不同解算策略下的GNSS區(qū)域網(wǎng)平差分析

王 健，劉宗強(qiáng)，朱亞兵

(1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100830；3.廣東省國(guó)土資源測(cè)繪院，廣州 510500)

0 引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理是GNSS定位技術(shù)的一個(gè)重要內(nèi)容[1-2]。在數(shù)據(jù)處理過程中方法的選擇和優(yōu)化對(duì)GNSS測(cè)量結(jié)果影響很大。為了使區(qū)域建立的參考框架與國(guó)際地球參考框架更加接近，充分利用國(guó)際GNSS服務(wù)(International GNSS Service，IGS)觀測(cè)數(shù)據(jù)無疑是最佳途徑[3-4]。國(guó)內(nèi)一些專家學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5]通過對(duì)南極中山站GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，認(rèn)為為得到國(guó)際地球參考框架下精確的坐標(biāo)，在計(jì)算時(shí)應(yīng)加入5個(gè)均勻分布在未知點(diǎn)附近的IGS站，其中距離未知點(diǎn)較近的點(diǎn)為必須點(diǎn)且所選點(diǎn)應(yīng)均在南半球。文獻(xiàn)[6]通過聯(lián)合解算25個(gè)分布均勻的中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站和國(guó)內(nèi)及周邊12個(gè)IGS站，得出結(jié)論：當(dāng)在X、Y及Z3個(gè)方向上約束1 cm時(shí)，平差精度較好；單天解平差的均方差能夠達(dá)到毫米級(jí)，而周解的均方差能達(dá)到亞毫米級(jí)且周解平差精度高。

本文通過利用陸態(tài)網(wǎng)中新疆地區(qū)GNSS連續(xù)觀測(cè)站以及全球IGS觀測(cè)站的資料，使用GAMIT解算獲取單日解，并采取不同平差策略對(duì)使用GLOBK獲取的定位結(jié)果進(jìn)行分析研究，重點(diǎn)討論IGS站的加入對(duì)GNSS網(wǎng)平差的影響。

1 GNSS觀測(cè)網(wǎng)資料概況

“中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)”(簡(jiǎn)稱“陸態(tài)網(wǎng)”)是我國(guó)在“十一五”建設(shè)期間成立的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)建設(shè)設(shè)施，其中由基準(zhǔn)網(wǎng)、區(qū)域網(wǎng)、數(shù)據(jù)系統(tǒng)3類組成。陸態(tài)網(wǎng)共包括260多個(gè)連續(xù)觀測(cè)站和2 000多個(gè)不定期觀測(cè)站，該網(wǎng)旨在以全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)等多種現(xiàn)代空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)為主，結(jié)合傳統(tǒng)的地面大地測(cè)量觀測(cè)手段，對(duì)中國(guó)大陸及其鄰區(qū)巖石圈地殼運(yùn)動(dòng)和重力場(chǎng)變化、近地空間圈水汽含量變化和電離層電子密度變化等多圈層、多類型構(gòu)造環(huán)境因素進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)，以服務(wù)于地址預(yù)防為主，兼顧軍事測(cè)繪、大地測(cè)量、天氣預(yù)報(bào)和科學(xué)研究等多領(lǐng)域應(yīng)用[7-8]。陸態(tài)網(wǎng)的網(wǎng)形較大，本次實(shí)驗(yàn)選取其中數(shù)據(jù)采樣頻率為30 s的28個(gè)新疆地區(qū)的連續(xù)觀測(cè)站1個(gè)月的數(shù)據(jù)，使得該實(shí)驗(yàn)的可靠性和嚴(yán)謹(jǐn)性得到保證。新疆地區(qū)連續(xù)觀測(cè)站的分布如圖1所示。

2 GAMIT基線解算方案

數(shù)據(jù)處理是研究GNSS領(lǐng)域的一項(xiàng)重要內(nèi)容，數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量與許多因素息息相關(guān)；因此選用優(yōu)秀的GNSS處理軟件顯得至關(guān)重要。由美國(guó)麻省理工學(xué)院和美國(guó)SCRIPPS海洋研究所共同開發(fā)的高精度定位和定軌軟件—GAMIT，在處理靜態(tài)定位GNSS數(shù)據(jù)時(shí)具有處理結(jié)果準(zhǔn)確、版本更新周期短、運(yùn)算速度快、在精度許可范圍內(nèi)自動(dòng)化處理程度高等優(yōu)點(diǎn)；因此受到廣大學(xué)者的喜愛，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用非常廣泛[9]。本文使用GAMIT10.50獲得了陸態(tài)網(wǎng)新疆地區(qū)28個(gè)觀測(cè)站和中國(guó)大陸地區(qū)及周圍17個(gè)IGS站的區(qū)域單日松弛解。其中部分參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 部分參數(shù)設(shè)置

