美国连续运行参考站和在线定位服务综述①

施建平,楼楠

(西安测绘总站,陕西 西安710054)

0 引 言

美国国家大地测量局负责组织管理GPS连续运行参考站(CORS)网。连续运行参考站网支持三维厘米级GPS定位,为美国及其周边地区和协作国家进行GPS定位;为地球物理、地壳运动、气象和空间气候研究提供服务。2001年,美国国家大地测量局基于网络开发了在线定位服务(OPUS)。在线定位服务以连续运行参考站网为基础,用户只要采集双频GPS观测数据并上传到应用模块,几分种内就能通过电子邮件收到计算点的坐标等。以下介绍美国连续运行参考站和在线定位服务。

1 连续运行参考站网

1.1 连续运行参考站网的建立情况

美国的连续运行参考站始建于1994年,2009年3月已建有1540个参考站,其中正常运行的参考站有1203个,其分布如图1所示。

图1 美国的连续运行参考站

参考站主要由政府相关部门、科研机构和私有组织参与建设,参与单位近200个,各单位建立连续运行参考站的目的是满足各自不同的需要。美国国家大地测量局拥有和管理的参考站不到总数的3%。

为实现全球覆盖,连续运行参考站网已扩展到多个国家;墨西哥、加拿大建立了永久性GPS观测站并加入美国的连续运行参考站网,加勒比海、中美、南美州的数十个国家参与了项目合作,美国国家大地测量局与军方合作,在伊拉克、阿富汗、埃塞俄比亚也建立了连续运行参考站。

1.2 站点配置

为支持应用的广泛性,发挥连续运行参考站网在国家空间参考系实现中的作用,美国国家大地测量局对进入连续运行参考站网的站点制定了严格的标准和安装规范,以优化GPS信号采集环境,使计算站点的坐标和速度具有较高质量,提供满足用户要求的文档。站点的确定既要考虑站点本身的质量还要顾及网的情况,包括网的覆盖区域、结构强大及其它要求。

连续运行参考站的安装和运行由各入网单位组织实施,各入网单位根据自身的要求进行了调整,使连续运行参考站配置不完全相同。入网基本站的安装要求如下:

◦稳定、完好的标石和天线设置;

◦最小限度的视线阻挡(仰角10°以上无遮挡);

◦良好的信号采集环境(无干涉和多路径);

◦L1/L2双频GPS接收机跟踪的卫星大于10颗;

◦经美国国家大地测量局校准的L1/L2双频GPS天线;

◦L1频率C/A码或P码伪距观测;

◦L1和L2全波长载波相位观测;

◦历元间隔小于或等于30 s;

◦数据日志记录可为每小时、每天或实时;

◦不间断供电。

连续运行参考站网分为国家连续运行参考站网和合作连续运行参考站网两个子网,到目前为止,国家连续运行参考站网是主要部分。

1.3 获取数据

系统发展的十几年来,多个学科的研究人员对连续运行参考站网进行了大量具有重要意义的创造性应用研究,但从建网起,主要是为地理空间数据用户提供GPS观测数据后处理定位服务,用于测绘及相关学科。

用户通过FTP(ftp://www.ngs.noaa.gov/cors/)或万维网(http://www.ngs.noaa.gov/CORS)可直接读取美国国家测绘局直接收集的国家连续运行参考站的GPS观测数据;由网页(http://www.ngs.noaa.gov/CORS/Coop/)读取合作连续运行参考站网的GPS的观测数据,该网页提供了与所有合作单位网站的连接。连续运行参考站观测数据文件有GPS码和载波相位观测数据组成,以通用的RINEX格式提供。

连续运行参考站项目的重点是参考站位置和速度的计算、监测和质量控制。为满足不同用户对连续运行参考站的需要,美国国家大地测量局计算并提供参考站在ITRF和NAD83系统中的坐标和速度,两个系统的主要区别是NAD83的定义将北美板块固定,而IT RF满足全球所有板块净旋转为零的条件,这一差别形成的结果是北美板块的多数稳定部分(美国的大多数地区,不包括加州、俄勒冈州、华盛顿、阿拉斯加州和夏威夷)NAD83系统坐标的速度为零或可忽略,ITRF系统的平面坐标年变化率为1～2 cm/年,因此,声明坐标的历元和速度是必要的。

