高精度GPS數據在線處理系統的研究

葉虎春，聶桂根，楊建會，孫傳勝

(1.武漢大學衛星導航定位技術研究中心，湖北武漢430079;2.中國水電顧問集團貴陽勘測設計研究院，貴州貴陽550081)

一、引 言

隨著衛星連續運行參考系統和互聯網技術的發展，許多組織機構都開發了GPS在線數據處理服務系統，但這些系統也存在一定的局限性。如澳大利亞國家制圖局的AUSPOS［1］是澳大利亞測量與土地信息組研制開發的在線處理系統，但是需要用戶為每個觀測文件輸入天線高和天線類型，一旦填錯了天線型號或天線高就有可能導致錯誤的定位結果，并且最多只能處理7個站，效率很低;SCOUT［2］是美國SOPAC中心提供的基于GPS的在線處理服務，需向SCOUT指定的服務器傳輸RINEX觀測文件，但是用戶只能單站提交，另外SCOUT只能同時處理 10 個文件;CSRS-PPP［2-3］和 GAPS［2，4］分別是加拿大國有資源局大地測量司和新不倫瑞克大學提供的GPS在線定位服務，用戶可提交多個靜態或動態觀測數據文件，但只能進行精密單點定位。

綜合分析國外幾個主要在線數據處理系統的特點，筆者基于 Bernese Software 5.0軟件，利用Apache Web服務器軟件、Perl開發語言及HTML語言，開發了一套高精度GPS數據在線處理系統，可進行精密點定位和整網解算，用戶只需要提供RINEX觀測數據和E-mail地址，就可獲得數據處理結果;同時彌補了國外幾個主要在線數據處理系統的不足，用戶可進行批量處理，可同時處理近百個觀測文件，滿足CORS系統數據處理的需要。

二、系統的結構、功能設計

1.數據提交

用戶通過網頁提交各站的觀測文件，觀測文件的格式必須為標準的RINEX格式，文件的命名參照IGS站;觀測文件以壓縮包的形式發送。用戶可根據需要選擇精密單點定位或者整網解算(需要輸入固定站)，最后輸入用戶郵箱地址，數據提交完畢后即可關閉網頁，數據提交到結果接收的時間長短同提交的數據量、網絡及系統的繁忙程度有關。圖1為高精度GPS數據在線處理的頁面。

圖1 系統界面

2.文件準備及數據處理

服務器接收到數據后，首先對提交內容的完整性進行檢查;然后進行文件的準備，包括觀測文件預處理、接收機類型檢查(程序將自動增加新的接收機類型)、IGS產品的準備，根據觀測文件，系統自動下載數據處理時所需要的IGS產品;最后系統會根據提交的內容進行數據處理。精密單點定位時無需任何固定站，要想獲得更好精度的結果，需同時選擇網頁中精密單點定位和整網解算兩個選項，此時精密單點定位為網解提供初始坐標信息。表1為數據解算時所用的策略與模型。

表1 系統解算時采用的主要策略與模型

3.發送處理結果

系統通過用戶給定的郵箱，發送數據處理的結果，結果包括各站的坐標(X、Y、Z 或 N、E、U)、坐標的精度信息和對流層參數等。圖2為該系統結構設計的流程圖。

圖2 系統結構設計流程

三、系統實現

該系統是基于Windows XP平臺開發的，利用Apache 2.2 Web作為服務器軟件，采用 HTML語言編寫了用戶提交數據的網頁，后臺數據處理軟件采用Bernese Software 5.0，后臺調用程序的開發使用Active Perl 5.14，筆者把Bernese自動處理模塊獨立出來，并將調用命令寫成Perl模塊。

1.服務器架設

利用Apache 2.2 Web解析Web程序，通過在Apache服務器中內置mod_perl的Perl解釋器，Perl腳本就可以快速被執行。客戶端建立連接后，通過網頁界面提交數據，Web服務器偵聽HTTP請求，CGI程序即可獲取請求并產生回復。圖3為Apache模塊功能分層。

圖3 Apache模塊功能分層圖

2.GPS數據的自動解算

筆者編寫了IGS產品自動更新模塊(數據自動下載模塊)、接收機類型和用戶提交內容完整性檢查模塊、精密單點定位模塊、整網解算模塊、郵件發送模塊及后臺程序運行監測等30多個模塊。圖4為系統的主要核心模塊及其功能。

