一种CORS网基准站稳定性分析方法

帅玮祎，董绪荣，李晓宇，付 伟

(1.装备学院，北京 101416；2.北京航天飞行控制中心，北京 100096)

一种CORS网基准站稳定性分析方法

帅玮祎1，董绪荣1，李晓宇2，付 伟1

(1.装备学院，北京 101416；2.北京航天飞行控制中心，北京 100096)

为了进一步研究CORS网基准站的稳定性分析方法，给出一种利用GAMIT/GLOBK软件进行分析的流程方法，对北京市CORS网2012—2015年基准站的稳定性进行分析。结果表明：基线解算结果的精度符合标准；由于板块运动的影响，基准站各坐标分量总体变化趋势为线性，每年都在向东南方向偏移，且随年份增长，变化量呈减小趋势；所有站整体呈沉降趋势，个别站沉降现象严重。

CORS网；基准站；稳定性；基线解算；沉降

0 引言

随着国家信息化程度的提高及计算机网络和通信技术的飞速发展，电子政务、电子商务、数字城市、数字省区和数字地球的工程化和现实化需要采集多种实时地理空间数据。连续运行参考站(continuously operating reference stations, CORS)系统结合了卫星定位技术、计算机网络技术、数字通讯技术等高新科技，可以为用户自动提供各类有关导航定位服务项目[1-3]。自2000年深圳市建立了我国第一个连续运行参考站系统(Shenzhen CORS，SZCORS)后，我国部分省、市如广东省、北京、成都等也已初步建成类似的省、市级CORS系统[4-6]。CORS基准站作为城市各级控制网的基准点，不仅可以大大提高城市测量的速度与效率，其速度场和坐标位置误差估计也是维持2000国家大地坐标系(China geodetic coordinate system 2000，CGCS2000)框架精确性和稳定性的基础[7]。本文以GAMIT/GLOBK软件为基础，研究并给出了一种CORS网基准站稳定性分析方法。

1 GAMIT/GLOBK软件概述

1.1 软件介绍

GAMIT/GLOBK软件是由麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)研制，后与美国斯克里普斯海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography，SIO)共同开发改进 的一套基于UNIX/LINUX操作系统下的用于高精度导航系统数据处理分析软件[8]。其中包含GAMIT和GLOBK 2大软件：GAMIT软件主要用于利用导航系统载波相位观测值进行基线处理[9]，采用双差观测量消除卫星钟差和接收机钟差的影响，同时减弱诸如轨道误差、大气折射误差等系统性误差的影响，使得处理长基线和连续时段静态定位相对精度可达1×10-8～1×10-9数量级，处理短基线的精度可达1～3 mm；GLOBK软件主要是利用卡尔曼滤波方法进行网平差，可是实现多时段综合解算。该软件开放了源代码，用户可以根据实际需要进行人工干预进行数据处理，是目前国际上最优秀的定位和定轨数据处理分析软件之一。

1.2 软件安装及更新

GAMIT/GLOBK目前还不能在Windows操作系统上运行，当下比较常用的做法是安装虚拟机软件，虚拟机上安装LINUX操作系统(通常采用UBUNTU)，这样不仅可以实现GAMIT/GLOBK的安装，同时2个操作系统之间文件该可以自由拷贝，使得数据的准备和处理更加便捷。

软件安装过程及相关的配置[10-11]在很多博文和文献中都有提及，这里就不详细介绍。下面主要介绍一下使用GAMIT/GLOBK最新版本(10.6)中需要注意的问题。

1)最新版本中很多tables表文件除了内容更新外，格式也更新到了新版本，如卫星星号对照表svnav.dat和差分码表dcb.dat，2个表文件在GAMIT更新包中都有相应的*.gnss和*.gps 2种格式版本，其中*.gnss对应的是新格式版本，也是软件自动安装更新时表文件链接所对应的文件；但在实际软件运行过程中，如果使用的是GAMIT 10.5或更早版本，必须使用*.gps格式的表文件，这时就要手动将svnav.dat和dcb.dat文件链接到相应的*.gps格式文件上，如果使用的是最新的10.6版本，则不需要。

2)随着全球定位系统(global positioning system，GPS)现代化的持续推进，很多GPS卫星都进行了以旧换新，如PRN 32对应的卫星已经从Block IIA SVN 23(2016-01-26失效)变为2016-02-05发射的Block IIF SVN 70；但如果使用旧版本的表文件，很可能就反映不出来此类问题，导致运行报错：因此需要进行手动配置相关文件(svs_exclude.dat等)，在处理数据的过程中剔除对应卫星的数据。

