多余長基線對高精度GPS數據解算的影響分析

楊登科

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300142)

0　引　言

隨著全球導航衛星系統的快速發展,作為其最成熟、應用最廣泛的代表-GPS系統,目前已被廣泛應用于大地測量、地殼形變監測、地球動力學、氣候監測、工程測量和似大地水準面精化[1]等多個領域。伴隨著高精度科研的需求和應用領域的不斷拓新,許多領域和行業都對GPS精密數據處理提出了更高的精度要求。

當前,國內外學者對GPS數據處理方法及影響其解算精度的各種因素進行了研究。如文獻[2]和文獻[3]中張雙成等對GAMIT數據解算中的基線解類型進行了分析;文獻[4]中姜衛平等分析了衛星星歷誤差、起始點坐標、解算方案和數據處理軟件等對基線解算的影響;文獻[5]中趙建三等對GAMIT基線解算過程中配置文件參數的設置對基線解算精度的影響做了簡要分析。由于在多余長基線對高精度GPS數據解算的影響方面研究較少,因此在不同已知點分布和解算時間內進行數據解算,定量分析多余長基線在不同情況下對高精度GPS數據解算的影響是極為必要的。

本文的主要目的是利用不同已知點分布和解算時間的CORS網觀測數據,采用高精度數據處理軟件進行基線解算,在以標準化的均方根誤差(NRMS)和基線重復性為標準保證解算精度的基礎上進行網平差,以定量分析在不同已知點分布和解算時間時多余長基線對高精度GPS數據解算的影響。

1　數據解算策略

1.1　數據介紹

本文選擇某地的8個CORS站(如圖1所示)和位于同一板塊的8個IGS站(分別為BJFS、CHAN、KIT3、LHAZ、POL2、SHAO、WUHN、USUD)進行聯合解算。以其中的5個CORS站作為已知點,另外3個CORS站作為未知點,并按照解算時間分為4 h、6 h、8 h、12 h、18 h和24 h共6個時段。

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1.2　解算軟件及基線解算模式介紹

目前廣泛應用的高精度GPS數據處理軟件包括:美國麻省理工學院和美國斯克里普斯海洋研究所等機構聯合開發的GAMIT/GLOBK、瑞士伯爾尼大學天文學院開發BERNESE和美國航空航天局噴氣動力實驗室開發的GIPSY等。鑒于GAMIT/GLOBK具有精度高、運算速度快、持續升級、精度許可范圍內自動化程度高等特點[6],本文以GAMIT/GLOBK軟件為例進行研究。

基于GAMIT軟件進行高精度基線解算時,依據GPS數據處理的多樣性,該軟件提供了多種參數的選擇,以確保穩定可靠的GPS定位結果。本文在進行基線解算時,選用的主要參數設置如表1所示。

表1　控制參數的選擇

1.3　數據處理方法介紹

為研究在不同已知點分布和不同解算時間時多余長基線對高精度GPS數據解算的影響,將CORS網分為A(已知點分布在外圍,取YDK3、YDK4、YDK5、YDK6和YDK8為已知點)、B(已知點分布在一側,取YDK1、YDK3、YDK4、YDK5和YDK6為已知點)兩種情況,并按照解算時間分為如1.1節中所示的6個時段。為保證解算精度,采用年積日為194～200共7天的觀測數據進行解算。在不同情況和解算時間內均采用以下兩種方案進行處理。

方案1:引入IGS站并以其坐標作為基線解算初始坐標,解得包括IGS站和CORS站的基線;

方案2:①引入IGS站并以其坐標作為基線解算初始坐標,以IGS站作為平差的起算點進行平差,得到CORS站在ITRF08框架下的坐標;②只用8個CORS站O文件進行基線解算,基線解算初始坐標采用①中解得坐標,得到僅含CORS站的基線;

方案1中得到含IGS+CORS站的基線(平差時包含多余長基線),方案2中得到僅含CORS站的基線,并分別以兩種情況下的平差起算點進行網平差,從而對多余長基線對高精度GPS數據解算的影響進行分析。

2　數據解算

按照上述的解算方法對所選數據進行基線解算,得到基線解算文件。下面將從標準化的均方根誤差(NRMS)和基線重復性兩方面對基線解算結果進行評估。

2.1　標準化的均方根誤差

標準化的均方根誤差NRMS是衡量基線解算質量的最主要的指標之一,進行高精度基線解算時要求NRMS值小于0.3[7].如圖2所示,基線解算的NRMS值除194天的4、6 h時段分別達到0.75和0.41外(由于此NRMS值超過0.3,不參與平差),其他各時段的NRMS值均在0.2左右,滿足高精度基線解算的要求。