圖4 主要核心模塊及其功能

該系統可處理近百個站的數據，用戶只需將標準的RINEX觀測文件壓縮打包提交即可。整網解算時需要用戶指定固定站的站名，因此固定站的觀測文件應同其他站的觀測文件一同提交給服務器。

四、系統可靠性驗證及其在CORS中的應用

為了驗證該系統的可靠性，將系統解算的結果同國外其他在線數據處理系統解算的結果進行比較分析，考慮到坐標框架不一致或坐標轉換給系統可靠性驗證帶來的影響，利用GAMIT軟件得到的基線結果同該系統解算的基線結果進行對比，并分析系統基線解算的精度;同時介紹了該系統在連續運行參考系統中的應用。

1.同其他系統解算結果比較

本文數據采取7個IGS站6天的觀測數據(2011年12月26—31日)，采樣率為30 s，觀測時段為24 h。將該系統精密單點定位解算的結果同GAPS和CSRS-PPP進行比較，整網解算的結果同SCOUT和AUSPOS進行比較，解算時采用相同的IGS產品，坐標均統一在ITRF2008框架下，固定站的選取盡量保持一致。該系統同其他在線數據處理系統解算結果的差異情況 (觀測時間為2011年12月31日)見表2。系統解算的精度情況如圖5所示。

表2 高精度GPS數據在線處理系統同其他在線處理系統解算的坐標差異

從表2中可以看出，該系統進行精密單點定位和整網解算時，同其他系統解算的坐標分量最大的差異分別為17.3 mm(站 ONSA)和－9.4 mm(站BRUS)，考慮到各系統進行數據處理時采用的解算策略并不一致，固定站的選取也不完全一致以及坐標轉換時對結果的影響等因素，可認為該系統解算的結果同國外幾個主要在線數據處理系統解算的結果基本一致。從圖5可以看出，系統對所選數據進行精密單點定位解算時，X、Y、Z方向的RMS值分別在1.1 mm、0.8 mm、1.1 mm 左右;網解時 X、Y、Z方向的 RMS 值分別在 0.8 mm、0.3 mm、0.8 mm左右。

圖5 系統精密單點定位和網解的解算精度

2.系統解算的基線結果分析

為了消除坐標框架對可靠性驗證的影響，筆者仍采用上述數據，利用GAMIT軟件進行基線解算，共21條基線，以6天的基線綜合解作為各條基線的真值，同該系統解算的基線結果進行比較并分析其精度。圖6、圖7分別為系統解算所得基線的內、外符合精度。從圖6、圖7可以看出，系統的內符合精度優于1.2 mm，外符合精度優于6 mm。

圖6 內符合精度

圖7 外符合精度

3.系統在CORS中的應用

湖北省連續運行參考系統(HBCORS)由湖北省測繪局、省氣象局、省地震局合作共建，省測繪工程院組織系統基建工程和聯測。目前HBCORS共有80多個參考站。筆者利用該系統對HBCORS 80個參考站(時間為2010年10月11日)進行了精密單點定位，并選取SHAO(上海)、XIAN(西安)、WHUN(武漢)為固定站對各參考站進行整網解算，各站坐標分量的RMS值在1～2 mm左右，解算過程中，系統運行良好。表3為解算結果的統計信息。

表3 HBCORS解算結果統計

五、結束語

本文以Bernese Software 5.0作為系統的后臺數據處理軟件，開發了高精度GPS數據在線處理系統。該系統可進行精密單點定位、整網解算，同國外幾個主要在線數據處理系統相比，增加了可處理的測站數量，并且可進行批處理。為了驗證該系統可靠性，將系統解算的結果同國外其他在線數據處理系統解算的結果進行了比較，最后給出了利用該系統得到HBCORS 80個參考站解算的統計結果。隨著各省CORS網的建立與完善，數據處理量也在不斷增大，但國內仍然沒有一套成熟的在線數據處理系統。筆者開發的高精度GPS數據在線處理系統為連續運行參考系統提供了較為方便的數據處理平臺，同時也有利于國內在線數據處理系統的研究與應用。

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