GNSS在線數據處理系統的比較與分析

徐 瑩,聶桂根,呂喬森

(1.武漢大學衛星定位導航研究中心,湖北武漢 430079;2.中國地質大學(武漢)工程學院,湖北武漢 430074)

GNSS在線數據處理系統的比較與分析

徐 瑩1,聶桂根1,呂喬森2

(1.武漢大學衛星定位導航研究中心,湖北武漢 430079;2.中國地質大學(武漢)工程學院,湖北武漢 430074)

分析AUSPOS、SCOUT和OPUS三種 GNSS在線數據處理系統的組成、操作界面和解算結果,在試驗研究的基礎上,對上述三種 GNSS在線數據處理系統的精度及其實用性進行綜合評價,得出AUSPOS的界面較友好,內符合精度較高,三大系統的外符合精度的差異沒有一定規律等結論。

GNSS;在線數據處理系統;實用性;精度

一、引 言

隨著國際互聯網的健全與普及,GPS、GLONASS等衛星導航系統的廣泛應用以及 GNSS定位技術和數據處理方法的不斷完善,各種 GNSS數據處理系統應運而生,尤其是網絡在線數據處理系統的出現,給 GNSS用戶帶來了方便并降低了成本。用戶可以位于世界上任何一個地方,只需關注于數據處理后通過 E-mail返回的結果。另外,用戶只需提交待定點數據,該服務可自動下載基準站數據,這樣一來,用戶只需進行野外數據采集工作,即使只有一臺接收機也能得到較好的結果[1]。目前有許多國家和科研機構都開發了自己的 GNSS在線數據處理系統,其中澳大利亞的 AUSPOS(Australian Online GPS Processing System)、美國的 SCOUT(scripps coordinate update tool)和 OPUS(on-line positioning user service)三大系統采用網平差的解算方式進行定位解算,它們會自動選擇上傳站點附近的三個IGS或 CORS參考站參與計算和平差。而美國的Auto-GIPSY(AG)與加拿大的 CSRS-PPP則采用精密單點定位的解算方式進行定位解算[2-4]。

由于設計用途的出發點和側重點不同,在對GNSS數據處理方面,以上系統各有特點。大多用戶并不了解這些系統的數據處理結果的精度與可靠性以及各自的優缺點和適用條件,在使用過程中存在較大的盲目性。本文利用美國境內 GNSS觀測數據實例,對AUSPOS、SCOUT和OPUS系統的解算精度、適用條件與可用性等進行比較與分析,為用戶合理選用 GNSS在線數據處理系統提供指導。

二、三大系統可用性比較

不同的 GNSS在線數據處理系統的設計的側重點不同,表1列出了AUSPOS、SCOUT和OPUS三種系統各自的主要特點。

表1 AUSPOS、SCOUT和OPUS三種系統主要特點比較

分析表 1并通過反復試驗,得出以下比較結果：

1)系統組成和后臺軟件各不相同。

2)提交數據文件時,AUSPOS允許用戶提交1～7個站點的數據且對用戶上傳的數據的大小沒有限制;OPUS的可選擇項最多,但它只適用于美國境內和加拿大部分地區的站點。

3)AUSPOS提供的解算結果報告較為詳細、全面,條理性也教強;OPUS提供的是 ITRF2000下的坐標而沒有提供 ITRF2005下的坐標;SCOUT只提供了平均基線長而沒有提供每條基線的長度。

4)三個系統的數據處理速度都非常快,提交一個24 h的數據文件后用戶一般可以在15min以內收到系統的回復。當然,數據越多,網速越慢,等待時間越長。

另外,GNSS在線數據處理系統在過去的十幾年內利用率逐年上升,但國內用戶對它的使用率并不高且中國沒有自己的 GNSS在線數據處理系統。

三、三大系統精度的比較

1.站點介紹

本文選擇美國境內的三個點,分別是：pie1、amc2、nrc1。數據下載地址為 http：∥cddisa.gsfc. nasa.gov/。數據采集時間為 2007年 12月 21日,數據是觀測時間間隔為 30 s的 24 h的 R INEX數據。

2.比較方案

1)利用 GPS數據預處理軟件 TEQC將各個站點的 24 h數據分割成 1 h,2 h,3 h,4 h,5 h,…,24 h等不同時間長度的 GPS觀測數據[9],分析三大系統的解算精度隨觀測數據時段長度的變化趨勢;

2)比較各個系統解算的單位權中誤差,考察系統定位的內符合精度;

3)將各個系統解算的結果與已知的精確坐標進行比較,考察系統定位的外符合精度。

3.三大系統精度的比較

(1)方案一

圖1～圖 6分別給出了用AUSPOS、SCOUT和OPUS解算的 pie1站的解算精度與數據量的關系與不同數據量的解算坐標與 24 h解算坐標的差值。

分析各圖,可以得出如下結論：

1)各個系統解算所得的坐標中誤差都隨數據量的增加而減小,系統AUSPOS和 SCOUT的趨勢較為明顯,但OPUS有較大的浮動,趨勢不明顯。

2)從圖 1可以看出,系統 AUSPOS 1 h定位精度可達到厘米級,1～3 h坐標變化較大,精度明顯提高,3 h以上定位精度可達毫米級,X、Y、Z軸精度的差異不大;從圖 2可以看出,AUSPOS 16 h的解算坐標趨于穩定。因此,AUSPOS完全能夠為國內 GNSS用戶提供較高精度的定位服務。