连续运行参考站的坐标和速度以ITRF和NAD83两个大地坐标系的空间直角坐标和大地坐标的形式提供。坐标点是连续运行参考站 L1相位中心和GPS天线参考点,天线参考点通常位于天线的物理底部;某些用户和应用要求以L1电子相位中心作为参考点,所以,国家测绘局提供了两组坐标。

一个进入连续运行参考站网的新站,需要计算并公布其坐标;开始时,利用至少两周的GPS观测数据计算站点的IT RF坐标,利用美国国家测绘局的H TDP软件计算站点的速度,再用Helmert转换方法将ITRF的坐标和速度转换为NAD83的坐标和速度;多年观测后,ITRF和NAD83的速度用GPS测量值代替。

美国国家测绘局由通过计算各站的单日解和网的严密最小二乘平差解监测连续运行参考站的精度和一致性。平差由3个完好的连续运行参考站和2个国际全球卫星导航系统服务合作网中的点约束,因而建立了连续运行参考站网和GPS网之间的联系。可以查看各站60天内坐标系列图,该图显示了每天IT RF解的差别。

美国国家大地测量局几乎每年都利用连续运行参考站每3天的GPS观测值计算一组站点坐标,目的是分析各站过去的情况、监测公布坐标的质量。一个站的公布坐标与利用60天或几年观测值计算的某个时期的坐标之间的差值,若ITRF坐标水平方向超过 1 cm或高程方向超过2 cm,NAD83坐标水平方向超过2cm或高程方向超过4 cm,美国国家大地测量局将重新公布点在响应参考框架内的坐标和速度;这一规定体现了保持坐标时间的一致性和提供最精确坐标可能性之间的平衡。

监测并不定期重新公布连续运行参考站点坐标及变化情况,可以保证连续运行参考站点坐标的质量。因此,连续运行参考站点的精度优于静态的地面控制点。从一定意义上说,连续运行参考站的坐标随观测时间增加,精度逐步提高。即使因地质构造、火山、固体潮等影响存在地面运动的地区,连续运行参考站提供的坐标及其变化也是最精确的。

1.4 CORS的应用

美国国家测绘局建立连续运行参考站网的主要目的是基于连续运行参考站和相对定位技术,为地理空间数据用户通过GPS测量采集同步观测数据得到高精度定位结果提供基本条件。用户的定位方法包括长时间观测大地控制点(厘米级精度)的静态定位和确定移动平台运动路线的动态定位(几厘米的精度)以及采集GIS数据的专题制图(小于或等于米的精度)等。

随着连续运行参考站网的扩大,数据的应用领域也逐步扩展。高精度连续运行参考站坐标和速度与可靠、实用的GPS观测数据结合能支持多种应用,其中许多应用在十几年前连续运行参考站系统建立初期是无法想象的。

美国国家海洋与大气管理局全球系统部的地基GPS气象学项目基于数百个连续运行参考站数据,通过计算对流层GPS信号延迟确定大气层水汽成份,提高了气象预报能力;美国国家海洋与大气管理局空间环境中心基于连续运行参考站观测数据,通过分析电离层的色散和GPS信号延迟计算电离层的整体情况,导出的美国全国电子情况图已在互联网上公布,每15 min更新一次;改进GPS测量,需要建立对流层和电离层模型,量化大气层的GPS信号延迟对解决GPS数据处理的整周模糊度有重要意义,可以减少观测时间;对单频GPS接收机用户来说,连续运行参考站导出的大气数据可以使同步观测接收机之间的距离更远;连续运行参考站的基站数据为飞行器提供差分GPS观测改正,为空间摄影影像定位提供服务;美国国家大地测量局和其他组织利用连续运行参考站网和其它永久GPS网的观测数据精确确定GPS卫星轨道数据;GPS已经成为地壳运动研究单位选择的工具之一,在连续运行参考站网及其它连续GPS观测网支持下,能够检测地壳的水平和垂直运动;美国国家大地测量局依靠连续运行参考站网满足联邦政府对国家空间参考系统的需求,连续运行参考站代表了国家空间参考系统的最高精度和层次,连续运行参考站在国家大地测量局进行的现有GPS地面控制点平差、计算NAD83坐标中发挥了重要作用,提高了点位精度和一致性。

2 在线定位服务

美国国家大地测量局分别于2001年、2005年推出了OPUS-S和OPUS-RS提供在线定位服务,两个版本的主要差别是内部处理方法不同。现主要介绍OPUS-S,最后简要介绍两个版本的差别。

