安徽省水利水电勘测设计院勘测分院安徽蚌埠233000
摘要：随着CORS系统建成、运行、管理，由于受板块运动、人类活动等因素影响，随着时间推移，各参考站会产生不同程度的三维位移变化。研究CORS参考站的位移变化规律可以有效的维护CORS系统的运营，也可以更科学的建立高精度的监测机制，又能够为城市区域的地表变形提供一种高精度、有效的监测手段。本文基于GAMIT软件对各测站的GNSS观测数据进行处理，对比分析不同参考框架和变形监测基准对参考站位移监测结果的影响，并探讨利用城市CORS进行区域地表变形监测与分析的方法。
关键词：ITRF参考框架；CORS系统；变形监测；GAMIT；GPS
引言
CORS为ContinuouslyOperatingReferenceStations的英文缩写，翻译为中文为“连续运行参考站”。CORS是利用全球导航卫星系统、计算机、数据通信和互联网络等技术，在一个城市、一个地区或一个国家根据需求按一定距离建立长年连续运行的若干个固定GNSS参考站组成的网络系统。
相比于传统RTK测量作业方式，CORS系统有以下方面的优势：
（1）CORS系统比单参考站RTK测量具有较高的测量精度和可靠性，且有效工作空间更大。
（2）CORS系统的特征就是实现工作的
自动化，降低测量人员的工作强度。
（3）GPS参考站之间实现了互联和统一控制，采用连续基站的工作模式，使用方便，工作效率高。
（4）CORS系统在其服务范围内进行实时连续的监测，可以实时获取高精度的三维坐标成果，实现GPS快速定位测量。
（5）CORS采用多参考站联网监测，个别的参考站出现问题，不会影响用户的使用，极大地提高了系统的可靠性。
作为动态的、连续的空间数据参考框架，CORS系统可以高效、高精度的获取空间三维数据和地理信息，为城市地理信息系统的数据收集提供更加便捷的技术手段。当前，利用多基站网络RTK技术建立的连续运行卫星定位服务综合系统（CORS）已成为城市GPS应用发展的热点之一。
图1CORS参考站稳定性监测与分析步骤
1问题的提出及意义
每个CORS系统建成以后，各个参考站的位置不是固定不变的，由于受到地壳板块的运动、人类活动等外界因素的影响，CORS网各参考站的三维位置会随时间的推移而产生不同程度的变化。研究CORS参考站的位移变化规律可以有效的维护CORS系统的运营，也可以更科学的建立高精度的监测机制，又能够为城市区域的地表变形提供一种高精度、有效的监测手段。由于CORS数据处理的过程中参考框架的选择、监测基准的可行性等问题的认识有所不同，通过不同研究对象而得到的参考站位移量和区域地表变形速度场的结果也有很多不相同的地方。
随着GPS技术在精密工程测量、交通导航定位、板块运动监测等领域的广泛应用，GPS数据精密处理越来越得到重视。由于现行的地壳运动监测以及地球动力学方面10-7的精度要求，然而由于例如TTC、TGO、LGO等GPS软件在长基线解算时精度相对来说较低，采用GAMIT软件进行GPS长基线解算时，可以达到10-9的精度，完全满足上述要求。
基于GAMIT的城市CORS参考站稳定性监测及分析的步骤如图1所示：
2CORS观测数据与基线解算
研究GPS定位技术的一个重要内容——GPS测量数据的处理，在进行数据处理时，处理方法和软件的选用对于GPS测量结果的精度有很大的影响。一般接收机厂商提供的基线解算软件软件如TTC、TGO、LGO等不能满足高精度的需要因为它在定轨和长距离定位的计算中不够全面，如大气对流层改正、有关轨道的各种摄动计算、测站位置受地壳运动的海洋潮汐负荷、固体潮引起的漂移等。
GAMIT是目前GPS基线解算软件中的最优之一，利用GAMIT软件可以精确地确定地面站的三维坐标。在精密星历和高精度起算点的条件下，基线解的相对精度能够达到10-9左右，解算短基线的精度能高于1mm，我国的A级、B级GPS网的基线解算是采用GAMIT软件进行的。所以在本文中对城市CORS的地表区域变形监测与分析进行研究时，为达到足够的精度，采用GAMIT软件进行基线数据解算。具体操作方法可参考参考文献。
3参考框架与监测基准的选择
3.1ITRF框架
国际地球参考框架（ITRF）是由国际地球自转服务局（IERS）根据一定的要求建立地面观测台站组成观测网，进行空间大地测量，并根据协议地球参考系的定义，采用一组国际推荐的模型和常数系统对观测数据进行处理，从而解算出各观测站在某一历元的坐标以及速度场，由此建立的一个协议地球参考框架。
