Bernese 5.0軟件下的精密單點定位精度分析

魯洋為，王振杰

(中國石油大學(華東)地球科學與技術學院，山東 青島 266580)

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Bernese 5.0軟件下的精密單點定位精度分析

魯洋為，王振杰

(中國石油大學(華東)地球科學與技術學院，山東 青島 266580)

Accuracy Analysis of PPP Based on GPS Software Bernese 5.0

LU Yangwei，WANG Zhenjie

摘要：Bernese軟件是當前國內外廣泛應用的高精度GPS數據處理軟件之一。本文簡單介紹了Bernese5.0軟件精密單點定位的數據處理策略，采用bjfs、harb兩個IGS站1570周的數據，分析了靜態精密單點定位時不同星歷產品、鐘差采樣間隔對定位精度的影響；選取bjfs、harb站1570周第一天的數據，分析了動態精密單點定位中衛星截止高度角、先驗對流層模型、鐘差采樣間隔對定位精度的影響。最后，結合2011年日本“3·11”地震時mizu站的數據，提取GPS地表同震形變，驗證了Bernese 5.0精密單點定位的可靠性。

關鍵詞：Bernese 5.0；GPS；精密單點定位

精密單點定位是當前GNSS領域研究的熱點[1-2]，利用該技術，用戶只需采用單臺接收機在目標點位上觀測一段時間就可以獲得高精度的點位信息，具有成本低、工作量小的特點。目前，國內外廣泛使用的高精度GNSS數據處理軟件主要有MIT和SCRIPPS研究所共同研發的GAMIT軟件、瑞士伯爾尼大學天文研究所開發的Bernese軟件及JPL的GIPSY軟件[3]。其中GAMIT為開源軟件并采用雙差方法處理GPS數據，而GIPSY只提供可執行文件，采用非差方式處理GPS觀測值，但在模糊度解算時采用差分模式[4]。Bernese作為有償使用軟件，很好地兼顧了兩種數據處理策略，既能夠進行差分數據解算，也有高精度的非差數據處理模塊，并且具有用戶界面友好、模塊條理清晰、功能強大等特點，被國內外廣泛應用[5-7]。本文結合bjfs、harb兩個IGS站的數據，利用Bernese 5.0的精密單點定位(precise point positioning，PPP)模塊，在靜態精密單點定位時，分析了igf(final orbit)、igu(ultra rapid orbit)、code(CODE orbit)星歷及鐘差采樣間隔對定位精度的影響；在動態解算時，分析了衛星截止高度角、先驗對流層模型及鐘差間隔對定位精度的影響，并利用2011年日本“3·11”地震時mizu站的數據，提取GPS地表同震形變，驗證了Bernese 5.0精密單點定位的可靠性。

一、Bernese 5.0精密單點定位數據處理方法

在GNSS數據處理中，數據預處理的好壞直接決定著定位精度，而周跳探測與修復是數據預處理的關鍵，Bernese軟件中，利用改進的TurboEdit方法進行周跳探測與修復[8]。在周跳探測時，采用MW和LG組合，以衛星弧段為單位，首先計算一弧段MW組合寬巷模糊度NMW的時間序列及其中誤差σ，若σ超過閾值，則認為此弧段有周跳，需要進行周跳探測。然后將該弧段觀測值等歷元分為兩段，若式(1)成立時，則認為i歷元可能發生周跳。

(1)

參數估計是精密定位中最重要的環節，其估計方法直接影響解算的精度和效率，待估計的未知參數主要有接收機位置、接收機鐘差、對流層延遲及無電離層組合模糊度等參數。Bernese 5.0在參數估計時，引入參數消除法對多余參數進行等價消除，以減少法方程的維數，提高計算速度和效率，對于被消除的參數，其信息仍然保留在法方程中，可以通過參數恢復法進行求解[9-10]。在應用Bernese 5.0軟件時，一般用其精密單點定位模塊解算得到的測站三維坐標作為差分處理的先驗近似坐標，這是因為在該模塊中，忽略了測站和鐘差的相關性，使得模糊度固定的時間不穩定，甚至難以固定。盡管如此，用Bernese 5.0軟件的精密單點定位模塊解算精度仍然較高，并為許多研究機構所用。

