GNSS在線數據處理系統對比分析

李斐,劉智敏,2,郭金運,李洋洋

(1.山東科技大學 測繪科學與工程學院,青島 266590;2海島(礁)測繪技術國家測繪地理信息局重點實驗室,青島 266590)

GNSS在線數據處理系統對比分析

李斐1,劉智敏1,2,郭金運1,李洋洋1

(1.山東科技大學 測繪科學與工程學院,青島 266590;2海島(礁)測繪技術國家測繪地理信息局重點實驗室,青島 266590)

為避免用戶使用不同GNSS在線數據處理系統可能具有的盲目性,提高系統在國內的利用率及應用價值,本文對國際上流行的AUSPOS、OPUS、APPS、CSRS和GAPS五個系統進行了對比分析。利用IGS測站進行算例測試,得出結果為:五個系統具有界面友好，定位精度高等特點;不同系統對數據量的要求存在差異; APPS和CSRS較GAPS 、AUSPOS和OPUS精度高,X和Y方向均可達到mm級,且在不同緯度位置的測站的精度差異小;國外GNSS在線數據處理系統在我國測區范圍內均可達到cm級定位精度。

GNSS;在線數據處理系統;定位服務

0 引 言

20世紀90年代以來,隨著空間定位技術的發展,GNSS逐漸被人們所熟知,并在交通、農業、電信、導航、定位、氣象預報、坐標參考框架、工程測量等領域中得到廣泛應用,GNSS成為主要的測量和定位技術手段已是不爭的事實[1]。國際上有許多諸如GAMITGLOBK、BERNESE、JIPSY、GPSGET、TopNet、Spider、TGO等科研和商用軟件[2],可用于進行高精度GNSS數據處理和分析,但這些軟件并不都是免費的,用戶要想順利地使用這些軟件,大量的學習培訓、專業知識儲備和經驗技巧也是必不可少的,因此,尋求更為方便快捷的GNSS高精度數據處理方式迫在眉睫。隨著互聯網引領全球化的到來以及GNSS定位技術和數據處理技術的發展,國外成功開發出基于Web的GNSS在線數據處理系統,用戶不受區域和數據處理專業水平的限制,將野外采集數據上傳,即可得到理想的數據處理結果,真正實現了操作簡便化、數據處理自動化、處理結果高精準化、成果及應用多樣化。

目前國際上流行的GNSS在線數據處理系統主要有澳大利亞的AUSPOS、美國的OPUS和APPS、加拿大的CSRS-PPP和GAPS.其中,前兩者為差分在線數據處理系統,系統自動選取IGS站或CORS站作為參考站進行網平差解算;后三者為精密單點在線數據處理系統,系統利用GPS或GNSS產品(鐘差、星歷及軌道誤差等)進行精密單點定位。目前,這幾大系統在國外已廣泛地應用在控制點的設立、變形監測、地圖應用、GIS、海道測量、地學分析等方面[3,4],但在國內應用率不高,且國內尚無對用戶免費開放的GNSS在線數據處理系統。由于各系統設計的出發點和側重點不盡相同,GNSS在線處理各具特點,為使用戶充分了解各系統的特點,方便用戶在實踐應用中選擇最優的在線處理系統,實現其多用途、多功能、多層次的服務,并進一步促進國內GNSS在線數據處理系統的發展,本文從不同系統的特點、數據量需求、定位模式和系統所在緯度位置等方面對國際上廣泛使用的五個GNSS在線數據處理系統靜態事后處理進行對比分析。

1 GNSS在線數據處理系統

1.1 數據處理過程

如圖1所示,位于全球任何區域的用戶,只需一臺GPS接收機,在野外采集原始觀測數據,將轉換為RINEX格式的觀測數據通過Web網頁或ftp提交給該系統,在線處理系統將處理結果通過E-mail或網頁反饋給用戶[5-7],在線數據處理系統雖為免費的,有的系統仍需用戶進行注冊申請登錄,如用戶申請登錄APPS系統后,可獲得更大的權限,根據實際需求,配置參數以進行高精度數據處理。

圖1 在線數據處理過程示意圖

1.2 系統特點比較

鑒于國際上各種GNSS在線數據處理系統的特點不同,用戶在使用前,除了考慮定位結果,還應關注諸如系統所用軟件、上傳數據要求、用戶得到反饋結果時間、解算結果內容等其他因素,對五個GNSS在線數據處理特點進行歸納[8-16],如表1所示。

表1 不同在線處理系統特點

各系統的其他特點還有:

