利用動態定位模塊Track進行GPS單歷元定位研究①

李林紅，何秀鳳

（河海大學衛星及空間信息應用研究所，江蘇 南京210098）

0 引 言

高精度GPS動態定位方法有著廣泛的應用前景，如在工程測量領域可應用于地形測量、水下地形圖測繪和工程放樣；在安全監測方面可應用于大型橋梁、高層建筑物、高邊坡和水利工程大壩等的變形監測；在航空航海領域中可應用于確定飛機和船艦的位置、速度和姿態方位等。

GPS整周模糊度的確定是高精度動態定位的關鍵。整周模糊度一旦正確解算，載波相位觀測值便可轉換成高精度的測相偽距，從而使用一個歷元數據就能實現厘米級的高精度定位。采用單歷元數據求解整周模糊度的優點是僅利用當前觀測歷元的GPS觀測數據，不受觀測過程中周跳的影響［1]。模糊度的快速動態確定，一直是GPS高精度動態定位的熱點問題。近二十年來，許多學者對模糊度的動態解算進行了深入的研究，提出了各種動態定位過程中確定模糊度的方法（AROTF），主要有基于觀測值域的雙頻P碼偽距法、基于坐標域的模糊度函數法（AMF）、基于模糊度域的最小二乘搜索法（LS）、快速模糊度搜索濾波法（FASF）、快速模糊度解算法（FARA），Cholesky分解算法，LAMBDA 方法和局部最小值法等［2－3]。采用以雙頻P碼偽距觀測值為例利用單歷元數據先通過確定寬巷模糊度，進而確定L1，L2模糊度的動態定位算法。

1 Track模塊

Track是麻省理工學院開發的GAMIT／GLOBK軟件包中的一個動態雙差定位模塊，根據雙差定位的特點，在定位過程中需要定義一個相對穩定的測站作為參考站，它可以解算得到動態觀測站每個歷元的大地測量坐標，亦可解算得到觀測站相對于參考站的地方空間直角坐標差，從而獲得觀測站的運動軌跡。

Track的解算過程主要包括以下三個步驟［4]：

1）讀取Rinex格式的觀測數據，根據數據情況分配模糊度參數；

2）解算模糊度整數值；

3）用已確定的模糊度整數值解算觀測點的運動軌跡。其中以步驟2）最為耗時，這也是動態GPS數據處理的關鍵問題之一。

Track使用目前普遍使用的利用雙頻P碼偽距觀測量和相位觀測量組合求解模糊度的方法，即“M－W”方法來計算寬巷模糊度［5]：

式中：fi（i＝1、2）為 L1、L2波段的載波頻率；φi為對應的相位觀測量；Pi為對應的偽距觀測量；c為光速。

Track中衛星鐘差和軌道誤差可以采用IGS數據中心提供的精密鐘差和星歷來消除，電離層影響可以采用消電離層模型消除，其式為

式中：fi（i＝1、2）為 L1、L2波段的載波頻率；φi為對應的相位觀測量。在數據處理時估計的參數，采用卡爾曼濾波器對先前歷元信息進行充分利用，對流層延遲等相關誤差采用對應的模型進行消除［7]。當模糊度固定后，利用長基線估計策略并采用平滑技術［8]，即將固定后的參數進行回代到初始歷元以達到每個歷元的最佳狀態估計。

Track常用來處理來自汽車、飛機等快速運動平臺上的數據，可以同時處理一個基準站和多個流動站的GPS數據，因此，Track是處理動態GPS數據比較理想的工具。

2 獲取載體運動軌跡實驗研究

實驗采用安裝在船上的Topcon Net－G3接收機采集GPS觀測數據，該船于2010年11月22日由遼寧大連開往河北秦皇島。GPS接收機采樣頻率為1Hz，共采集近15h的數據。選取IGS跟蹤站SHAO作為本次實驗基準站，基準站數據采樣間隔為30s.經過Track模塊的解算，得到測站地方空間直角坐標系NEU下流動站各個歷元相對于參考站的三維坐標差。解算結果如圖1～2所示。

圖1為動船的平面運動軌跡，該軌跡清晰地反映了載體在海上的運動路線。圖2為動船在高度方向的起伏變化情況。可以看出，經Track解算，起點比終點的海平面高出約8.3m，此數值與從Google Earth上獲取的相符。

3 解算地震形變實驗研究

2011年3月11日，UTC時間05：46：23（日本當地時間14：46：23），日本東北海域發生里氏9.0級地震，造成重大人員傷亡和財產損失。地震震中位于日本本州島仙臺港以東130km處，震源深度20km.