3)GAMIT/GLOBK软件是通过调用GMT软件来进行速度场、区域地图等图形绘制。这里需要注意的是，GAMIT 10.6软件更新包中增加了一个com_preGMT5的文件夹，里面包含的是10.6版本调用GMT软件所使用的画图脚本。如果用户安装了GAMIT 10.6的话，想调用GMT绘图软件，必须要将GMT更新到GMT 5以上的版本，或者将已安装的GMT 4或更早版本的软件配置文件的路径命令行中将～/gg/com替换成～/gg/com_preGMT5。

4)更多的软件更新信息在软件更新包附带的README文件中都可以查阅到，用户可以根据软件运行时出现的相关问题在说明文件中查找对应的原因。

2 基准站稳定分析

本文运算数据采用北京市全球卫星定位综合服务系统14个连续运行基准站2012-02—2016-02的GPS观测数据以及中国大陆及周边17个国际GPS服务(International GPS Service，IGS)站的观测数据。基准站全天24 h观测，数据采样间隔为15 s；IGS站全天24 h观测，采样间隔为30 s。

2.1 数据处理流程及方法

利用GAMIT软件进行数据处理之前，首先要考虑的问题就是参考框架的选取。IGS跟踪站可以为用户提供所用GPS卫星的各类高精度参数；但全球分布着约300个IGS永久性跟踪站和数据中心，选取多少个IGS站、选哪个IGS站是数据处理之前必须考虑的问题。很多学者就这个问题都进行了深入研究，通过对有关文献的研究，归纳选取原则为：1)测站3年(或以上)连续观测；2)处于刚性板块并远离形变区域；3)速度场精度优于3毫米/年；4)选取站点在中国国内及其周边；5)位置解算精度和速度场精度残差不大于方差的2倍[12]。同时结合文献[13]中的相关结论，在保证这些站满足上述标准的情况下，其空间的分布尽量都是均匀的。根据上述选取原则结合基准站数量级分布情况，确定以下17个IGS站作为联测站，其分布网如图1所示。

数据处理流程如图2所示。

表1为IGS官网给出的各IGS站的坐标信息。

表1 IGS站坐标 (°)

图1 IGS站分布网

1)考虑观测数据周期较长，基准站观测数据不可避免地会受到周围环境或是一些硬件故障的影响。因此首先利用TEQC对基准站观测数据进行

数据质量检查，进行数据预处理，同时利用MATLAB编译的程序进行数据中断检查，剔除数据质量较差或中断较长的天份数据。

2)将IGS站观测数据同基准站数据进行联测，利用GAMIT软件得到单日基线的松弛解。

3)得到单日基线解后，首先分析单日解的质量，主要看参与解算测站点数、观测值有效率以及解算结果的归一化均方根(normalized root mean square value，NRMS)值，如果有任何一项指标不达标，则要改动GAMIT软件的相关配置参数后重新解算；然后采用基线重复率衡量基线结果的解算精度；单日解质量达标后分析基准站坐标的时间序列，如果出现数据粗差较大的天份，将该天单日解直接剔除。

图2 数据处理流程

4)利用非基准方法进行整体平差计算，将单日基线解和协方差矩阵作为观测量，IGS站坐标作为约束基准，通过联测得到基准站的坐标位置和速度场信息。

2.2数据处理结果分析

按照上面提到的数据处理策略首先对数据进行预处理，采用的软件及方法较为成熟，在这里就不做详细介绍。GAMIT进行基线解算的数据准备及文件配置流程可以参考文献[14]，这里就不再进行赘述。下面直接分析单日解质量。

分析单日解质量的各项指标都可以通过GAMIT软件生成的q结果文件中的postfit nrms读出。q文件开头给出了参与解算的测站名，图2部分则是给出了观测值数量和有效值数量以及解算结果NRMS。NRMS在0.2左右为正常，图中NRMS为0.186 63，在正常范围内，说明解算结果合理。同时q文件中还给出了每条基线处理结果的计算处理精度，表2给出了CEHY所在站的部分基线解。

表2 基线处理结果 m

注：表中X、Y、Z为基线向量在X、Y、Z3个方向上的分量。

考虑到本文中数据量较大，逐一观察各个基线处理精度是不现实的。在这里采用基线重复率来衡量基线结果的解算精度。基线分量的重复率反映了单日解之间的内符合精度，其计算方法为

(1)

(2)

表3给出了2012—2015年14个基准站3个基线分量上的重复率平均值。

表3 2012—2015年各基准站基线重复率平均值 mm

从表中数据可知，水平方向基线重复率都在2 mm左右，高程方向在4 mm左右，满足CJJ/T73-2010《卫星定位城市测量技术规范》中对CORS网的精度要求[15]。

