高精度GPS超短基線場(chǎng)數(shù)據(jù)處理與分析

武曙光,聶桂根,2,彭鳳友,何月帆,武昌生

(1.武漢大學(xué) 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心,湖北 武漢 430079;2.地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北 武漢 430079;3.宿州市測(cè)繪管理處,安徽 宿州 234000)

0 引 言

標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度基線場(chǎng)作為測(cè)繪儀器檢定的重要標(biāo)準(zhǔn)器之一,長(zhǎng)期以來為交通、水利、地震、城建、地質(zhì)等的基礎(chǔ)科學(xué)研究和工程建設(shè)提供了重要的基礎(chǔ)設(shè)施保障. 隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化及現(xiàn)代地理信息產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展壯大,GNSS接收機(jī)迅速普及,儀器的校準(zhǔn)問題就突出地顯示出來. 而進(jìn)行GNSS接收機(jī)校準(zhǔn),首先要建立GNSS基線場(chǎng).

根據(jù)JJF1118-2004《全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機(jī)(測(cè)地型和導(dǎo)航型)校準(zhǔn)規(guī)范》[1]以及JJF1214-2008《長(zhǎng)度基線場(chǎng)校準(zhǔn)規(guī)范》[2]的要求,超短基線是指標(biāo)準(zhǔn)值在0.2～24 m范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度,可以校準(zhǔn)GNSS接收機(jī)的天線相位中心一致性和GNSS接收機(jī)內(nèi)部噪聲水平.

基線場(chǎng)建立完成以后,需要進(jìn)行高精度GNSS數(shù)據(jù)處理,包括基線解算和網(wǎng)平差. 若新建的基線場(chǎng)周圍存在本地的連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)網(wǎng),同時(shí)CORS站坐標(biāo)精確可靠、觀測(cè)數(shù)據(jù)易于獲取,則可以用來聯(lián)合解算,求出新建站的基線和坐標(biāo)結(jié)果. 而如果新建的基線場(chǎng)周圍沒有可用的CORS站,或者CORS站的坐標(biāo)及精度未知,則有必要使用國(guó)際GNSS服務(wù)站(IGS)數(shù)據(jù)來完成解算. 本文針對(duì)新建的GNSS超短基線場(chǎng),聯(lián)合周邊的IGS站、中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(CMONOC)站進(jìn)行高精度基線解算,采用三種解算方案并對(duì)它們的解算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析.

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 超短基線場(chǎng)簡(jiǎn)介

通過對(duì)項(xiàng)目所在地的地形勘測(cè),按5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)對(duì)GNSS超短基線場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)形設(shè)計(jì),如圖1所示. 該基線場(chǎng)由5個(gè)點(diǎn)組成,網(wǎng)形為等腰梯形,各條基線的夾角約為60°,長(zhǎng)度約為6 m,每次最多可以同步校準(zhǔn)5臺(tái)GNSS接收機(jī). 基線場(chǎng)所在地天空無障礙物、地質(zhì)構(gòu)造堅(jiān)固穩(wěn)定,交通便利,便于建造、管理與維護(hù). 各點(diǎn)位均埋設(shè)為強(qiáng)制歸心的觀測(cè)墩,并且遠(yuǎn)離電磁信號(hào)干擾源和易于產(chǎn)生多路徑信號(hào)源的地方,如遠(yuǎn)離微波站、無線電發(fā)射臺(tái)、高壓線等,滿足規(guī)范要求. 超短基線場(chǎng)埋設(shè)時(shí),需按設(shè)計(jì)坐標(biāo)進(jìn)行精確放樣,確定觀測(cè)墩位置,超短基線場(chǎng)各邊長(zhǎng)放樣誤差不大于±3 cm[3].

基線場(chǎng)建設(shè)完成以后,經(jīng)過兩個(gè)月的自然沉降觀測(cè)墩逐漸穩(wěn)定,此時(shí)進(jìn)行GNSS數(shù)據(jù)采集以及全站儀測(cè)邊等工作. 2019年11月5-7日進(jìn)行了3天的靜態(tài)測(cè)量,使用的接收機(jī)為Trimble Net R9,采樣周期為15 s,天線為TRM55971. 在11月4日和8日,使用了萊卡TS60全站儀進(jìn)行了兩次基線邊測(cè)量,每條基線邊采用往返測(cè),施測(cè)兩個(gè)測(cè)回.

1.2 數(shù)據(jù)處理方案

本文采用的數(shù)據(jù)處理軟件為GAMIT/GLOBK10.5,首先使用GAMIT計(jì)算2019年11月5-7日的單日基線結(jié)果,再利用GLOBK進(jìn)行整體平差得出各站坐標(biāo). 由于GAMIT軟件目前還不能處理混合系統(tǒng)的數(shù)據(jù),選取了采集數(shù)據(jù)中的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析.