从理论上来说，ITRF系列所对应的地球平极和平均格林尼治子午线应该是重合的，但由于观测手段和观测精度的差异，所以同一个参考站的位置在不同时期仍会发生变化，而且不同参考框架下台站的位置也不一样，这就导致了ITRF框架间会存在系统性差异。为了消除因坐标参考基准差异引起的位置、尺度、方位和时间演变的系统性误差，在得到各期监测网点位坐标成果时，应归算到统一的ITRF框架下，所以这就需要ITRF框架的相互转换。经常用7个转换参数及参数的变化率来反映不同ITRF之间的系统性的差异，不同的ITRF框架可以通过坐标系的相似变换进行相互转换。
3.2监测网平差基准
3.2.1全球地壳运动分析基准的选择与统一
目前，在城市CORS参考站稳定性监测的变形监测中，有两种坐标参考框架（WGS-84和ITRF）用作变形分析基准。对于单纯的定位来说，WGS-84和ITRF参考框架具有基本相同的精度，但从定义参考框架的本意来说，WGS-84比较侧重于对点的绝对位置的确定，适用于相对静态的大地控制测量。当需要考虑到地壳运动引起的站坐标变化时，它需借助于板块运动模型给出运动参数来施加改正，而ITRF参考框架的确定则考虑到了由于地壳运动以及其他外力因素的影响而引起的各参考站随着时间的发展产生不同程度的三维位移变化。每一次新确定的ITRF参考框架，不仅是对大地参考框架的不断精化，而且体现了人类对于地壳运动的认识不断深入，其定义也有变化。由此可见，相比于WGS-84，ITRF更适合用来作为分析全球地壳运动的参考框架。
3.2.2对监测网的平差
对于监测网的GPS数据的平差计算主要有两种方式：三维无约束平差和三维约束平差。
(1)三维无约束平差：
三维无约束平差是把GPS软件解算后的所得到的三维静态基线向量（即GPS基线的起点与终点之间的坐标差）作为观测值，GPS网站点坐标作为待定参数。
(2)三维约束平差
三维约束平差是以基线解算所得到的三维静态基线向量为观测值，在平差过程中引入会使GPS网的尺度、方向和位置发生变化的外部起算数据，从而实现GPS网成果由基线解算时GPS卫星星历所采用的参照系（WGS84）到特定参照系的转换，得到在特定参照系下的经过用户约束条件约束的点三维空间坐标。
3.3对比分析
位移变化量在GPS定位的坐标系统中表现不直观，也不便于分析研究，不便于实际应用，由此可以根据具体的需要，将位移变化的结果转换到测站站心坐标系中。
由前所述，采用GPS监测数据进行板块运动监测，数据处理后，获得监测点在参考框架下的空间直角坐标或地心大地坐标，空间直角坐标与地心大地
坐标之间的转换关系如式（3）式表示：
式中：分别为测站点的大地纬度和大地经度；
轴为过测站的子午线切线，向北为正；
轴重合于测站点上的垂线指，向地心；
轴垂直于轴与轴所确定的平面。
若将地球表面近似为圆球面，地心坐标系与站心坐标系的转换关系如（4）式所示。首先，将监测点的空间直角坐标转换为大地坐标，其转换关系如（5）式所示：
一般情况下，监测点的位移量不超过dm量级，可见，在变形分析中可以直接用式（4）
将位移量转换到站心坐标系中。
4总结分析
本文研究了城市CORS参考站稳定性监测方法，在正常情况下，我们可以以某个城市CORS系统为对象，采集网监测数据以及周围IGS站监测数据用GAMIT软件进行长基线解算，并对其进行三维无约束平差和约束平差，对比分析不同变形监测基准对城市CORS参考站位移及区域地表变形监测结果的影响。本文探讨了利用城市CORS进行区域地表变形监测与分析的方法，得到如下结论和建议：
(1)在利用城市CORS系统进行CORS参考站稳定性监测与区域地表变形分析时，应该选用动态参考基准作为参考基准，并且需要将其纳入到国际地球参考框架ITRF中对其进行平差解算，以获得实时动态的变形监测数据。
(2)GAIMT软件作为高精度GPS处理软件，适用于GNSS基准站庞大的GPS数据量处理分析，在解算长基线时，其相对精度能达到10-9；在解算短基线时，其长度精度能达到1mm甚至更高、相对精度能达到10-7，GAMIT软件具有很高的可靠性和稳定性。
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