2.2　基線重復性

基線重復性是衡量數據處理質量的重要指標之一。限于篇幅,僅列出基線長度分量的重復性,如表2所示。

表2　基線長度分量重復性統計　　　　　　　　　　單位：mm

由表2可知,基線重復性都較高,滿足高精度GPS基線解算的要求。

在所求基線滿足高精度GPS數據處理需求的基礎上,對各解算時間內兩種情況A和B在不同方案下求得的的基線解分別進行網平差,即可得到在不同已知點分布和解算時間時待求點的坐標。

3　討　論

在平差得到結果的基礎上,對不同已知點分布和解算時間時多余長基線對高精度GPS數據解算的影響進行研究。

3.1　坐標精度差異

對A、B兩種情況在各時段精度的平均值進行統計,具體如表3所示。

表3　精度統計　　　　　　　　　　　　　　　　　單位：m

由表3可知,多余長基線的存在會影響GPS數據解算的精度,在A、B兩種情況(不同已知點分布)時精度差異不大,且隨著解算時間的增加,影響呈減小趨勢。

3.2　坐標差異

分別對兩種情況(A和B)在不同方案內(IGS+CORS和CORS)所求得的坐標進行求差,并對結果進行統計,得到在兩種情況下不同方案對數據處理的影響。

表4　坐標差異　　　　　　　　　　　　　　單位:m

由表4可知,多余長基線的存在會影響高精度GPS數據解算的結果,在A(已知點環繞)中,差異最大值達到了6 mm,均值在1.0～2.5 mm之間。在B(已知點在一側)中,差異最大值達到了12.7 mm,均值在3.0～5.5 mm之間;在各時段內,坐標差異均較為明顯,在進行高精度GPS數據解算時,需顧忌多余長基線的影響;B差異明顯較A差異大,表明當已知點分布較差時,更應考慮多余長基線對GPS數據處理的影響。

4　結束語

隨著GPS建設的不斷推進和理論研究的不斷完善,如何獲得高精度的坐標成果以滿足各領域實際工作的需要依然是當前面臨的一個重要問題[8-10]。本文選擇具有不同已知點分布和解算時間的CORS網觀測數據,定量研究在不同已知點分布和解算時間時多余長基線對高精度GPS數據解算的影響,并得出以下結論:多余長基線的存在會對GPS數據解算的精度產生影響,在不同已知點分布時精度差異不大,且隨著解算時間的增加,影響呈減小趨勢;多余長基線的存在也會對解算結果產生較大影響,在已知點分布較好時,影響最大值達到了6 mm,已知點分布較差時最大值達到了12.7 mm,在各時段內,坐標差異均較為明顯,在進行高精度GPS數據解算時,需顧忌多余長基線的影響;在已知點分布較差時坐標差異更為突出,表明在已知點分布較差時更應考慮多余長基線對GPS數據處理的影響。因此,在進行地殼形變監測、參考框架的建立和似大地水準面精化等研究中,多余長基線對GPS精密數據處理的影響是不容忽視的。

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[2]張雙成,曹海洋,高涵,等. 基于GAMIT的GPS短基線解類型分析及應用[J]. 測繪通報,2011(10): 27-29.

[3]張雙成,曹海洋,李海英. 基于GAMIT的GPS長基線解類型分析及應用[J]. 工程勘察,2011(10): 42-45.

[4]姜衛平,劉經南,葉世榕. GPS形變監測網基線處理中系統誤差的分析[J]. 武漢大學學報(信息科學版),2001,26(3):196-199.

[5]趙建三,楊創,聞德保. 利用GMAIT進行高精度GPS基線解算的方法及精度分析[J]. 測繪通報,2011,(8):5-8.

[6]鄂棟臣,詹必偉,姜衛平,等. 應用GAMIT/GLOBK軟件進行高精度GPS數據處理[J]. 極地研究,2005,17(3):173-182.

[7]楊登科,安向東,湯勰. GAMIT數據處理中基線解算模式的對比分析[J]. 測繪地理信息,2016,41(2):18-21.

[8]安向東,楊登科. 測站間高差對短時段GPS基線解算的影響[J]. 大地測量與地球動力學,2016,36(6):534-538.

[9]楊登科,安向東,黃廣利,等. 不同時間序列跨度對噪聲模型建立的影響分析[J].測繪科學,2016,41(5):33-37.

[10]李星光,鄭南山. 參數設置對高精度GPS數據解算的影響探討[J].測繪科學,2015,40(1):33-37.