2.1 功能介绍

2001年,美国国家大地测量局依托国际互联网提供在线定位服务(OPUS),为GPS用户使用国家空间参考系统(NSRS)提供了一个途径。只要通过一个简单的Web接口将GPS观测数据和少量必要信息提供给OPUS,几分钟内,用户就可收到包含GPS测量点坐标和其它信息的电子邮件,这一服务由美国国家大地测量局免费提供。

2.2 用户接口

OPUS的 Web网页(www.ngs.noaa.gov/OPUS)可以由国家测绘局网站的主页、连续运行参考站主页和大地测量工具主页进入,页面要求用户输入下列基本信息:

◦接收数据的电子邮件地址;

◦RINEX格式或所选接收机格式的观测文件,文件可以是压缩或不压缩;

◦天线类型,从下拉菜单中选择;

◦天线高,以m为单位。

以下信息为可选:

◦强制指定州平面坐标系投影带;

◦指定解算中使用的连续运行参考站,最多3个;

◦指定解算中不使用的连续运行参考站;

◦指定是否输出扩展信息;

◦指定是否输出用户的设置信息。

要求用户数据满足以下条件:

◦静态GPS观测;

◦双频(L1/L2)GPS观测;

◦建议最少两小时的观测数据;

◦历元间隔是30 s的约数。

2.3 数据处理

OPUS反馈给用户的最后坐标是用户的GPS观测站和3个连续运行参考站同步观测单基线解的平均值。

OPUS计算基线前首先确定利用的连续运行参考站,这需要进行大量循环测试、检查侯选站观测数据的可利用性和质量,质量检查包括信号多路径和周跳。首先测试用户指定的参考站,若用户指定的参考站或最近的参考站的GPS数据质量或数量不足,将扩大寻找范围,检查其它参考站的数据,直至找到3个有合适数据的站;正常情况下,选择3个最近的连续运行参考站,但有时用户观测完成后短时间内就提交数据,此时部分连续运行参考站还没有向国家大地测量局提交观测数据,OPUS就要扩大寻找半径,寻找较远的参考站。但不必担心,许多连续运行参考站是每小时或实时向国家大地测量局提供数据,即使观测结束后需要短时间内提供数据,连续运行参考站也有足够有效的数据供OPUS使用。

陈庆彩等人[9]研究发现以鼠李糖乳杆菌和瑞士乳杆菌二者进行共培养和发酵，在初始酸碱度值6.8，接种量6%，发酵温度37℃，鼠李糖乳杆菌与瑞士乳杆菌的接种比例2∶1，除此之外，瑞士乳杆菌提前接种3 h，在这个条件下，得到乳酸菌的活菌数最高。吴楠等人[10]研究发现影响德氏乳杆菌活菌数的主要因素是发酵温度、发酵时间与接种量，其中发酵时间为最重要的影响因素。

尽管OPUS计算的站间矢量为IT RF系统,但最后坐标的参考框架为IT RF和NAD83。为了计算ITRF坐标,OPUS从国家大地测量局综合数据库中读取所选参考站的ITRF坐标,然后将这些坐标转换为用户GPS平均观测时间历元的坐标,目的是使IT RF坐标值符合板块运动的变化规律(如北美板块运动每年接近1～2.5cm),利用计算的IT RF坐标和14参数Helmert方程转换得到NAD83坐标(观测日),再利用HTDP软件预报的NAD83速度,将NAD83坐标转换为2002.1.1标准历元。

值得注意的是对ITRF和NAD83坐标来说,每一个解都基于观测站与3个连续运行参考站之一的联测,3个解并不是相互独立的,因为3个解都基于用户提交的同一组观测数据,所有解都包含相同的用户观测站偏差,包括站点环境引发的信号多路径问题、用户确定GPS天线和地面标志之间的对中误差和天线高误差等造成的水平/垂直误差,这些偏差不能通过3个不同解的结合被平均掉或减小,也难以发现。

2.4 输出

OPUS输出页包括自动处理提交观测文件结果简明总结。除反馈用户所有输入信息外,输出还包括以下内容:

◦使用的GPS卫星星历;

◦数据文件的观测开始/结束时间;

◦利用和现有的观测数量及利用的比例;

◦固定和全部整周模糊度的数量和固定的比例;

◦以空间直角坐标和大地坐标表示的NAD83和IT RF坐标;

◦基于Geoid03模型的北美高程系统的正高;

◦各坐标分量最大值和最小值的差值;