3 GAMIT計(jì)算結(jié)果檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)

本次實(shí)驗(yàn)采用的是陸態(tài)網(wǎng)新疆地區(qū)分布均勻的28個(gè)連續(xù)觀測(cè)站在2015-01-01—2015-01-30連續(xù)30 d的觀測(cè)數(shù)據(jù)，GAMIT基線解算詳細(xì)步驟可參考文獻(xiàn)[10]。在實(shí)驗(yàn)之前，所有數(shù)據(jù)均使用TEQC軟件進(jìn)行了預(yù)處理和質(zhì)量檢查，最后顯示此次數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。

GAMIT基線處理結(jié)果有3個(gè)檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)指標(biāo)：1)所有測(cè)站點(diǎn)是否都參與解算；2)各測(cè)站的單天解是否使用了足夠多的測(cè)量數(shù)據(jù)；3)測(cè)量數(shù)據(jù)的擬合模型是否達(dá)到了噪聲水平，這與標(biāo)準(zhǔn)化均方根差(normalized root mean square，NRMS)值有直接關(guān)系。NRMS表示單時(shí)段解算出的基線值偏離其加權(quán)平均值的程度為

(1)

式中：n為單時(shí)段數(shù)；Yi為單時(shí)段基線分量NS、EW、高程向及基線長(zhǎng)估計(jì)值；Y為各時(shí)段解基線分量或邊長(zhǎng)的加權(quán)平均值；σi為各分量的中誤差。

如果NRMS值大于0.5，那么此次結(jié)算結(jié)果是有問題的(原因可能是周跳沒有修復(fù)、測(cè)站的起算點(diǎn)坐標(biāo)不正確等等)；如果NRMS值小于0.5，則此次解算成功。一般認(rèn)為NRMS值越小越好，若小于0.25則視為處理效果較好。此次使用GAMIT基線處理的平均NRMS值均在0.180左右，則基線解算的結(jié)果均符合要求。單日解NRMS值如圖2所示。

4 GLOBK解算方案比較分析

4.1 GLOBK平差計(jì)算方案

GLOBK(Global Kalman filter VLBI and GNSS analysis program)為采用卡爾曼濾波技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)平差的軟件，利用前期處理得到的松弛解向量和協(xié)方差陣對(duì)多期觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合平差，融合出測(cè)站的精確坐標(biāo)、變化速率及軌道參數(shù)等[11-12]。本次實(shí)驗(yàn)使用GLOBK軟件進(jìn)行網(wǎng)平差的具體步驟可參考文獻(xiàn)[13]。對(duì)于最后得到的H文件，采取GLOBK軟件進(jìn)行網(wǎng)平差計(jì)算；并采取ITRF2008作為參考框架，依據(jù)采用IGS站的H文件的選取不同分成以下3個(gè)方案：

方案1：只采用本次計(jì)算得到的30 d H文件，平差時(shí)不加入IGS站進(jìn)行約束；

方案2：只采用本次計(jì)算得到的30 d H文件，平差時(shí)加入中國(guó)及周邊17個(gè)IGS站進(jìn)行約束；

方案3：采用本次計(jì)算得到的30 d H文件以及斯克里普斯軌道和常駐陣列中心(Scripps Orbit and Permanent Array Center，SOPAC)提供的全球解H文件，平差時(shí)加入中國(guó)及周邊17個(gè)IGS站進(jìn)行約束。

4.2 GLOBK平差結(jié)果比較分析

完成3種方案的GLOBK平差之后，可以得到陸態(tài)網(wǎng)新疆地區(qū)28個(gè)連續(xù)觀測(cè)站坐標(biāo)和速度的精度，下面從這2方面進(jìn)行研究分析。

4.2.1 測(cè)站坐標(biāo)分析

由于測(cè)站較多，限于篇幅，表中只列出10個(gè)測(cè)站的坐標(biāo)精度。具體結(jié)果見表2～表4。

表2 E方向坐標(biāo)解算結(jié)果

表3 N方向坐標(biāo)解算結(jié)果

表4 U方向坐標(biāo)解算結(jié)果

為了使解算結(jié)果更加直觀，圖3、圖4和圖5分別給出每個(gè)測(cè)站在E、N、U方向上的精度折線圖。其中折線圖橫坐標(biāo)1～28分別表示陸態(tài)網(wǎng)新疆地區(qū)連續(xù)觀測(cè)站XJJJ、XJQH、XJML、XJSS、XJFY、XJRQ、XJAL、XJBE、XJWL、XJKE、XJSH、XJQM、XJKL、XJDS、XJBY、XJTZ、XJXY、XJKC、XJTC、XJYT、XJYN、XJWQ、XJZS、XJHT、XJBC、XJYC、XJWU、XJBL，下同。

