GNSS在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的比較與分析

徐 瑩,聶桂根,呂喬森

(1.武漢大學(xué)衛(wèi)星定位導(dǎo)航研究中心,湖北武漢 430079;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,湖北武漢 430074)

GNSS在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的比較與分析

徐 瑩1,聶桂根1,呂喬森2

(1.武漢大學(xué)衛(wèi)星定位導(dǎo)航研究中心,湖北武漢 430079;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,湖北武漢 430074)

分析AUSPOS、SCOUT和OPUS三種 GNSS在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的組成、操作界面和解算結(jié)果,在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,對(duì)上述三種 GNSS在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的精度及其實(shí)用性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),得出AUSPOS的界面較友好,內(nèi)符合精度較高,三大系統(tǒng)的外符合精度的差異沒(méi)有一定規(guī)律等結(jié)論。

GNSS;在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng);實(shí)用性;精度

一、引 言

隨著國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)的健全與普及,GPS、GLONASS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用以及 GNSS定位技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法的不斷完善,各種 GNSS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生,尤其是網(wǎng)絡(luò)在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的出現(xiàn),給 GNSS用戶帶來(lái)了方便并降低了成本。用戶可以位于世界上任何一個(gè)地方,只需關(guān)注于數(shù)據(jù)處理后通過(guò) E-mail返回的結(jié)果。另外,用戶只需提交待定點(diǎn)數(shù)據(jù),該服務(wù)可自動(dòng)下載基準(zhǔn)站數(shù)據(jù),這樣一來(lái),用戶只需進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集工作,即使只有一臺(tái)接收機(jī)也能得到較好的結(jié)果[1]。目前有許多國(guó)家和科研機(jī)構(gòu)都開(kāi)發(fā)了自己的 GNSS在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),其中澳大利亞的 AUSPOS(Australian Online GPS Processing System)、美國(guó)的 SCOUT(scripps coordinate update tool)和 OPUS(on-line positioning user service)三大系統(tǒng)采用網(wǎng)平差的解算方式進(jìn)行定位解算,它們會(huì)自動(dòng)選擇上傳站點(diǎn)附近的三個(gè)IGS或 CORS參考站參與計(jì)算和平差。而美國(guó)的Auto-GIPSY(AG)與加拿大的 CSRS-PPP則采用精密單點(diǎn)定位的解算方式進(jìn)行定位解算[2-4]。

由于設(shè)計(jì)用途的出發(fā)點(diǎn)和側(cè)重點(diǎn)不同,在對(duì)GNSS數(shù)據(jù)處理方面,以上系統(tǒng)各有特點(diǎn)。大多用戶并不了解這些系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果的精度與可靠性以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件,在使用過(guò)程中存在較大的盲目性。本文利用美國(guó)境內(nèi) GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)例,對(duì)AUSPOS、SCOUT和OPUS系統(tǒng)的解算精度、適用條件與可用性等進(jìn)行比較與分析,為用戶合理選用 GNSS在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提供指導(dǎo)。

二、三大系統(tǒng)可用性比較

不同的 GNSS在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)不同,表1列出了AUSPOS、SCOUT和OPUS三種系統(tǒng)各自的主要特點(diǎn)。

表1 AUSPOS、SCOUT和OPUS三種系統(tǒng)主要特點(diǎn)比較

分析表 1并通過(guò)反復(fù)試驗(yàn),得出以下比較結(jié)果：

1)系統(tǒng)組成和后臺(tái)軟件各不相同。

2)提交數(shù)據(jù)文件時(shí),AUSPOS允許用戶提交1～7個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)且對(duì)用戶上傳的數(shù)據(jù)的大小沒(méi)有限制;OPUS的可選擇項(xiàng)最多,但它只適用于美國(guó)境內(nèi)和加拿大部分地區(qū)的站點(diǎn)。

3)AUSPOS提供的解算結(jié)果報(bào)告較為詳細(xì)、全面,條理性也教強(qiáng);OPUS提供的是 ITRF2000下的坐標(biāo)而沒(méi)有提供 ITRF2005下的坐標(biāo);SCOUT只提供了平均基線長(zhǎng)而沒(méi)有提供每條基線的長(zhǎng)度。