對于靜態數據，Track也可以將其假設為動態數據進行解算。實驗選取日本境內的4個IGS站MIZU、USUD、MTKA和 TSKB作為動態觀測站，圖3示了這四個位置的分布。選取中國境內的SHAO站作為參考站，各IGS站數據采樣間隔均為30s.經Track解算，得到上述4個動態觀測站相對于參考站的NEU三維坐標差，從而得到地震前后位移量。Track還可解算得到觀測站雙差相位觀測量RMS.限于文章篇幅，僅繪出 MIZU和USUD兩個站地震當天05：45：00－05：55：30的位移變化量和對應時刻的雙差相位觀測量RMS.

圖3 震中和動態觀測站位置

圖4為 MIZU和USUD兩個站05：45：00－05：55：30時間段內每個歷元的雙差相位RMS變化情況。從圖中可以看出，兩個站的RMS大致相同，集中在18到26mm之間，最大不超過30mm.另外兩個流動站MTKA和TSKB的RMS與此基本一致。

圖4 MIZU、USUD兩個站的雙差相位RMS

從圖5MIZU站位移變化可以看出，地震造成MIZU站向東約2m、向南約1m的永久位移，該站從05：47：00附近開始發生較明顯位移，最大位移發生在05：48：30附近，該站距離震中最近，位移最大。從圖6USUD站位移變化可以看出，地震造成USUD站向東近20cm的位移，最大位移發生在05：49：30附近。從其余兩個站的解算結果可知，MTKA站在地震發生時刻北、東、高三個坐標分量的最大振幅分別為70cm、30cm、30cm，在主震結束之后坐標又反彈回到與初始坐標分量相差不大的位置，最大位移發生在05：49：30附近；地震造成TSKB站向東偏移約30cm，向北偏移約10 cm，高程方向的坐標在主震結束之后又回到與初始分量相差不大的位置，東方向的最大位移發生在05：49：30附近，北、高方向的最大位移發生在05：49：00附近。

4 結 論

GAMIT的Track模塊可以解算得到觀測站每個歷元的大地測量坐標，或相對于參考站的地方空間直角坐標差，從而獲得觀測站的運動軌跡。利用Track模塊對獲得的GPS觀測數據進行了單歷元方法處理和分析。研究表明，由安裝在動船上的GPS接收機采集動態觀測數據，通過Track模塊解算可得到該動船在水平方向上清晰的運動軌跡和高度方向上的起伏變化情況。研究還表明，利用Track模塊處理日本地震觀測數據，解算得到雙差相位觀測量RMS在3cm以內，可獲得GPS測站記錄到的地震動態位移，且可有效探測主震的發生時間。

致謝：感謝國家海洋局第一海洋研究所提供動態GPS數據。

［1]喻國榮.單歷元模糊度解算問題［J].測繪通報，2003，11：6－7.

［2]胡叢瑋，劉大杰.單歷元確定GPS整周模糊度的分析［J].南京航空航天大學學報，2001，33（3）：267－270.

［3]孫亞峰.單歷元定位技術及其在地震觀測中的應用［D].上海：同濟大學，2009：23－25.

［4]TRACK.GPS differential phase kinematic positioning program ［EB／OL].［2011－07－28].http：／／geoweb.mit.edu／～simon／gtgk／help／track.hlp.htm.

［5]黃丁發，熊永良，袁林果.全球定位系統（GPS）—理論與實踐［M].成都：西南交通大學出版社，2006：85－86.

［6]蘇小寧.單歷元高頻GPS在地震學中的應用［C]／／中國地震學會空間對地觀測專業委員會2009年學術研討會論文摘要集，2009：49.

［7]HERRING T A，KING R W，MCCLUSKY S C.GAMIT reference manual：GPS analysis at MIT，release 10.3［EB／OL].（2010－10－28）［2011－07－28].http：／／www－gpsg.mit.edu／～simon／gtgk／GAMIT＿Ref.pdf.

［8]周 星.基于GAMIT TRACK和Bernese PPP的地震監測比較［J].測繪信息與工程，2010，35（2）：19.