来源：《武汉大学学报·信息科学版》2018年12期
作者：程鹏飞, 成英燕
第一作者：程鹏飞, 博士, 研究员, 主要从事卫星大地测量和大地坐标系方面的研究工作。
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摘 要：2000国家大地坐标系(CGCS2000)发布后的推广使用不仅涉及大量参心坐标系下的成果转换，同时也涉及基于全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)手段获得的点位坐标的归算。获取GNSS观测数据和将其归算到CGCS2000采用的策略方法不同，如参考站选择原则不同，整网平差前的分区方案不同以及采用不同的方法将位置从当前历元改正到CGCS2000等，将会使最终的CGCS2000系下的坐标差异较大，最大可达到分米级。造成这种结果的原因在于GNSS数据处理的多个环节中依赖数据处理软件操作者的理解，存在人为的选择，换言之，GNSS数据处理缺乏科学的规则为依据。鉴于此，采用一种统计方法，即监督聚类作为参考站选择规则;采用间距分区法进行区域划分;并用板块运动归算方法将当前历元位置改正到CGCS2000。其中基于间距分区方案的站坐标解算精度优于区域划分方案，三维方向的坐标精度优于2 mm。通过以上方案设计，X、Y、Z方向上的速度从0.92、0.72、0.97 mm/a分别降至0.19、0.45、0.32 mm/a，优化和改进了CGCS2000框架维持精度。
关键词：CGCS2000 监督聚类 板块改正 间距分区 均衡性评价
从获取全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)站观测数据，到站坐标归算至CGCS2000，需要经历基准站选取、数据处理、站坐标归算等过程。首先，由于已知点选取的不同，后续处理站点基于的基准不同;其次，数据处理时如果采用国际高精度数据处理软件(GAMIT、BERNESE等)，若站点较多，超过了软件允许的范围，需要进行分区处理，不同的分区策略也将对数据处理结果产生影响;再则，在获得平差站坐标后需要归算到CGCS2000，而归算方法的不同对结果会产生很大的影响。基于上述原因，本文主要介绍基于GNSS观测数据到CGCS2000归算过程中的优化策略，并和常规方法进行比较，同时就以上几个环节的不同策略和方法进行定性和定量分析，并给出实例和相关结论，供相关应用借鉴。
1 基准站选取
框架是坐标系的具体实现。基准站在框架维护中实际上起骨架作用，确定框架相对于理论定义坐标系的相对位置关系;基准站选取越科学，坐标系实现越精准。框架实现涉及基准站数量、基准站质量、基准站分布等内容。
1.1 基准站选取原则
本文主要基于国家基准网数据处理过程具体说明选取准则。首先利用全球框架站点时序等资料，按照国际通用标准，并基于以下原则对各测站的数据质量进行分析：①连续性原则，测站在近3 a(或以上)进行连续观测，剔除观测年数不够以及处理过程中不连续和观测质量较差的站点。②稳定性原则，站点坐标时序稳定性好，具有稳定“可知”的点位变化速度。③高精度原则，速度场精度优于3 mm/a。④多种解原则，至少3个不同分析中心的速度场残差好于3 mm/a。⑤平衡性原则，站点尽量全球分布。⑥精度一致性原则，站点的位置和速度的精度应当一致。
在此基础上，本文提出监督分类七参数法对测站进行精选[1-4]。在一个板块(或块体)上，各站的速度大小和方向应当基本一致，而且在空间上的变化应是逐渐的。本文采用的主要方法是以板块运动模型划分的板块边界作为地学资料。对于粗选取的框架点，首先将实测的(X, Y, Z)的速度(VX , VY , VZ )按式(1)转换为平面速度(Ve , Vn )，再根据式(2)拟合板块模型欧拉矢量参数(ω'x , ω'y , ω'z )。
式中，r 为半径;( φ, λ )为站点的纬度、经度。
用求出的模型参数(ω'x , ω'y , ω'z )计算每个测站的速度，称为模型速度。同时计算速度矢量的方位角，将各站的模型速度和方位角与实测速度和方位角相比较，剔除残差项绝对值分别大于2σ1 和2σ2 的测站：
式中，σ1 为板块内测站模型速度残差的中误差;σ2 为方位角残差中误差;Λ为速度的方位角。
基于上述原则，在国际地球参考框架(international terrestrial reference frame，ITRF)站中选取了92个国际站作为框架站，这些站可作为我国基准框架数据处理的基准站，其分布见图 1。图 1中红色三角是采用监督聚类法选取的92个国际GNSS服务(international GNSS service, IGS)站。
图 1 全球框架站点分布
1.2 测站分布均衡性评价方法
研究表明，测站的分布对计算结果会产生一定的影响，基准站分布均匀，可使参数估计更精确可靠。最小二乘平差方法一方面要求观测值要尽量多且精度要高，另一方面要求测站尽可能均匀地分布在整个稳定地区，使关系矩阵有较强的结构。在一个板块上，站点的分布一般是不均匀的，所以应根据站点覆盖面积最大、分布尽量均匀的原则来布站，这样不仅有利于卫星定轨，也可使基准构架更合理。基于以上考虑，本文提出了站点的分布均匀化评价准则。
理论上讲，如果选择的站点均匀分布在地球表面上，则求取网的重心坐标应该接近于坐标原点(地心)，将此作为测站分布合理性评价指标，公式为：
式中，(X0, Y0, Z0 )为重心坐标; N为测站数。
考虑到站点分布在地面上，不完全是理想的椭球面，受地面高低起伏的影响，X、Y、Z 满足上述条件比较难，因此将网的重心坐标转换成大地坐标。则评价标准为网的重心坐标经度应接近起始子午面，反映站点分布东西对称;纬度接近赤道，反映站点分布南北对称; 大地高接近地心。
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