1) 用戶均可通過E-mail向五個GNSS在線數據處理系統提交RINEX觀測數據,AUSPOS還可以通過ftp獲取用戶的RINEX觀測數據,數據處理時,OPUS忽略GLONASS觀測數據,而其他系統數據處理前清除GLONASS數據,GAPS可以處理混合多系統(GPS、Galileo和Beidou)數據;

2) 除了CSRS-PPP外,系統對觀測文件的時長有要求,OPUS要求至少觀測2 h,而AUSPOS、APPS和GAPS的觀測文件至少為1 h;

3) 網速、用戶上傳文件的大小、GNSS接收機的質量和站點環境等因素均會影響用戶獲取定位結果的時間,而表中所列的獲取結果的時間為向系統提交6天觀測數據的平均處理時間,僅作為對比分析的參考。

2 GNSS在線數據處理系統精度比較分析

2.1 數據來源

本文選取全球均勻分布的14個IGS站,如圖2所示,從ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/gps下載2016年1月1日的采樣間隔為30 s的觀測數據,并以從SOPAC下載的該GPS周的坐標的均值作為相應測站的參考坐標。

圖2 所選14個IGS站點示意圖

2.2 精度對比分析

2.2.1 不同系統對定位精度的影響

為避免系統處理不同站點可能出現的偶然性,本文選取全球均勻分布的14個測站單天觀測文件,利用五個GNSS在線數據處理系統分別進行解算,每個系統對選取的測站解算得到的定位結果與參考坐標的差值如圖3所示。

從圖3可以看出各系統在X、Y和Z方向的精度存在差異性,這是由于地磁場、接收機和衛星間幾何關系、系統自身抗差能力不同等原因造成的[17-18];采用網平差解算方式的AUSPOS和OPUS精度有較高的一致性,而采用精密單點定位解算方式的APPS和CSRS精度一致;AUSPOS、OPUS和GARS在不同測站的精度波動較大,在X方向上,除SUTH站外,精度均在6 cm內,Y方向精度在8 cm內,Z方向精度較差,在15 cm內;APPS和CSRS系統解算的精度具有良好的穩定性,在X、Y、Z方向均為mm級的精度。

圖3 14個IGS站定位誤差

2.2.2 數據量大小對定位精度的影響

選用DUBO站分析數據量大小對解算結果的影響。由于AUSPOS、APPS和GAPS要求觀測文件至少為1 h,本文以2 h時間間隔對數據量進行分析。數據處理前,利用數據預處理軟件TEQC對該站原始觀測文件進行數據分割[19],分別得到觀測時長為2h、4h、6h、…、24h的RINEX文件,五個GNSS在線數據處理系統得到的定位結果與參考值的差值如圖4所示。

從圖4可以看出,隨著數據量的增大,五個GNSS在線數據處理系統的處理結果逐漸趨于穩定,10 h的數據量定位結果已達到最佳,即定位精度不會隨著數據量的增大而進一步提高。圖5為前10 h各方向詳細的差值圖,可以看出,系統AUSPOS和OPUS的精度相當,X方向精度達到mm級,Y、Z方向精度為cm級,但AUSPOS系統在前4 h波動較大,隨著數據量的增大精度逐漸提高,在4 h及以上定位精度達到穩定狀態,而OPUS系統2 h即可達到穩定的定位結果。APPS、CSRS和GAPS的精度差異不大,在10 h雖然有小范圍波動,但基本趨于穩定狀態,且在X、Y和Z方向精度均可以達到mm級。

圖4 數據量大小對在線數據處理系統的影響

圖5 前10 h數據量大小的影響

2.2.3 不同緯度位置對定位精度的影響

GNSS數據處理時要對電離層延遲、對流層延遲、地球自轉及固體潮等進行改正,而這些誤差源在不同的緯度存在差異性。對本文選取的14個測站,按照不同的緯度區域,對利用五個GNSS在線數據處理系統處理2016年1月1日的定位結果進行分析,低緯度區域、中緯度區域和高緯度區域測站處理結果與參考坐標的差值分別如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 低緯度區域不同測站坐標差值圖

由圖6、圖7、圖8可以看出:

1) 在低緯度地區,AUSPOS、OPUS和GAPS系統在X、Y和Z方向均可達到cm級精度,而APPS和CSRS可以達到mm級的定位精度。

2) 在中緯度地區,AUSPOS和OPUS精度一致,除個別點外,X方向精度在0.3～3 cm范圍內,Y方向精度達到cm級,在1～6 cm范圍內,而在Z方向精度較差,精度在9 cm內;GARS、APPS和CSRS精度相吻合,在X方向精度波動較大,在2～3 cm范圍內,Y方向精度高,為mm級,而在Z方向精度小于4 cm,比AUSPOS和OPUS的精度高。