4)三個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度都非?？?提交一個(gè)24 h的數(shù)據(jù)文件后用戶一般可以在15min以內(nèi)收到系統(tǒng)的回復(fù)。當(dāng)然,數(shù)據(jù)越多,網(wǎng)速越慢,等待時(shí)間越長(zhǎng)。

另外,GNSS在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在過(guò)去的十幾年內(nèi)利用率逐年上升,但國(guó)內(nèi)用戶對(duì)它的使用率并不高且中國(guó)沒(méi)有自己的 GNSS在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

三、三大系統(tǒng)精度的比較

1.站點(diǎn)介紹

本文選擇美國(guó)境內(nèi)的三個(gè)點(diǎn),分別是：pie1、amc2、nrc1。數(shù)據(jù)下載地址為 http：∥cddisa.gsfc. nasa.gov/。數(shù)據(jù)采集時(shí)間為 2007年 12月 21日,數(shù)據(jù)是觀測(cè)時(shí)間間隔為 30 s的 24 h的 R INEX數(shù)據(jù)。

2.比較方案

1)利用 GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件 TEQC將各個(gè)站點(diǎn)的 24 h數(shù)據(jù)分割成 1 h,2 h,3 h,4 h,5 h,…,24 h等不同時(shí)間長(zhǎng)度的 GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)[9],分析三大系統(tǒng)的解算精度隨觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)段長(zhǎng)度的變化趨勢(shì);

2)比較各個(gè)系統(tǒng)解算的單位權(quán)中誤差,考察系統(tǒng)定位的內(nèi)符合精度;

3)將各個(gè)系統(tǒng)解算的結(jié)果與已知的精確坐標(biāo)進(jìn)行比較,考察系統(tǒng)定位的外符合精度。

3.三大系統(tǒng)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(shù)據(jù)量的關(guān)系與不同數(shù)據(jù)量的解算坐標(biāo)與 24 h解算坐標(biāo)的差值。

分析各圖,可以得出如下結(jié)論：

1)各個(gè)系統(tǒng)解算所得的坐標(biāo)中誤差都隨數(shù)據(jù)量的增加而減小,系統(tǒng)AUSPOS和 SCOUT的趨勢(shì)較為明顯,但OPUS有較大的浮動(dòng),趨勢(shì)不明顯。

2)從圖 1可以看出,系統(tǒng) AUSPOS 1 h定位精度可達(dá)到厘米級(jí),1～3 h坐標(biāo)變化較大,精度明顯提高,3 h以上定位精度可達(dá)毫米級(jí),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(biāo)趨于穩(wěn)定。因此,AUSPOS完全能夠?yàn)閲?guó)內(nèi) GNSS用戶提供較高精度的定位服務(wù)。

圖1 AUSPOS解算精度與數(shù)據(jù)量的關(guān)系

圖2 AUSPOS各數(shù)據(jù)量的坐標(biāo)與24 h解算坐標(biāo)的差值

3)從圖 3可以看出,系統(tǒng) SCOUT 2 h定位精度可達(dá)到厘米級(jí),2～4 h坐標(biāo)變化較大,精度明顯提高,X、Y軸 3 h以上定位精度可達(dá)毫米級(jí),Z軸定位精度一直是厘米級(jí),X、Y、Z軸定位精度有明顯差異,X軸優(yōu)于 Y軸優(yōu)于 Z軸;從圖 4可以看出, SCOUT 8 h的解算坐標(biāo)趨于穩(wěn)定。

圖3 SCOUT解算精度與數(shù)據(jù)量的關(guān)系

圖 4 SCOUT各數(shù)據(jù)量的坐標(biāo)與 24 h解算坐標(biāo)的差值

4)從圖 5可以看出,系統(tǒng) OPUS隨數(shù)據(jù)量的增加,坐標(biāo)定位精度變化不明顯,但 RMS都在3.5 cm以內(nèi),X、Y、Z軸定位精度的差距沒(méi)有一定規(guī)律;從圖 6可以看出,OPUS 17 h的解算坐標(biāo)趨于穩(wěn)定。