二、算例及精度分析

試驗采用bjfs、harb兩個IGS站的數據，首先用Bernese 5.0的精密單點定位模塊對1570周兩測站數據進行靜態精密單點定位解算，并分析了其定位精度，然后采用1570周第1天兩測站數據進行動態精密單點定位解算并進行了精度分析，最后結合2011年日本“3·11”地震時mizu站的數據進行了實例分析。在動態精密單點定位解算時將數據重采樣為60 s采樣間隔的數據(mizu站數據除外)，在精度分析時，以1570周單天解的均值作為真值(鐘差產品為IGS的30 s采樣間隔的最終精密鐘差)。

1. 靜態精密單點定位及精度分析

分別采用igf、igr及code星歷產品得到1570周的單天解，并與真值比較，結果如圖1所示。分別采用5 min采樣間隔的鐘差產品和30 s采樣間隔的鐘差產品進行解算，得到的結果如圖2所示。

圖1　不同星歷產品對靜態精密單點定位的影響

由圖1可以看出，在總體趨勢上，三者的定位精度相差不大，bjfs站在x、y、z 3個方向的差值均在1cm以內，對于harb站，差值最大的也在2cm之內，即無論是快速星歷產品，還是code的星歷產品和igs星歷產品，都能得到比較穩定的定位結果。并且，由表1可以看出，3種星歷產品得到定位結果的RMS值最大為8.92mm，最小1.83mm，這說明Bernese5.0精密單點定位模塊的精度較高，并且可以達到毫米級。在3種結果中，igf和code星歷產品的結果略顯平穩，但igf結果的RMS均小于code解算結果；igr結果變化較大，其RMS均大于igf的結果，并且對于bjfs、harb兩站，只有一個方向RMS大于code解算結果，即igr的結果比igf和code略差，而igf略優于code的結果。由圖2可以看出，30s采樣間隔與5min采樣間隔的鐘差產品的定位精度相當，沒有較大的差異。從表1的統計結果同樣也可以看出，采用30s采樣間隔的鐘差產品解算的結果與5min采樣間隔的鐘差產品的結果精度相當。

圖2　鐘差采樣間隔對靜態精密單點定位的影響

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2. 動態精密單點定位及精度分析

(1) 衛星截止高度角對定位精度的影響分析

衛星截止高度角影響著可視衛星的幾何結構，當衛星截止高度角較低時，可視衛星較多，但多路徑效應和周跳會明顯增加，因此在試驗中，將衛星截止高度角分別設為10°、20°、30°進行動態解算，得到的結果如圖3所示。由圖3可以明顯地看出，在截止高度角為10°時，bjfs、harb兩測站的定位結果都很穩定，沒有出現較大的跳動；當高度角變為20°時，就開始出現了跳動，如在bjfs的x、y、z方向上均出現了一些較小的跳動，在harb站出現的跳動更大，x、z方向偏差均達到2 m左右的情況；當高度角變為30°時，跳動的幅度更大，bjfs站在x、y方向的跳動達到10 m，z方向的跳動也達到3 m左右，harb略好于bjfs，x方向跳動約為5 m，y、z方向的跳動在2 m左右。在衛星截止高度角變大時，定位結果出現較大的跳動，這是由于高度角影響著可見衛星的幾何結構的原因。高度角越高，盡管多路徑效應和周跳的影響變小，但可見衛星變少，使得觀測結構變差，從而使定位結果變差。

