深入探讨GPS城市控制网改造方法

2022-09-10

1 全国大地基准及其坐标框架

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。

国家GPS2000网是一个三维的、动态的、高精度和实用的大地坐标框架。这个空间大地控制网的启用, 将使我国大地坐标框架在三维和高精度方面走上一个新的台阶。但在另一方面, 该网点的平均密度仅为1∶70km×70km。也就是平均9幅1∶5万比例尺的地形图中才能找到一个GPS2000网点分布疏密亦不均匀。因此GPS2000网要真正成为实用的国家大地坐标框架, 要服务于全国广大 (静态) 定位用户 (不论是二维的还是三维的) , 面临的主要问题是GPS2000的点数过少。因而GPS点的加密以及GPS服务网的建立将是全国各地地理信息基础设施建设的重要组成部分。

2 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。

然而, 值得注意的一个问题是, 不少城市在建立了基准站网后并未用此促进日常应用的城市控制网的发展和提高, 基准站网点所获得的基于ITRF框架的高精度三维地心坐标既未用于提高城市控制网的精度, 更未与日常应用的通常属于独立地方坐标建立必要的联系和转换关系。而这无疑应列入为城市控制网的现代化的重要内容, 但至今尚未引起重视。

3 建设的目标

全国绝大多数城市的坐标框架仅是二维的、平面的, 因此能提供的成果仅是这些控制点在地方独立坐标系中的高斯平面直角坐标。即使从90年代起很多城市采用GPS技术对城市控制网作了改造, 情况亦是如此。因就独立坐标系而言, 所提供的大地经纬度和大地高近似地基于国家参考椭球面, 而不是与平面坐标相对应的区域性椭球面上应有的大地经纬度、大地高。所给出的三维直角坐标情况也相类似, 属于某种含义不清的参心坐标系。

由于真正的成果仅是平面坐标, 这就难以实现城市坐标与三维地心坐标间的精确转换, 以致在设立RTK基准站时会遇到一些技术障碍。

长期以来由于受科技水平的限制, 点位的测定和表示总是分解为平面和高程位置两个方面, 这当然称不上是在一个统一三维坐标系中的三维坐标, 但出于无奈。人们也就满足于二维的平面坐标。随着空间技术和虚拟技术的发展, 现代城市控制网最好也同时具有符合客观空间实际的三维地心坐标, 这将是城市测量技术的一个发展趋势。2003年国家测绘部门己面向全国提供了以GPS2000网为坐标框架的三维地心坐标, 因此在城市控制网现代化改建中, 就应考虑在城市实现三维地心坐标系, 使与国家的建设步伐一致, 并与国际接轨。而从实用上说, 城市三维地心坐标框架的建立又将有力地推动GPS实时动态定位技术 (RTK) 的发展和普及, 并将有力地促进城市基础地理信息建设。

4 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广州控制网改造的具体实践基础上, 是笔者长期工作实践基础上的理论升华, 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,目标,任务