圖5 OPUS解算精度與數(shù)據(jù)量的關(guān)系

圖 6 OPUS各數(shù)據(jù)量的坐標(biāo)與 24 h解算坐標(biāo)的差值

(2)方案二

單位權(quán)中誤差 RMS可以看做是表示內(nèi)符合精度的一項(xiàng)指標(biāo),RMS表明了觀測(cè)值的質(zhì)量,觀測(cè)值質(zhì)量越好,RMS越小,反之,觀測(cè)值質(zhì)量越差,則RMS越大,它不受觀測(cè)條件 (觀測(cè)期間衛(wèi)星分布圖形)的好壞的影響。

圖 7給出了三個(gè)系統(tǒng)在不同的站點(diǎn)收斂時(shí)的中誤差,通過(guò)比較可以得出結(jié)論：

1)對(duì)于 X、Y軸,系統(tǒng)AUSPOS的內(nèi)符合精度最高,SCOUT次之,OPUS最低;

2)對(duì)于 Z軸,系統(tǒng) AUSPOS的內(nèi)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(diǎn)的坐標(biāo)不是固定不變的。所以,我們很難確定點(diǎn)的準(zhǔn)確坐標(biāo),筆者將從SOPAC下載到的點(diǎn)的坐標(biāo)當(dāng)作真值 X、Y、Z,各系統(tǒng)在相同的歷元和坐標(biāo)框架下解算得到的坐標(biāo)為 x、y、z,則σx=X-x;σy=Y-y;σz=Z-z;并以 mσ=來(lái)衡量系統(tǒng)的外部精度。

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

圖 7 三大系統(tǒng)在不同的站點(diǎn)收斂時(shí)的中誤差

圖 8 三大系統(tǒng)外符合精度的比較

四、結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代 GNSS技術(shù)與信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合集成開(kāi)發(fā),促使了 GNSS在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展,使得 GNSS技術(shù)的應(yīng)用更為實(shí)用、方便和廣泛。本文通過(guò)分析比較AUSPOS、SCOUT和OPUS三種有代表性的 GNSS在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的建立、組成、優(yōu)點(diǎn)及不足,并結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)探討了這三種在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的解算精度及其穩(wěn)定性,得出了如下結(jié)論：

1)AUSPOS的界面比較友好,提供的輸出結(jié)果文件比較詳細(xì)和全面,條理清晰,但系統(tǒng)每次最多只能處理 7個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

2)內(nèi)符合精度：對(duì)于X坐標(biāo)和 Y坐標(biāo),AUSPOS優(yōu)于 SCOUT,最差的是OPUS;對(duì)于 Z坐標(biāo),AUSPOS優(yōu)于OPUS,SCOUT最差。

3)系統(tǒng)的外符合精度的差別沒(méi)有一定規(guī)律。

4)如果用戶只要求得到厘米級(jí)的數(shù)據(jù)解算精度,可以選用三個(gè)系統(tǒng)中的任意一種。要求得到水平方向毫米級(jí)的精度,用AUSPOS、SCOUT解算需要提供 3 h以上的數(shù)據(jù)。要求得到垂直方向毫米級(jí)的精度,只能用AUSPOS、OPUS進(jìn)行解算且要提供 3 h以上的數(shù)據(jù)。欲解算位于美國(guó)和加拿大地區(qū)以外的其他 GNSS觀測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo),需要用系統(tǒng)AUSPOS和SCOUT進(jìn)行解算。

值得說(shuō)明的是：定位精度一般取決于測(cè)站離IGS基準(zhǔn)站的距離、IGS產(chǎn)品的質(zhì)量、所提交數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量。因此,用戶需要根據(jù)自己所處的位置和所需的定位精度選擇合適的觀測(cè)時(shí)間和觀測(cè)環(huán)境。另外,用戶將手工預(yù)處理后的數(shù)據(jù)提交給系統(tǒng)也會(huì)得到一個(gè)精度較高的結(jié)果。

[1] 張彩紅,聶桂根,熊熊,等.基于 Internet的 GPS數(shù)據(jù)自動(dòng)處理系統(tǒng)的研究[J].測(cè)繪通報(bào),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(tǒng)研究分析[J].全球定位系統(tǒng),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(wù)系統(tǒng)[J].測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào),2008,25(2)：127-130.

[9] 范士杰,郭際明,彭秀英.TEQC在 GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理中的應(yīng)用與分析 [J].測(cè)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?yàn)榇蟮販y(cè)量與工程測(cè)量。