3) 在高緯度地區,AUSPOS、OPUS和GAPS系統的定位精度波動較大,在X方向精度在0～5 cm范圍內,Y方向為0～3 cm內,Z方向在1～15 cm內,精度差;而APPS和CSRS系統的定位精度較為穩定,在X、Y和Z方向均達到mm級。

圖7 中緯度區域不同測站坐標差值圖

圖8 高緯度區域不同測站坐標差值圖

總體來說,APPS、CSRS和GAPS系統在全球范圍內不同緯度位置的測站的定位結果差異小,而AUSPOS和OPUS系統在不同緯度位置定位精度差異較大。

我國大部分區域位于北半球中緯度地區,選取我國區域內6個IGS站點進行在線數據處理,定位精度如圖9所示,表明了五個GNSS在線數據處理系統在我國區域的可用性。

圖9 我國區域內IGS站坐標差值圖

3 結束語

本文從系統特點、數據量需求、定位模式和緯度位置等方面出發,結合實測數據,對國際上流行的五個GNSS在線定位服務系統AUSPOS、OPUS、APPS、CSRS和GAPS進行對比分析,總結起來有:

1) 五個GNSS在線定位服務系統具有界面友好性、操作簡便性、獲取結果便捷、定位結果精度高、成果多樣化等優點,但使用時需考慮站點數據的保密性。

2) 當用戶要求X、Y方向的精度為cm級,而對Z軸的精度要求較低,為dm級時,任選五個GNSS在線數據處理其一即可滿足需求;當用戶要求X和Y方向為mm級,Z方向為cm級時,可選用APPS和CSRS系統處理觀測10 h以上的觀測文件。

3) 由于精密單點定位使用了精密GPS軌道、鐘差等產品[20],加上系統內部理想的數據處理策略,充足的觀測時間下,采用精密單點定位的APPS、CSRS和GAPS的精度并不低于雙差解算策略的AUSPOS、OPUS系統,并可為用戶提供更為詳細的電離層、對流層、模糊度等信息,且在全球范圍內不同緯度位置的測站的定位結果差異小。我國處于北半球中緯度地區,五種GNSS在線數據處理系統可提供cm級的定位結果。

值得注意的是,定位精度除了與用戶提交的數據的質量、IGS產品的質量、與參考站間距離有關外,還與接收機所處的環境、觀測的時間等有關[21-22],所以,用戶提交觀測文件前,利用TEQC進行編輯和質量檢核等預處理工作,可以得到更好的定位結果和產品。

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The Comparison and Analyzation of the GNSS Online Data Processing Systems

LI Fei1,LIU Zhimin1,2,GUO Jinyun1,LI Yangyang1

(1.GeomaticsCollege,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China;2.KeyLaboratoryofGeomaticsandDigitalTechnology,Qingdao266590,China)

In order to avoid the possible blindness when the GNSS Online Data Processing Systems are used and improve their utilization and application value in GNSS positioning and other research aspects in domestic. The paper compared and analyzed the popular five systems, such as AUSPOS、OPUS、APPS、CSRS and GAPS. The conclusion was got by testing using IGS stations in the aspect of different feature, the demand of data sets, positioning mode and latitude. The five systems is friendly interfaced, easy-to-handle and high-precision. Different systems require different data sets. Compared with the AUSPOS and OPUS, the accuracy of APPS,CSRS and GAPS in precise point positioning is higher within cm in the direction of X,Y and Z and has tiny differences when the stations are in different latitude. The GNSS online data processing systems are within cm in our country and are valuable to the regional CORS online data processing.

GNSS; online data processing system; positioning service

2016-10-17

國家自然科學基金(批準號：41374009)； 青島市博士后研究人員應用研究項目資助(編號：2015186)

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.06.018

P 228.4

1008-9268(2016)06-0092-07

李斐(1992-),女,山東煙臺人,碩士生,研究方向為GNSS數據處理與應用。

劉智敏(1975-)，女，河北唐山人，副教授，博士，主要從事GNSS定位理論技術及其應用。

郭金運(1969-)，男，山東巨野人，教授，博導，博士，主要從事空間大地測量、海洋大地測量和物理大地測。

聯系人：李斐 E-mail: skchlf@163.com