GNSS在线数据处理系统的比较与分析

徐 莹,聂桂根,吕乔森

(1.武汉大学卫星定位导航研究中心,湖北武汉 430079;2.中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉 430074)

GNSS在线数据处理系统的比较与分析

徐 莹1,聂桂根1,吕乔森2

(1.武汉大学卫星定位导航研究中心,湖北武汉 430079;2.中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉 430074)

分析AUSPOS、SCOUT和OPUS三种 GNSS在线数据处理系统的组成、操作界面和解算结果,在试验研究的基础上,对上述三种 GNSS在线数据处理系统的精度及其实用性进行综合评价,得出AUSPOS的界面较友好,内符合精度较高,三大系统的外符合精度的差异没有一定规律等结论。

GNSS;在线数据处理系统;实用性;精度

一、引 言

随着国际互联网的健全与普及,GPS、GLONASS等卫星导航系统的广泛应用以及 GNSS定位技术和数据处理方法的不断完善,各种 GNSS数据处理系统应运而生,尤其是网络在线数据处理系统的出现,给 GNSS用户带来了方便并降低了成本。用户可以位于世界上任何一个地方,只需关注于数据处理后通过 E-mail返回的结果。另外,用户只需提交待定点数据,该服务可自动下载基准站数据,这样一来,用户只需进行野外数据采集工作,即使只有一台接收机也能得到较好的结果[1]。目前有许多国家和科研机构都开发了自己的 GNSS在线数据处理系统,其中澳大利亚的 AUSPOS(Australian Online GPS Processing System)、美国的 SCOUT(scripps coordinate update tool)和 OPUS(on-line positioning user service)三大系统采用网平差的解算方式进行定位解算,它们会自动选择上传站点附近的三个IGS或 CORS参考站参与计算和平差。而美国的Auto-GIPSY(AG)与加拿大的 CSRS-PPP则采用精密单点定位的解算方式进行定位解算[2-4]。

由于设计用途的出发点和侧重点不同,在对GNSS数据处理方面,以上系统各有特点。大多用户并不了解这些系统的数据处理结果的精度与可靠性以及各自的优缺点和适用条件,在使用过程中存在较大的盲目性。本文利用美国境内 GNSS观测数据实例,对AUSPOS、SCOUT和OPUS系统的解算精度、适用条件与可用性等进行比较与分析,为用户合理选用 GNSS在线数据处理系统提供指导。

二、三大系统可用性比较

不同的 GNSS在线数据处理系统的设计的侧重点不同,表1列出了AUSPOS、SCOUT和OPUS三种系统各自的主要特点。

表1 AUSPOS、SCOUT和OPUS三种系统主要特点比较

分析表 1并通过反复试验,得出以下比较结果：

1)系统组成和后台软件各不相同。

2)提交数据文件时,AUSPOS允许用户提交1～7个站点的数据且对用户上传的数据的大小没有限制;OPUS的可选择项最多,但它只适用于美国境内和加拿大部分地区的站点。

3)AUSPOS提供的解算结果报告较为详细、全面,条理性也教强;OPUS提供的是 ITRF2000下的坐标而没有提供 ITRF2005下的坐标;SCOUT只提供了平均基线长而没有提供每条基线的长度。

4)三个系统的数据处理速度都非常快,提交一个24 h的数据文件后用户一般可以在15min以内收到系统的回复。当然,数据越多,网速越慢,等待时间越长。

另外,GNSS在线数据处理系统在过去的十几年内利用率逐年上升,但国内用户对它的使用率并不高且中国没有自己的 GNSS在线数据处理系统。

三、三大系统精度的比较

1.站点介绍

本文选择美国境内的三个点,分别是：pie1、amc2、nrc1。数据下载地址为 http：∥cddisa.gsfc. nasa.gov/。数据采集时间为 2007年 12月 21日,数据是观测时间间隔为 30 s的 24 h的 R INEX数据。

2.比较方案

1)利用 GPS数据预处理软件 TEQC将各个站点的 24 h数据分割成 1 h,2 h,3 h,4 h,5 h,…,24 h等不同时间长度的 GPS观测数据[9],分析三大系统的解算精度随观测数据时段长度的变化趋势;

2)比较各个系统解算的单位权中误差,考察系统定位的内符合精度;

3)将各个系统解算的结果与已知的精确坐标进行比较,考察系统定位的外符合精度。

3.三大系统精度的比较

(1)方案一

图1～图 6分别给出了用AUSPOS、SCOUT和OPUS解算的 pie1站的解算精度与数据量的关系与不同数据量的解算坐标与 24 h解算坐标的差值。

分析各图,可以得出如下结论：

1)各个系统解算所得的坐标中误差都随数据量的增加而减小,系统AUSPOS和 SCOUT的趋势较为明显,但OPUS有较大的浮动,趋势不明显。

2)从图 1可以看出,系统 AUSPOS 1 h定位精度可达到厘米级,1～3 h坐标变化较大,精度明显提高,3 h以上定位精度可达毫米级,X、Y、Z轴精度的差异不大;从图 2可以看出,AUSPOS 16 h的解算坐标趋于稳定。因此,AUSPOS完全能够为国内 GNSS用户提供较高精度的定位服务。

图1 AUSPOS解算精度与数据量的关系

图2 AUSPOS各数据量的坐标与24 h解算坐标的差值

3)从图 3可以看出,系统 SCOUT 2 h定位精度可达到厘米级,2～4 h坐标变化较大,精度明显提高,X、Y轴 3 h以上定位精度可达毫米级,Z轴定位精度一直是厘米级,X、Y、Z轴定位精度有明显差异,X轴优于 Y轴优于 Z轴;从图 4可以看出, SCOUT 8 h的解算坐标趋于稳定。