數(shù)據(jù)選擇: 1)觀測(cè)文件:2019年11月5-7日(年積日309-311)5個(gè)超短基線站點(diǎn)的整日觀測(cè)文件,采樣周期為15 s; 2)星歷文件:對(duì)應(yīng)時(shí)段的IGS精密星歷及廣播星歷; 3)IGS站數(shù)據(jù):北京市周圍的6個(gè)IGS站觀測(cè)文件,采樣間隔為30 s. 本次數(shù)據(jù)處理選用的6個(gè)IGS站分布如圖2所示. 圖中星號(hào)為選用的IGS站點(diǎn),圓點(diǎn)為北京市及周邊分布均勻的5個(gè)CMONOC參考站. 這些IGS站點(diǎn)較均勻地分布在項(xiàng)目所在地周圍,使得組成的GPS網(wǎng)有較好網(wǎng)形和較高精度. 本次處理使用的各IGS站的觀測(cè)文件、廣播星歷、精密星歷以及精密鐘差均從斯克里普斯軌道和永久陣列中心(SOPAC)下載得到;5個(gè)CMONOC參考站數(shù)據(jù)來自陸態(tài)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心教育部數(shù)據(jù)子系統(tǒng)服務(wù)器.

圖2 GAMIT處理使用的IGS站分布

主要的GAMIT基線解算策略包括:解算類型為BASELINE,將衛(wèi)星軌道參數(shù)固定;觀測(cè)值類型為雙差觀測(cè)值;截止高度角設(shè)置為15°,以減少多路徑效應(yīng)等與衛(wèi)星高度角有關(guān)的誤差源的影響;測(cè)站約束為松弛約束,IGS站點(diǎn)N、E方向10 cm,U方向20 cm;待估測(cè)站N、E、U方向皆為30 m， 天線相位中心改正模型為AZEL,將天線相位中心看成是衛(wèi)星高度角和方位角的函數(shù),采用雙線性插值;對(duì)流層延遲改正:映射函數(shù)采用VMF1;每2小時(shí)估計(jì)一次天頂對(duì)流層延遲參數(shù);每12小時(shí)估計(jì)一次大氣水平梯度參數(shù);電離層延遲改正:采用LC組合觀測(cè)值消除一階電離層延遲的影響;高階電離層延遲模型為GMAP;地磁場(chǎng)參考模型為IGRF11;潮汐改正:采用的潮汐改正項(xiàng)包括地球固體潮(IERS2003)、極潮、海潮(FES2004)以及大氣潮(全球格網(wǎng)模型ANU100826);非潮汐改正:非潮汐大氣模型改正(atmfilt-cm.year模型);參考框架:ITRF2014.

本文擬采用三種基線解算與網(wǎng)平差方案：

方案一:6個(gè)IGS站、5個(gè)CMONOC參考站、5個(gè)項(xiàng)目測(cè)站共16個(gè)站點(diǎn)首先統(tǒng)一進(jìn)行基線解算,然后IGS站作為約束站,經(jīng)過三維平差得到項(xiàng)目測(cè)站的基線與坐標(biāo)結(jié)果.

方案二:首先IGS站、CMONOC參考站共11個(gè)站點(diǎn)作為框架網(wǎng),經(jīng)過基線解算與網(wǎng)平差,得出CMONOC參考站的ITRF2014框架下的精確坐標(biāo). 然后將CMONOC參考站、項(xiàng)目測(cè)站作為下一級(jí)子網(wǎng),類似地得出項(xiàng)目測(cè)站的基線與坐標(biāo)結(jié)果.

再次，從考核機(jī)制方面看，上級(jí)主管部門對(duì)學(xué)校體育場(chǎng)館資源使用效益沒有具體的考核辦法，對(duì)學(xué)生課外體育鍛煉情況也沒有具體的考核辦法，相反，如果在資源出租出借財(cái)務(wù)方面出現(xiàn)問題或?qū)W生安全方面出現(xiàn)問題，學(xué)校相關(guān)負(fù)責(zé)人就會(huì)受到對(duì)應(yīng)的追責(zé)。

方案三:第一步與方案二相同,首先得出CMONOC參考站的高精度坐標(biāo),然后所有16個(gè)站點(diǎn)聯(lián)合進(jìn)行基線解算與網(wǎng)平差. 在方案三第二步的GAMIT基線解算中,通過加入CMONOC參考站先驗(yàn)坐標(biāo)約束[4],探討相比于方案二,方案三是否有利于基線解算及網(wǎng)平差的精度提高.

CMONOC參考站和項(xiàng)目測(cè)站的分布如圖3所示. 圖中圓點(diǎn)即為選用的CMONOC參考站,三角形表示5個(gè)項(xiàng)目測(cè)站.

