基于Track 模塊的GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

殷自成 譚海洲

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410004；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)橋梁工程湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410004）

0 引言

高精度GPS 動(dòng)態(tài)定位是具有很廣闊的應(yīng)用天地， 它可應(yīng)用于工程測(cè)量領(lǐng)域，安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域和航空航海等領(lǐng)域，它具有用戶多樣性、速度多異性、定位實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)短時(shí)性、精度要求多變性等特點(diǎn)。 隨著動(dòng)態(tài)用戶的目的與要求的精度的不同，GPS 動(dòng)態(tài)定位的方法也不同，如單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位，實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位等。

無(wú)論何種方法，動(dòng)態(tài)定位要想獲得高精度的定位結(jié)果，其關(guān)鍵問(wèn)題是如何快速、正確地求解整周模糊度。近二十年來(lái)，大量學(xué)者對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中求解整周模糊度的方法（簡(jiǎn)稱為OTF）進(jìn)行了大量的研究，提出了各類方法，主要有雙頻偽距法，模糊度函數(shù)法等。 TRACK 模塊利用雙頻P 碼偽距觀測(cè)量和相位觀測(cè)量組合求解模糊度的方法。本文利用TRACK 模塊對(duì)短基線與長(zhǎng)基線兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行單歷元解算， 逐歷元解出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)軌跡， 再利用小波分析理論獲得較好的觀測(cè)數(shù)據(jù)，并且對(duì)短基線與長(zhǎng)基線的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析其優(yōu)劣。

1 TRACK 模塊

TRACK 模塊是麻省理工學(xué)院開發(fā)軟件GAMIT 中的一個(gè)動(dòng)態(tài)雙差定位模塊，即動(dòng)態(tài)得到動(dòng)態(tài)觀測(cè)站相對(duì)于參考站的三維坐標(biāo)差及單位權(quán)中誤差, 從而得到觀測(cè)站的真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡。

TRACK 模塊采用“M-W”方法來(lái)計(jì)算寬巷模糊度：

（其中fi為L(zhǎng)i波段的載波頻率， ?i為對(duì)應(yīng)的相位觀測(cè)量；Pi為對(duì)應(yīng)的偽距觀測(cè)量）

從式中可知寬巷模糊度還與基線長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，這是TRACK 模塊得到L1，L2模糊度的主要途徑。

TRACK 中影響GPS 觀測(cè)量精度的衛(wèi)星鐘差和軌道誤差可以采用IGS 數(shù)據(jù)中心提供的精密鐘差和星歷來(lái)消除，電離層和對(duì)流層延遲影響可以采用相關(guān)模型進(jìn)行削弱。

2 高橋墩GPS 監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究

第一組短基線測(cè)量方案： 采用二臺(tái)Trimble R8 系列雙頻GPS 接收機(jī)， 一臺(tái)布設(shè)在高橋墩南側(cè)半山腰集料水泥場(chǎng)地上的強(qiáng)制觀測(cè)墩上，點(diǎn)位穩(wěn)定，作為參考點(diǎn)。 監(jiān)測(cè)點(diǎn)選在高橋墩(206m)上面，采用有強(qiáng)制固定的裝置，采樣頻率為5HZ。第二組長(zhǎng)基線測(cè)量方案：參考點(diǎn)采用IGS-Wuhn 站,監(jiān)測(cè)點(diǎn)選在高橋墩上面，與第一組短基線方案采用的監(jiān)測(cè)點(diǎn)是一樣的。

圖1

圖2

GPS 數(shù)據(jù)處理采用TRACK 模塊逐歷元解出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)軌跡，即逐歷元解出監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于參考點(diǎn)的坐標(biāo)，限于文章篇幅，僅繪出兩組方案的東西向02:59－03:59 時(shí)間段（UTC）的位移變化量,兩組數(shù)據(jù)都采用相同的時(shí)間且采樣率都?xì)w算為30s（圖1，圖2）與其相對(duì)應(yīng)時(shí)刻雙差相位觀測(cè)量RMS（圖3，圖4）。

圖3

圖4

由于TRACK 模塊采用載波相位觀測(cè)值差分進(jìn)行動(dòng)態(tài)相對(duì)定位且第一組短基線測(cè)量方案中基準(zhǔn)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間弦長(zhǎng)不過(guò)一公里，可知對(duì)流層，電離層、衛(wèi)星、接收機(jī)有關(guān)的誤差可認(rèn)為均已消除。 第二組長(zhǎng)基線測(cè)量方案中基準(zhǔn)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間弦長(zhǎng)超過(guò)500 公里，可知對(duì)流層，電離層等有關(guān)的誤差不能很好的消除，只能根據(jù)TRACK 模塊提供的相關(guān)模型進(jìn)行削弱。 因此，第一組數(shù)據(jù)比第二組可靠。 同時(shí)根據(jù)橋墩的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境來(lái)看，第一組數(shù)據(jù)（短基線）主要受多路徑與GPS 測(cè)量噪聲的影響，可采用小波分析理論，削弱測(cè)量噪聲與多路徑影響，結(jié)果如圖5，圖形較好的反應(yīng)了橋墩的動(dòng)態(tài)位移量。 而對(duì)第二組數(shù)據(jù)而言，橋墩的變形量已淹沒(méi)于測(cè)量的誤差中，其數(shù)據(jù)的增大與觀測(cè)時(shí)段內(nèi)的觀測(cè)條件逐漸變差是相關(guān)的。

圖3， 圖4 為兩組方案相同時(shí)間段內(nèi)每個(gè)歷元的雙差相位RMS變化情況。 從圖中可以看出，第一組方案（短基線）的RMS 集中在5mm到17mm 之間，最大不超過(guò)22mm，而第二組方案（長(zhǎng)基線）的RMS 則是比第一組RMS 大，且有一定的趨勢(shì)性即增大。考慮其測(cè)量時(shí)間段是向正中午靠近，觀測(cè)條件會(huì)漸漸的不利于觀測(cè)，因此數(shù)據(jù)的質(zhì)量會(huì)變差，圖形是符合實(shí)際情況的。

圖5

3 結(jié)論

3.1 與傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，GPS 技術(shù)有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但橋墩施工過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)比較復(fù)雜，GPS 信號(hào)會(huì)受到各種因素影響。由于采用的是高采樣率GPS 進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其數(shù)據(jù)量大，在使用GAMIT 軟件中的TRACK 模塊進(jìn)行軌跡估計(jì)時(shí)，不可將長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)值一同處理，必須分段處理觀測(cè)數(shù)據(jù),以避免多路徑的影響。

3.2 利用Track 模塊可得到相對(duì)于觀測(cè)站的空間直角坐標(biāo)，從而可獲得橋墩的每時(shí)刻的動(dòng)態(tài)位移量、 通過(guò)對(duì)獲得的GPS 觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可知當(dāng)基線較長(zhǎng)時(shí)，利用Track 模塊處理數(shù)據(jù)是達(dá)不到變形監(jiān)測(cè)要求。因此，在觀測(cè)時(shí)基線不宜過(guò)長(zhǎng)，且要采用濾波方法進(jìn)一步提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

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