单日松弛解算结果符合精度以后，利用GAMIT软件中的sh_glred命令生成坐标时间序列来剔除异常值。异常值表现为图3所示。

图3 单日解中异常值

该异常值的出现可能是由于当天测量值较少或存在其他干扰造成，但在前期数据预处理时并没有检测出问题，考虑到这类问题是个别站个别天份的问题，在这里直接把当天单日解结果剔除。

接下来利用处理后的单日基线解在GLOBK中进行整体平差计算，这里需要根据解算配置相关的控制文件(globk_vel.cmd)，通过调用相关命令即可生成包含基准站速度场和坐标位置的结果文件(*.org)。由于保密因素，本文不给出基准站的具体坐标，只针对其速度场及坐标变化进行分析。

由于在实际处理过程中由GLOBK计算出的速度场信息同基准站实际坐标位置数值上偏差较大，无法直接显示在图形界面中；因此这里采用线性拟合的方法来求解速度场[16]。分别对14个站的GLOBK平差结果进行线性拟合，即可得到该时间段内该参考站的速度场，对每个站的速度场进行拟合，可以得出所有站整年的速度场和坐标残差离散度信息；而对于特殊情况造成的曲线“跳跃”，已利用后文提到的特殊问题处理方法进行了相应改正。速度场拟合结果如表4所示。

表4 基准站速度场及坐标残差离散度

以DAXN站和DSQI站坐标时间序列为例(如图4～图5所示)，对拟合结果进行分析。

图4 DAXN站坐标时间序列

图5 DSQI站坐标时间序列图

从图中可以看出2个基准站N、E、U3个方向上总体变化趋势一致，基本上为线性变化，坐标残差随机分布在速度场拟合直线两侧。拟合直线斜率即为对应方向上的速度值大小，N方向上速度为负，坐标变化幅度在5 mm左右；E方向上速度为正，坐标变化幅度在10 mm左右；U方向上速度为负，坐标变化幅度在15 mm左右。对比2幅图可以明显看出，2个基准站在N和E方向上的速度场大小大致相同，但在U方向上DSQI站的沉降速度明显高于DAXN站。

为方便分析各个站随年份的水平位移及沉降情况，下面给出14个基准站2012—2015年N、E、U3个方向的年偏移量，如图6～图8所示。

图6 各基准站N方向年偏移量对比

就单一年度来说，除个别站(如2015年SHIJ、PING)偏移量略大以外，各个站的年偏移量差距都在5 mm内，较为平稳；对比每个站4个年度偏移量可以看出，随着年份的增长，N方向上的漂移量呈逐年减小的趋势。总的来说，各站N方向的年偏移量整体趋于平稳，在-18 mm以上，且呈逐年减小趋势。

图7 各基准站E方向年偏移量对比

同N方向类似，各站E方向的年偏移量整体趋于平稳，在40 mm之下；就单一年度来说，除个别站(如2015年MYUN、2014年NKYU)偏移量略大以外，各个站的年偏移量差距都在5 mm内；对比每个站4个年度的偏移量同样可以看出，随着年份的增长，E方向上的漂移量也是呈逐年减小的趋势。

图8 各基准站U方向年偏移量对比

基准站稳定性中一个至关重要的问题就是基准站的沉降，从图8中可以明显看出：除了CEHY站在2015年沉降量突然增大以外，各个站每年的沉降量基本保持一致；其中DSQI站每年的沉降都最为严重，最大达到120 mm，其次为CHAO站和NLSH站，最大沉降量都达到了60 mm，其他站沉降量都较小；但对比每个站4个年度偏移量可以发现，不同于N、E2个方向，各基准站沉降量随年份的变化是无规律的，其中个别站存在的突变现象可能是由于站点出现施工或是特殊地质现象导致。

为了验证结果的可信性，给出IGS站和基准站的速度场及速度场残差离散度示意图(如图9所示)，图中矢量标志表示速度场方向及大小，圆的半径表示离散度。

图9 联测站速度场及速度场残差离散度示意

从图中可以看出，北京市14个基准站的速度场方向、大小同距离较近的几个IGS联测站的速度场方向、大小基本保持一致，速度场残差离散程度不高，验证了结果的可信性。

综合以上数据分析结果，可以得出以下结论：

1)基准站N、E方向基线重复率都在2 mm左右，高程方向在4 mm左右，基线解算结果符合精度标准；

2)基准站N方向年偏移量在-18 mm以上，E方向年偏移量在40 mm以下，且随年份增长，变化量呈减小趋势；

3)基准站U方向随年份的变化是无规律的，但所有站整体呈沉降趋势，DSQI站每年的沉降都最为严重，最大达到了120 mm，其次为CHAO站和NLSH站，最大沉降量都达到了60 mm，其他站沉降量都较小。