圖3 GAMIT處理使用的CMONOC參考站分布

2 基線結(jié)果分析

GAMIT基線解算完成后,可將基線解的標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差(NRMS)作為GPS同步環(huán)質(zhì)量好壞的一個(gè)指標(biāo),表示單時(shí)段解算的基線值Yi偏離其加權(quán)平均值Y的程度[5],其定義為

(1)

式中：N為基線數(shù)目；σi為基線解算中誤差. 通常要求NRMS值小于0.3,若大于0.5,則表示基線處理過程中周跳可能未得到完全修復(fù)[6-7]

表1示出了三種方案解算獲得的年積日309-311單日解NRMS值,可見所有基線解算的均方根誤差均滿足精度要求. 其中方案二的第二步基線解算的NRMS值比其他解算方案稍大0.1,這可能是由于該基線網(wǎng)空間范圍小,短基線的相對(duì)誤差一般大于長(zhǎng)基線造成的,同時(shí)也可能與基線數(shù)目較少有關(guān).

表1 三種方案基線解算獲得的NRMS值

另外,也可以通過檢查所有站點(diǎn)是否全部參與基線解算來檢查解算效果. 在單日解文件中的總結(jié)文件中,若是Number of stations used(使用的測(cè)站數(shù)目)與Total xfiles(生成的X文件的數(shù)量)一致,則說明全部站點(diǎn)參與了基線解算[8]. 經(jīng)檢查,本次解算所有測(cè)站均參與解算.

在基線解算的質(zhì)量控制中,重復(fù)性是一種更高等級(jí)的質(zhì)量控制指標(biāo). 重復(fù)性的定義為

(2)

表2 三種方案下的4條獨(dú)立基線的N、E、U分量及長(zhǎng)度方向的基線重復(fù)率 m

全站儀測(cè)邊的結(jié)果示于表3.可以看出,若以全站儀兩日實(shí)測(cè)值的均值作為基準(zhǔn),則三種方案的基線結(jié)果最大差異為2 mm,解算成果符合規(guī)范和設(shè)計(jì)書要求. 其中方案二的基線結(jié)果略優(yōu)于方案一和方案三.

表3 全站儀實(shí)測(cè)基線邊長(zhǎng)與對(duì)應(yīng)的GAMIT基線解算結(jié)果

3 GLOBK網(wǎng)平差

基線解算完成以后,使用H文件作為觀測(cè)量進(jìn)行GLOBK網(wǎng)平差,起算點(diǎn)坐標(biāo)約束在N、E、U分量上分別為1 cm、1 cm、2 cm. 方案一中起算點(diǎn)為6個(gè)IGS站,方案二中第一步同為6個(gè)IGS站,第二步為5個(gè)CMONOC參考站,方案三中第一、二步均為6個(gè)IGS站. 項(xiàng)目測(cè)站的點(diǎn)位坐標(biāo)結(jié)果如表4所示(ITRF2014參考框架,歷元2019.8480). 可見三種解算方案所得的坐標(biāo)差異不大,坐標(biāo)分量的互差基本保持在1 cm以內(nèi). 然后取三種方案的坐標(biāo)結(jié)果的平均值作為虛擬真值,分別求出三種方案下各個(gè)項(xiàng)目測(cè)站與其虛擬真值間的距離,以對(duì)比它們坐標(biāo)結(jié)果的穩(wěn)健度,如圖4所示. 可見,三種解算方案下的點(diǎn)位坐標(biāo)結(jié)果差異很小,與其均值間的差異不超過1 cm. 方案三的差異最大,為7～8 mm;方案一次之,為4～5 mm;方案二最小,5個(gè)項(xiàng)目測(cè)站均保持在3～4 mm.

圖4 三種解算方案點(diǎn)位坐標(biāo)與均值間的距離

表4 項(xiàng)目測(cè)站點(diǎn)位坐標(biāo)結(jié)果(ITRF2014, 2019.848)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用了三種方案對(duì)新建立的GPS超短基線場(chǎng)進(jìn)行了GAMIT/GLOBK數(shù)據(jù)處理,通過對(duì)基線解算后NRMS值、基線重復(fù)性、獨(dú)立基線長(zhǎng)度比較以及網(wǎng)平差以后點(diǎn)位坐標(biāo)穩(wěn)健性等方面的對(duì)比分析,可以看出方案二要優(yōu)于方案一和方案三. 在類似的小范圍測(cè)站網(wǎng)高精度數(shù)據(jù)解算時(shí),采用分級(jí)兩步法(方案二)可以得到較合理的高精度基線和坐標(biāo)結(jié)果. 隨著我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)組網(wǎng)的逐漸完善,用于數(shù)據(jù)解算的衛(wèi)星越來越多. 對(duì)于國(guó)產(chǎn)接收機(jī)采集的GPS+BDS衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合數(shù)據(jù)處理,將會(huì)是本文下一步的工作方向．