基于GAMIT的不同參數(shù)對北斗長基線精度的影響分析

李建濤，朱蘭艷，李永梅，金鑫，劉奇，滿亞洲

(昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院,云南 昆明 650093;2.烏魯木齊市國土資源勘測規(guī)劃院,新疆 烏魯木齊 830002;3.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院,陜西 西安 710054)

0 引 言

隨著我國北斗系統(tǒng)不斷的建設(shè)和完善,北斗系統(tǒng)逐漸成熟,目前主要服務(wù)區(qū)域在亞太地區(qū),但即將進(jìn)入全球組網(wǎng)的階段.與此同時,國內(nèi)外有許多高精度基線解算軟件也在不斷加入北斗系統(tǒng).不同軟件利用不同改正參數(shù)對基線進(jìn)行解算的精度有所不同,使北斗基線解算精度的提高面臨著挑戰(zhàn).其中國外著名高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件GAMIT發(fā)布了10.61版本,此版本增加了Rinex3版本數(shù)據(jù)的讀取,支持混合精密星歷及混合廣播星歷,新增了北斗和伽利略系統(tǒng)的共用表文件.因此,北斗與伽利略數(shù)據(jù)也可以使用GAMIT 解算,但此版本依舊不能同時處理混合系統(tǒng)的數(shù)據(jù).其中已有許多學(xué)者對GAMIT做過大量研究,有研究結(jié)果表明GAMIT在解算GPS的定位精度達(dá)到了毫米量級[1],張樹宏等[2]對北斗中長基線靜態(tài)測量做了評估,羅權(quán)[3]和王樹東[4]分別利用GAMIT軟件測試了不同截止高度角和不同星歷對GPS基線的影響分析.張雙成等[5]測試了不同解算策略對GPS長基線的影響,但以上影響分析都是基于GPS基線的分析.對于利用GAMIT軟件解算北斗基線以及利用GAMIT軟件分析不同參數(shù)對北斗基線的影響情況研究較少.雖然北斗基線解算原理與GPS類似,但由于GAMIT軟件使用復(fù)雜,解算文件多,參數(shù)設(shè)置復(fù)雜,以及北斗星座設(shè)計的站星幾何圖形變化較慢特點,也會對基線解算造成影響[6].在此背景下,本文首先利用GAMIT解算北斗基線,之后使用不同控制參數(shù)對北斗基線進(jìn)行解算,分析影響程度,得到解算北斗基線的最佳控制參數(shù).

1 實驗設(shè)計及數(shù)據(jù)分析

1.1 實驗設(shè)計

本次實驗主要測試不同截止高度角、不同天頂對流層延遲參數(shù)及不同測站約束指標(biāo)對北斗基線的影響.首先使用默認(rèn)的設(shè)置對北斗基線進(jìn)行解算,以驗證GAMIT解算北斗基線的可行性,之后再進(jìn)行不同參數(shù)設(shè)置的實驗分析.為了得到可靠的比較結(jié)果,在對同參不同值進(jìn)行實驗時,其他參數(shù)均采用GAMIT默認(rèn)的設(shè)置以確保僅受該參數(shù)影響.

實驗數(shù)據(jù)來自全球分布MGEX站,選取位于東南亞地區(qū)的四個測站(CMUM、CPNM、DLTV和JNAV)2016年第017天、歷元間隔30 s、觀測時間24 h的混合觀測數(shù)據(jù),星歷采用武漢大學(xué)發(fā)布的混合星歷.GAMIT目前只能處理單系統(tǒng)的數(shù)據(jù),故其他系統(tǒng)對北斗數(shù)據(jù)解算沒有影響.所選測站分布及基線信息如圖1和表1所示.

表1 基線信息表

1.2 數(shù)據(jù)分析

由于北斗系統(tǒng)重點服務(wù)區(qū)域在亞太地區(qū),實驗選取的測站均位于東南亞且靠近中國西南地區(qū).以CMUM 站點為例,在觀測時段內(nèi)可見衛(wèi)星數(shù)較好(如圖2、圖3所示),利于解算,其中圖2示出了C01、C02、C03、C05、C09、C10衛(wèi)星一直可見.

2 數(shù)據(jù)解算及精度分析

2.1數(shù)據(jù)結(jié)算

利用GAMIT進(jìn)行基線解算時,選取的控制參數(shù)不同會影響基線的精度.GAMIT軟件提供了許多控制參數(shù),為得到高精度的北斗基線,首先采用表2中的控制參數(shù)來解算表1中的基線.

表2 解算控制參數(shù)表

利用以上參數(shù)對北斗長基線進(jìn)行初步解算,解算結(jié)束后若以Nomal stop 結(jié)束,說明GAMIT可以正常解算北斗基線,之后查看生成的q文件與o文件中標(biāo)準(zhǔn)化的均方根誤差(NRMS)、基線解算結(jié)果及各方向的偏差.其中NRMS是用來表示單時段解算出的基線偏離其加權(quán)平均值的程度,是衡量GAMIT基線解質(zhì)量的一個重要指標(biāo),NRMS值越小,基線精度越高,反之越低.通常來說NRMS值一般小于0.3,若大于0.5則說明在數(shù)據(jù)處理過程中部分周跳可能未修復(fù)或者由其他原因造成[7].