4)基准站的整体趋势反映出了板块运动对北京市区的长期影响，个别站存在的特殊变化趋势可能与当地一些特殊地质活动有关。

2.3 特殊问题说明及处理方法

1)利用GAMIT进行数据处理时，需要基准站接收机及天线的相关信息，由于在长期数据处理中，不可避免地会存在更换接收机或是天线的情况，如果更换的接收机或是天线类型不在GAMIT最新的表文件中，需要手动加入对应的接收机或是天线类型，否则在软件运行过程中会报错。

2)部分基准站由于建造时间较长，周围的地理环境发生了很大变化，会存在增盖了高层建筑或是周围树木生长导致天线遮挡等问题，这时候相关部门会考虑更换站址；但如果用户在处理数据时并不知道这一情况，会导致处理结果出错，生成基准站的坐标序列时会出现问题，如图10所示。

图10 SHIJ站2015年坐标时间序列

从图中可以看出，图像和各项指标明显是有问题的。通过检查该站整年观测数据发现，SHIJ站在10月15日至31日发生半个月的数据中断，11月1日恢复数据观测，但在11月3日发生了站址变更，这一点可以从观测文件中APPROX POSITION XYZ一行中直接读出。

数据处理过程中发现，MYUN站在9月份同样出现了站址变更的问题，因此在处理同年这2个站的数据时必须分时段处理。因为利用GAMIT进行基线解算时有一个准备文件lfile.，存放的是各测站的近似坐标，即起算坐标点，其误差过大会直接导致基线处理结果较差。更换站址以后，必须对起始坐标进行手动更改，然后从更改日期起算进行批处理。在分析速度场和基线精度时，以更改日期为分水岭分段分析，而最终得到的基准站坐标则以更改站址后的平差结果为准。

3 结束语

1)本文以GAMIT/GLOBK软件为基础，对北京市2012—2015年CORS网基准站的稳定性进行了研究分析。分析结果表明：N、E方向基线重复率都在2 mm左右，高程方向在4 mm左右，基线解算结果符合精度标准；N方向年偏移量在-18 mm以上；E方向年偏移量在40 mm以下，且随着年份增长，变化量呈减小趋势；U方向随年份的变化是无规律的，但所有站整体呈沉降趋势；所有基准站N、E、U3个方向随时间的总体变化趋势为线性，每年都在向东南方向移动，并存在沉降现象。这不仅反映了整个北京市CORS网的长期变化趋势，同时反映出板块运动对市区的影响。其中个别点(如2015年CEHY站)出现了不规律的变化，可能与当地一些特殊地质活动有关。

2)GAMIT/GLOBK已经成为当下进行高精度全球卫星导航系统(global navigation satellite system，GNSS)数据结算的主流软件，在处理大数据量的观测值时，具有运算速度快、解算精度高的特点，在实际工程应用中具有很高的使用价值。本文给出的关于更新和使用过程中的部分建议只是在软件使用过程中的一些个例，而针对不同用户，在安装和解算过程中会遇到其他各种各样的问题，因此需要对软件每年的更新内容及解算中使用的配置文件、准备文件有全面的了解和研究。随着导航系统及接收机的不断发展，GAMIT/GLOBK也在与时俱进地提供各类导航数据的接口，未来必将发展成为可以同步处理GNSS数据的有力工具。

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AmethodofstabilityanalysisonCORSnetworkbasestation

SHUAIWeiyi1，DONGXurong1，LIXiaoyu2，FUWei1

(1.Equipment Academy，Beijing 101416，China；2.Beijing Aerospace Flight Control Center，Beijing 100096，China)

In order to further study on the stability analysis method of CORS network base station，the paper proposed a method which uses GAMIT/GLOBK software to analyze the stability with the example of the base station in Beijing CORS network from 2012 to 2015.Result showed that：the accuracy of baseline calculation could meet the requirement； due to the impact of the plate movement，the variation trend of base station coordinates would be linear and all the stations were shifting to the southeast every year； moreover，with the growth of the year，the variation would be decreased； all station showed a downward trend of settlement，and some of them more serious.

CORS network； base station； stability； baseline calculation； settlement

2017-03-03

帅玮祎(1991—)，女(蒙古族)，河北承德人，博士研究生，研究方向为卫星导航应用。

帅玮祎，董绪荣，李晓宇，等.一种CORS网基准站稳定性分析方法[J].导航定位学报，2017，5(4)：98-104.(SHUAI Weiyi，DONG Xurong，LI Xiaoyu，et al.A method of stability analysis on CORS network base station[J].Journal of Navigation and Positioning，2017，5(4)：98-104.)

10.16547/j.cnki.10-1096.20170418.

P228.1

A

2095-4999(2017)04-0098-07