◦以m为单位的UTM坐标、所在州的州平面直角坐标系坐标和比例因子及子午线收敛角;

◦3个连续运行参考站的名称、坐标和距离;

◦国家大地测量局公布的最近控制点。

若用户要求增加输出可选项,还可包含其它内容。

2.5 获取结果

OPUS计算的坐标分量的质量由比较3个单独的解、计算的地心坐标或大地坐标的最大值和最小值之间的差值表示。

以下是OPUS帮助用户判断计算是否成功的指导:

◦90%以上的提交数据被利用;

◦50%以上的整周模糊度被固定;

◦所有中误差小于3cm;

◦各坐标分量的最大值和最小值之间的差值小于5cm;

◦确认天线类型和高度输入正确。

若用户欲得到更好的结果,建议增加GPS观测时间,采集更多的数据。研究表明,即使解算中使用的连续运行参考站距用户观测站距离较远,只要用户采集、提交一定质量和足够数量的数据就能得到高质量的成果;OPUS计算中采用的采样间隔为30s,缩小GPS观测的采样间隔不能提高精度;除观测时间外,影响精度的另一个因素是数据处理中使用的卫星轨道,IGS提供的卫星轨道有以下3种可使用:

◦IGS超快速轨道(无延迟);

◦IGS快速轨道(1天延迟);

◦IGS精密轨道(10～14天延迟)。

OPUS数据处理中总是选择可使用的、最好的卫星轨道数据。若用户观测结束后几小时内向OPUS提交数据,OPUS将利用超快速轨道数据;但若在观测结束几天内提交数据,将采用快速轨道数据;OPUS将在输出中报告采用的卫星轨道数据。

2.6 OPUS-RS的特点

2005年8月,国家大地测量局推出了OPUS的新版本(OPUS-RS),目的是可利用15 min的观测数据得到大地测量质量的定位结果,为此,OPUS-RS利用了全新的内部处理程序。

在使用方面,OPUS-RS多数外部接口与OPUS相同,OPUS的多数信息和解释也适用于OPUS-RS,OPUS-RS和OPUS的主要差别是:

◦OPUS-RS允许用户指定最多6个参考站,而OPUS允许用户指定最多3个参考站;

◦OPUS-RS对用户提交的数据文件的限制为15min至4 h观测时段的数据,而OPUS建议至少2h。

有些数据OPUS能处理而OPUS-RS不能处理,原因是:

1)OPUS-RS对可使用的参考站以距用户站最近为原则选择,当已选择6个参考点或距侯选参考站超过250 km时停止选择参考站,因采用几何内插方法,OPUS-RS仅处理所选择参考站覆盖区域内部或区域外部不超过50 km的定位站的数据,若找不到至少3个适当的参考站,OPUS-RS将不解算。

2)OPUS-RS对侯选参考站的数据有更严格的质量测试,要求数据剔除率不超过10%;

3)OPUS-RS要求所利用的每个历元有4种观测量(L1、L2、P1(或C1)、P2);

在输出方面,OPUS-RS与OPUS的差别是:

◦使用的软件是rsgps程序而不是pages程序;

◦因rsgps程序固定所有模糊度,所以,没有报告固定模糊度,取而代之的是报告网络和流动站的模式解;

◦无单位的标准化中误差代替所有以m表示的中误差。rsgps程序利用了4种观测量(L1、L2、P1(或C1)、P2)并赋以不同的权;

◦坐标后的数字不是OPUS中最大和最小值的差值而是坐标的标准偏差;

◦利用的参考站的数量可以多达6个。

3 结 论

连续运行参考站网提供支持精确定位的参考框架,通过连续运行参考站网在线定位服务能使用户快速地、便捷地、有效地获取国家空间参考系统的数据。

[1] William Stone.The Evolution of the National Geodetic Survey's Continuously Operation Reference Station Network and Online Positioning User Service[C]//Albuquerque,NM87131 USA,2006,25-27.

[2] Richard Snay.CORS&OPUS WORKSHOP(Continuously Operating Reference Stations)[C/OL].Lansing,MI,National Geodetic Survey,NOAA ,2009.3.7.http://www.ngs.noaa.gov/CORS.

[3] National Geodetic Survey-OPUS Team.Using OPUS[R/OL].Modified 17.Silver Spring,MD:National Geodetic Survey,NOAA,2004.5.http://www.ngs.noaa.gov/OPUS.