圖4為算例解算正常結(jié)束時的截圖,可見NRMS為0.24,說明解算結(jié)果比較可靠.基線解算成果見表3,相對精度達(dá)到了10-8量級.

表3 基線解算結(jié)果

2.2 精度分析

基線解算時不同參數(shù)控制可以達(dá)到不同解算目的,同時也會影響基線的精度.為了達(dá)到較高的精度,下面選取平時解算時經(jīng)常變動的控制參數(shù)來進(jìn)行分析,即不同截止高度角、不同天頂對流層延遲參數(shù)個數(shù)、不同測站約束指標(biāo).任意選取，分析時選取CMUM-CPNM、DLTV-JNAV、CPNM-DLTV三條基線,利用標(biāo)準(zhǔn)化的均方根誤差(NRMS)、基線分量誤差作為精度指標(biāo).

2.2.1 不同截止高度角影響分析

在分析截止高度角對北斗長基線影響時,除了高度角外其余參數(shù)設(shè)置同表2.將高度角分別選取為5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°結(jié)果如圖5(a)～圖5(e).由圖5(a)可知,在截止高度角由5°到30°變化時NRMS值減小趨勢較大,35°至40°變化較小,所有NRMS都小于0.3,說明基線解算都比較可靠;由圖5(b)～5(e)可知,截止高度角在5°、10°時各方向誤差基本相同，誤差最小在0.01 m左右,隨著截止高度角的增大誤差在不斷增大,其中截止高度角為40°時變化較為明顯，且誤差達(dá)到最大值0.07 m左右.綜上,利用GAMIT解算北斗長基線時高度角設(shè)為5°～15°時比較合適.

2.2.2 不同天頂對流層延遲參數(shù)影響分析

在進(jìn)行不同天頂對流層延遲參數(shù)解算時,除天頂延遲參數(shù)外其余參數(shù)同表2.分別將天頂延遲參數(shù)個數(shù)設(shè)置為7、13、19、25進(jìn)行解算,其中在24小時的測段內(nèi)每2小時估計1個參數(shù)即天頂對流層延遲參數(shù)個數(shù)為13.由圖6(a)可知,此時NRMS都小于0.3,基線解算比較可靠.隨著天頂對流層延遲參數(shù)個數(shù)增多NRMS值相對于上個參數(shù)的變化僅為0.001 m,延遲參數(shù)7與25的變化為0.016 m左右.由圖6(b)可知,天頂延遲參數(shù)在13時各方向誤差增大,隨著繼續(xù)改變參數(shù)后誤差逐漸減小,但是變化都非常小僅為0.001 m左右,說明天頂對流層延遲參數(shù)個數(shù)對于北斗基線的影響不大,但也可在一定程度上影響精度.

2.2.3 不同測站約束指標(biāo)影響分析

測站坐標(biāo)約束是對一個或多個已知坐標(biāo)進(jìn)行約束以求得未知測站精確坐標(biāo).約束指標(biāo)參數(shù)的分析實驗與前兩項參數(shù)分析類似,只改動約束指標(biāo)其余參數(shù)同表2;試驗中只對CPNM測站進(jìn)行約束,其余測站保持默認(rèn)的約束.由圖7(a)可知,不同約束指標(biāo)下的NRMS值均小于0.3,基線解算結(jié)果比較可靠,不同約束指標(biāo)對NRMS影響非常小.由圖7(b)可知,隨著約束指標(biāo)由緊變松,各基線的誤差有所增大,其中0.01 m約束、0.05 m約束和0.1 m約束變化較小,但從0.1 m約束到0.5 m約束變化較大,之后變化又較小.以上說明不同約束指標(biāo)對北斗基線影響也有所不同,選取不同的約束量對基線解算精度影響較大.

3 結(jié)束語

為了分析GAMIT解算北斗長基線的可行性、精度以及GAMIT參數(shù)設(shè)置對北斗長基線的影響情況,采用東南亞地區(qū)四個MGEX站24 h觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行實驗,結(jié)果表明，GAMIT軟件(10.61)可以解算北斗長基線且相對精度在10-8量級.通過使用不同參數(shù)設(shè)置對北斗基線解精度影響的分析表明,截止高度角在5°～15°最佳;天頂對流層延遲參數(shù)個數(shù)對北斗基線影響較小,一般選擇默認(rèn)設(shè)置即可;測站約束在0.01 m和0.05 m時解算結(jié)果較好.作為示例,本文只利用GAMIT對北斗長基線的部分參數(shù)做了分析,其他參數(shù)值對北斗長基線的影響以及各參數(shù)值對北斗短基線的影響分析也可類似進(jìn)行.