圖1 AUSPOS解算精度與數據量的關系

圖2 AUSPOS各數據量的坐標與24 h解算坐標的差值

3)從圖 3可以看出,系統 SCOUT 2 h定位精度可達到厘米級,2～4 h坐標變化較大,精度明顯提高,X、Y軸 3 h以上定位精度可達毫米級,Z軸定位精度一直是厘米級,X、Y、Z軸定位精度有明顯差異,X軸優于 Y軸優于 Z軸;從圖 4可以看出, SCOUT 8 h的解算坐標趨于穩定。

圖3 SCOUT解算精度與數據量的關系

圖 4 SCOUT各數據量的坐標與 24 h解算坐標的差值

4)從圖 5可以看出,系統 OPUS隨數據量的增加,坐標定位精度變化不明顯,但 RMS都在3.5 cm以內,X、Y、Z軸定位精度的差距沒有一定規律;從圖 6可以看出,OPUS 17 h的解算坐標趨于穩定。

圖5 OPUS解算精度與數據量的關系

圖 6 OPUS各數據量的坐標與 24 h解算坐標的差值

(2)方案二

單位權中誤差 RMS可以看做是表示內符合精度的一項指標,RMS表明了觀測值的質量,觀測值質量越好,RMS越小,反之,觀測值質量越差,則RMS越大,它不受觀測條件 (觀測期間衛星分布圖形)的好壞的影響。

圖 7給出了三個系統在不同的站點收斂時的中誤差,通過比較可以得出結論：

1)對于 X、Y軸,系統AUSPOS的內符合精度最高,SCOUT次之,OPUS最低;

2)對于 Z軸,系統 AUSPOS的內符合精度最高,OPUS次之,SCOUT最低。

(3)方案三

由于多種原因,地球上點的坐標不是固定不變的。所以,我們很難確定點的準確坐標,筆者將從SOPAC下載到的點的坐標當作真值 X、Y、Z,各系統在相同的歷元和坐標框架下解算得到的坐標為 x、y、z,則σx=X-x;σy=Y-y;σz=Z-z;并以 mσ=來衡量系統的外部精度。

從圖 8可以看出,三大系統的外符合精度的差別沒有一定的規律,但精度都在 ±20mm以內,完全可以滿足一般用戶的定位需求。

圖 7 三大系統在不同的站點收斂時的中誤差

圖 8 三大系統外符合精度的比較

四、結束語

現代 GNSS技術與信息技術、計算機技術的綜合集成開發,促使了 GNSS在線數據處理系統的產生和發展,使得 GNSS技術的應用更為實用、方便和廣泛。本文通過分析比較AUSPOS、SCOUT和OPUS三種有代表性的 GNSS在線數據處理系統的建立、組成、優點及不足,并結合實測數據探討了這三種在線數據處理系統的解算精度及其穩定性,得出了如下結論：

1)AUSPOS的界面比較友好,提供的輸出結果文件比較詳細和全面,條理清晰,但系統每次最多只能處理 7個站點的數據。

2)內符合精度：對于X坐標和 Y坐標,AUSPOS優于 SCOUT,最差的是OPUS;對于 Z坐標,AUSPOS優于OPUS,SCOUT最差。

3)系統的外符合精度的差別沒有一定規律。

4)如果用戶只要求得到厘米級的數據解算精度,可以選用三個系統中的任意一種。要求得到水平方向毫米級的精度,用AUSPOS、SCOUT解算需要提供 3 h以上的數據。要求得到垂直方向毫米級的精度,只能用AUSPOS、OPUS進行解算且要提供 3 h以上的數據。欲解算位于美國和加拿大地區以外的其他 GNSS觀測點的坐標,需要用系統AUSPOS和SCOUT進行解算。

值得說明的是：定位精度一般取決于測站離IGS基準站的距離、IGS產品的質量、所提交數據的質量和數量。因此,用戶需要根據自己所處的位置和所需的定位精度選擇合適的觀測時間和觀測環境。另外,用戶將手工預處理后的數據提交給系統也會得到一個精度較高的結果。

[1] 張彩紅,聶桂根,熊熊,等.基于 Internet的 GPS數據自動處理系統的研究[J].測繪通報,2007(8)：26-28.

[2] JPL.Auto GipsyAnalysis[EB/OL].[2009-06-10].http：∥milhouse.jpl.nasa.gov/ag.

[3] CSRS-PPP.The Canadian Spatial Reference System-Precise Point Positioning(PPP)[EB/OL].[2009-06-01]. http：∥nrcan.gc.ca/com/index-eng.Php.

[4] 李黎,戴吾蛟,李浩軍,等.AUSPOS在線定位系統研究分析[J].全球定位系統,2008,33(5)：43-46.

[5] AUSL IG.The Australian Surveying and Land Information (AUSL IG)[EB/OL].[2009-06-21].http：∥www.auslig.gov.au.

[6] SCOUT.Scripps Coordinate Update Tool(SCOUT)[EB/ OL].[2009-06-22].http：∥sopac.ucsd.edu/cgi-bin/ SCOUT.cgi.

[7] OPUS.The National Geodetic Survey operates the On-line Positioning User Service(OPUS)[EB/OL].[2009-06-25].http：∥www.ngs.noaa.gov/OPUS/.

[8] 李健,呂志平,梁率.CORS在線定位用戶服務系統[J].測繪科學技術學報,2008,25(2)：127-130.

[9] 范士杰,郭際明,彭秀英.TEQC在 GPS數據預處理中的應用與分析 [J].測繪信息與工程,2004,29(2)：33-35.

Comparisons and Analysis of the GNSS On-line Data Processing System s

XU Ying,N IE Guigen,LV Qiaosen

0494-0911(2010)12-0030-04

P228.4

B

2009-12-03

徐 瑩(1987—),女,山東泰安人,碩士生,研究方向為大地測量與工程測量。