由圖可以看出：測(cè)站基于方案1在E、N、U方向上的精度大約為2.38、2.26、3.44 mm；隨著17個(gè)IGS站的加入，測(cè)站在E、N、U方向上的精度提升至0.66、0.70、2.34 mm；當(dāng)使用全球H文件一起平差時(shí)，相比之下測(cè)站在E、N、U方向上的精度最高，大約為0.39、0.41、1.31 mm。對(duì)于3個(gè)方案，E、N方向上的精度結(jié)果相差不大且比U方向上高出很多，原因可能是加入的IGS站在南北和東西方向上分布比較均勻。各測(cè)站在E、N、U方向上：方案2比方案1精度有了明顯提升，分別提高了72.27 %、68.72 %、31.98 %左右；方案3比方案2精度又有了提升，分別提高了41.79 %、42.25 %、44.02 %左右；方案3比方案1精度提高了83.61 %、81.94 %、61.92 %左右。所以方案1的解算精度最差，方案2次之，方案3精度最高。

由此可以看出在使用GLOBK軟件進(jìn)行陸態(tài)網(wǎng)新疆地區(qū)網(wǎng)平差時(shí)，加入中國(guó)及周邊的17個(gè)IGS站進(jìn)行約束就能大幅度提高坐標(biāo)精度；當(dāng)聯(lián)合SOPAC提供的全球解H文件一起平差時(shí)，坐標(biāo)精度最高、結(jié)果最好。

4.2.2 測(cè)站速度分析

同樣，限于篇幅，表5～表7只列出了10個(gè)測(cè)站在E、N、U方向上的速度解算結(jié)果。

表5 E方向速度解算結(jié)果

表6 N方向速度解算結(jié)果

表7 U方向速度解算結(jié)果

圖6～圖8直觀反映出3個(gè)方案分別在E、N、U方向上的速度解算精度。不難看出，各測(cè)站在E、N、U方向上，3個(gè)方案的速度精度均比坐標(biāo)精度要低。而且3個(gè)方案在E、N方向上的精度比U方向上高出很多。3個(gè)方案在E方向上的精度為18.07、13.14、12.73 毫米·年-1；在N方向上的精度為18.97、14.12、13.85 毫米·年-1；在U方向上的精度為52.04、49.84、47.89 毫米·年-1。所以在3個(gè)方向上：方案2比方案1精度有了明顯提升，分別提高了26.35 %、29.82 %、4.04 %

左右；方案3比方案2精度又有了提升，分別提高了11.23 %、9.95 %、4.10 %左右；方案3比方案1精度提高了34.62 %、34.80 %、7.97 %左右。因此在進(jìn)行陸態(tài)網(wǎng)新疆地區(qū)GLOBK平差時(shí)，加入中國(guó)及周邊的17個(gè)IGS站進(jìn)行約束就能大幅度提高測(cè)站速度精度；當(dāng)聯(lián)合SOPAC提供的全球解H文件一起平差時(shí)，精度最高。

5 結(jié)束語

本文依據(jù)IGS站的選取不同對(duì)比分析了GLOBK平差時(shí)3種解算方案的測(cè)站坐標(biāo)和速度精度結(jié)果，得到以下結(jié)論：

1)測(cè)站在E、N方向上的坐標(biāo)精度結(jié)果相差不大，且都比U方向上坐標(biāo)精度高出很多；

2)測(cè)站的速度精度均比坐標(biāo)精度要低；

3)在本文的GAMIT/GLOBK參數(shù)設(shè)置下，進(jìn)行陸態(tài)網(wǎng)新疆地區(qū)網(wǎng)平差時(shí)，加入中國(guó)及周邊的17個(gè)IGS站進(jìn)行約束就能大幅度提高測(cè)站坐標(biāo)和速度的精度，當(dāng)聯(lián)合SOPAC提供的全球解H文件一起平差時(shí)得到的測(cè)站坐標(biāo)和速度的精度最高且明顯提升。

當(dāng)然，在進(jìn)行GAMIT基線解算和GLOBK平差時(shí)，參數(shù)設(shè)置的不同得到的結(jié)果也有一定的差異；該實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論只在一定情況下適用。IGS站點(diǎn)的選取對(duì)連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)平差具有很重要的意義，今后仍需不斷研究，進(jìn)一步完善方案。

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