圖3　截止高度角對動態精密單點定位的影響

(2) 先驗對流層模型對定位精度的影響分析

Bernese軟件在精密單點定位解算時，一般采用“先驗值+估計”的方法，下面討論先驗對流層模型對定位精度的影響。解算時，將截止高度角設為10°，先驗對流層模型分別為Hopfield模型、Saastamoinen模型、Niell模型及Non(先驗值為零)時，進行動態解算，得到結果如圖4所示。由圖4可以看出，當先驗對流層模型為Non，即不采用任何先驗模型時，解算結果偏離真值最大，以bjfs站為例，x方向偏差達到3 cm左右，y方向偏差也達到了18 cm左右，z方向偏差約為15 cm，而附加了先驗對流層模型的解算結果要明顯優于不用任何模型時的解算結果；當附加先驗對流層模型時，可以看出，先驗模型為Saastamoinen、Niell模型時的解算結果精度相當，并且要優于先驗對流層模型為Hopfield模型時的精度，由harb站的解算結果也可以得出相同的結論。

(3) 鐘差采樣間隔對定位精度的影響分析

采用IGS最終精密星歷與精密鐘差，鐘差采樣間隔分別為30 s和5 min，采用動態解算，結果如圖5所示。

在bjfs站的結果中，可以明顯地看出，采用5 min采樣間隔的鐘差產品時，在1100歷元處存在較大的跳動，而鐘差間隔為30 s時的結果要比5 min時穩定，但也出現了多處10 cm左右的跳動；對于harb站，圖上二者的差別并不明顯。對解算結果進行統計，結果見表2?？梢钥闯觯琤jfs站30 s結果的RMS在x、y方向均大于5 min鐘差解算的結果，而在z方向略優于5 min鐘差解算的結果，這是因為在30 s鐘差解算的結果中出現了多處10 cm左右的跳動，而采用5 min鐘差的結果由于鐘差是通過內插得到的，故結果比較平滑；對于harb站，只有z方向30 s鐘差解算結果的RMS稍大，x、y方向均小于5 min鐘差解算的結果?？傮w上看，30 s采樣間隔鐘差解算的，結果會出現小的波動，可以反映出微小的變化，而5 min采樣間隔的結果則會出現較大的跳動。

圖4　先驗對流層模型對單歷元精密單點定位的影響

圖5　鐘差采樣間隔對動態精密單點定位的影響

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(4) GPS同震地表形變的提取

以2011年日本“3·11”地震期間mizu數據為例，采用精密單點定位提取地表同震形變，分析Bernese 5.0精密單點定位的精度。截取地震期間mizu站5：45—5：55 10 min的觀測數據，采用動態模式解算，得到N、E、U方向位移如圖6所示。可以看出，地震波到達時，測站開始向東南方向發生劇烈的抖動，測站最大位移向東達到3 m、向南達到2 m，隨著地震波的衰減，測站位置發生回彈，最終造成mizu站向東約2.1 m、向南1.1 m的永久性位移，這與其他研究機構發布的研究結果一致[11-12]。

圖6　“3·11”地震mizu站位移

三、結束語

Bernese軟件在靜態精密單點定位解算時，可以達到毫米級的精度，對于長時間的觀測數據，鐘差的采樣間隔及不同機構發布的星歷、鐘差產品對定位結果影響不大。在動態解算時，采用合理的設置可以達到厘米級的精度。Bernese具有解算速度快、速精度高的優點，在國內外許多項目中得到了廣泛的應用。利用其精密單點定位模塊，采用單站GPS觀測數據可以得到測站高精度坐標及其時間序列，可以用來提取高精度地表同震形變，對目前的地殼形變監測及工程應用具有重要的實際意義。

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中圖分類號：P228.4

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)02-0022-04

作者簡介：魯洋為(1990—)，男，研究方向為GNSS測量數據處理。E-mail：luwei09013201@163.com

基金項目：國家自然科學基金面上項目(41374008)；中央高校基本科研業務費專項資金(11CX04012A)

收稿日期：2014-12-29

引文格式： 魯洋為，王振杰. Bernese 5.0軟件下的精密單點定位精度分析[J].測繪通報，2016(2)：22-25.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0041.