并将其转换为WGS-84 大地坐标，作为高
程计算的基础数据。
图9 为利用本文方法获得的水准点的WGS-84
坐标以及2 160 阶的EGM2008 模型获得的正常高
与真实正常高的差值图。图9 结果显示，在该测区，
利用点的WGS-84 ( 对应ITRF2005 框架) 坐标及
EGM2008 模型直接进行高程转换的精度约为
± 17 cm，差值绝对值最大不超过20 cm。造成差值
的原因主要有3 点: 地球重力场模型的精度和分辨
率、GPS 单点定位技术获得的点大地高的精度、地球
重力场模型所表示的全球似大地水准面和我国国
家高程基准的偏差。若重力场模型采用EGM2008，
2012 年 第1 期 张兴福，等: 一种有效的 GPS RTK 高程测量方法 5
则可能第三种因素的影响最大。为消除这种偏差，
现利用T1 号点的真实正常高和计算正常高计算偏
差，然后对其他点计算正常高进行校正，校正偏差
后其精度提高到± 2． 4 cm。因此，若在实际测量中
作业区域内没有水准点，则可对靠近测区最近的水
准点进行静态测量，利用GPS 精密单点定位方法解
算该点的ITRF 框架坐标，并计算这种偏差。由于
测量成果基准一致，则可将该偏差用于GPS RTK 测
量区域的高程校正。
图9 计算正常高与真实正常高的差值
四、结束语
本文提出了一种新的GPS RTK 高程测量方法，
该方法通过基准站静态测量以及动态测量相结合
的方法，运用GPS 精密单点定位方法可以获得所有
测量点的ITRF 框架坐标( 可转换为WGS-84 坐标) ，
所获得的结果基准明确，可避免常规GPS RTK 测量
基准站坐标的不确定性偏差，而且静态与动态测量
互不影响。对于水准点稀少甚至无水准点测区的
快速测图工作具有很好的应用价值，基准明确的坐
标也有利于采用后处理方式进行坐标转换和高程
转换，当需要点的较低精度的2000 国家大地坐标和
正常高时，无需进行坐标转换和高程拟合即可获得
相应的结果。
参考文献:
［1］ 喻华． GPS RTK 技术在地籍测量中的应用［J］． 测绘通
报， 2007( 4) : 51-52．
［2］ 王斌，金立新，魏庆朝． GPS 技术在铁路定测放线中的
应用［J］． 测绘通报， 2006( 4) : 45-47．
［3］ 张兴福，刘成，王兵海，等． 无水准数据的GPS 高程转
换方法及精度分析［J］． 大地测量与地球动力学，
2010， 30( 1) :
櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂
114-118．
( 上接第2 页)
由图4 可以看出，该时刻GLONASS 的PDOP 值
在全球大部分地区小于3，仅在一些有限区域出现
PDOP 值大于6 的情况。这表明，GLONASS 卫星星
座设置较合理，其卫星与用户的几何位置关系对用
户定位精度影响较小。
图4 定位精度因子分布图
四、结束语
GLONASS 卫星导航系统近几年发展迅猛，在轨
卫星数目迅速增加，工作卫星数目接近满星座运
行; 与此同时，新一代GLONASS-K 卫星也在积极研
发之中，新一代卫星增加的CDMA 信号也将提高
GLONASS 系统与其他卫星导航系统的互操作性，差
分改正与监测系统( SDCM) 的建立提高了GLONASS
系统的定位精度。GLONASS 系统目前的定位
性能已经得到很大提高，定位精度达到与GPS 同一
数量级，GLONASS 未来的发展将使其定位性能足以
与GPS 相媲美。
参考文献:
［1］ 边少锋，李文魁． 卫星导航系统概论［M］． 北京: 电子
工业出版社， 2005．
［2］ GPS World． GLONASS K-1 Launched，Now Being Tracked
［EB/OL］． 2011-02-28． http: ∥gpsworld． com．
［3］ GPS World． GLONASS Vous to Return to 24 by March
［EB/OL］． 2010-10-08． http: ∥gpsworld． com．
［4］ 文援兰． 卫星导航系统分析与仿真技术［M］ ． 北京: 中
国宇航出版社， 2009．
［5］ Information and Analytical Center． Daily Monitoring［EB/
OL］． 2010-10-23． http:∥www． glonass-ianc． rsa． ru．
［6］ Information and Analytical Center． PDOP Current Values
［EB/OL］． 2010-10-23． http:∥www． gpsworld． com．
6 测绘通报2012 年第1 期】
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2014-10-1 07:37 上传

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