图3 SCOUT解算精度与数据量的关系

图 4 SCOUT各数据量的坐标与 24 h解算坐标的差值

4)从图 5可以看出,系统 OPUS随数据量的增加,坐标定位精度变化不明显,但 RMS都在3.5 cm以内,X、Y、Z轴定位精度的差距没有一定规律;从图 6可以看出,OPUS 17 h的解算坐标趋于稳定。

图5 OPUS解算精度与数据量的关系

图 6 OPUS各数据量的坐标与 24 h解算坐标的差值

(2)方案二

单位权中误差 RMS可以看做是表示内符合精度的一项指标,RMS表明了观测值的质量,观测值质量越好,RMS越小,反之,观测值质量越差,则RMS越大,它不受观测条件 (观测期间卫星分布图形)的好坏的影响。

图 7给出了三个系统在不同的站点收敛时的中误差,通过比较可以得出结论：

1)对于 X、Y轴,系统AUSPOS的内符合精度最高,SCOUT次之,OPUS最低;

2)对于 Z轴,系统 AUSPOS的内符合精度最高,OPUS次之,SCOUT最低。

(3)方案三

由于多种原因,地球上点的坐标不是固定不变的。所以,我们很难确定点的准确坐标,笔者将从SOPAC下载到的点的坐标当作真值 X、Y、Z,各系统在相同的历元和坐标框架下解算得到的坐标为 x、y、z,则σx=X-x;σy=Y-y;σz=Z-z;并以 mσ=来衡量系统的外部精度。

从图 8可以看出,三大系统的外符合精度的差别没有一定的规律,但精度都在 ±20mm以内,完全可以满足一般用户的定位需求。

图 7 三大系统在不同的站点收敛时的中误差

图 8 三大系统外符合精度的比较

四、结束语

现代 GNSS技术与信息技术、计算机技术的综合集成开发,促使了 GNSS在线数据处理系统的产生和发展,使得 GNSS技术的应用更为实用、方便和广泛。本文通过分析比较AUSPOS、SCOUT和OPUS三种有代表性的 GNSS在线数据处理系统的建立、组成、优点及不足,并结合实测数据探讨了这三种在线数据处理系统的解算精度及其稳定性,得出了如下结论：

1)AUSPOS的界面比较友好,提供的输出结果文件比较详细和全面,条理清晰,但系统每次最多只能处理 7个站点的数据。

2)内符合精度：对于X坐标和 Y坐标,AUSPOS优于 SCOUT,最差的是OPUS;对于 Z坐标,AUSPOS优于OPUS,SCOUT最差。

3)系统的外符合精度的差别没有一定规律。

4)如果用户只要求得到厘米级的数据解算精度,可以选用三个系统中的任意一种。要求得到水平方向毫米级的精度,用AUSPOS、SCOUT解算需要提供 3 h以上的数据。要求得到垂直方向毫米级的精度,只能用AUSPOS、OPUS进行解算且要提供 3 h以上的数据。欲解算位于美国和加拿大地区以外的其他 GNSS观测点的坐标,需要用系统AUSPOS和SCOUT进行解算。

值得说明的是：定位精度一般取决于测站离IGS基准站的距离、IGS产品的质量、所提交数据的质量和数量。因此,用户需要根据自己所处的位置和所需的定位精度选择合适的观测时间和观测环境。另外,用户将手工预处理后的数据提交给系统也会得到一个精度较高的结果。

[1] 张彩红,聂桂根,熊熊,等.基于 Internet的 GPS数据自动处理系统的研究[J].测绘通报,2007(8)：26-28.

[2] JPL.Auto GipsyAnalysis[EB/OL].[2009-06-10].http：∥milhouse.jpl.nasa.gov/ag.

[3] CSRS-PPP.The Canadian Spatial Reference System-Precise Point Positioning(PPP)[EB/OL].[2009-06-01]. http：∥nrcan.gc.ca/com/index-eng.Php.

[4] 李黎,戴吾蛟,李浩军,等.AUSPOS在线定位系统研究分析[J].全球定位系统,2008,33(5)：43-46.

[5] AUSL IG.The Australian Surveying and Land Information (AUSL IG)[EB/OL].[2009-06-21].http：∥www.auslig.gov.au.

[6] SCOUT.Scripps Coordinate Update Tool(SCOUT)[EB/ OL].[2009-06-22].http：∥sopac.ucsd.edu/cgi-bin/ SCOUT.cgi.

[7] OPUS.The National Geodetic Survey operates the On-line Positioning User Service(OPUS)[EB/OL].[2009-06-25].http：∥www.ngs.noaa.gov/OPUS/.

[8] 李健,吕志平,梁率.CORS在线定位用户服务系统[J].测绘科学技术学报,2008,25(2)：127-130.

[9] 范士杰,郭际明,彭秀英.TEQC在 GPS数据预处理中的应用与分析 [J].测绘信息与工程,2004,29(2)：33-35.

Comparisons and Analysis of the GNSS On-line Data Processing System s

XU Ying,N IE Guigen,LV Qiaosen

0494-0911(2010)12-0030-04

P228.4

B

2009-12-03

徐 莹(1987—),女,山东泰安人,硕士生,研究方向为大地测量与工程测量。