不同解算策略下的GNSS区域网平差分析

王 健，刘宗强，朱亚兵

(1.山东科技大学 测绘科学与工程学院，山东 青岛 266590；2.中国测绘科学研究院，北京 100830；3.广东省国土资源测绘院，广州 510500)

0 引言

全球卫星导航系统(global navigation satellite system，GNSS)测量数据的处理是GNSS定位技术的一个重要内容[1-2]。在数据处理过程中方法的选择和优化对GNSS测量结果影响很大。为了使区域建立的参考框架与国际地球参考框架更加接近，充分利用国际GNSS服务(International GNSS Service，IGS)观测数据无疑是最佳途径[3-4]。国内一些专家学者也对此进行了研究。文献[5]通过对南极中山站GNSS数据进行处理，认为为得到国际地球参考框架下精确的坐标，在计算时应加入5个均匀分布在未知点附近的IGS站，其中距离未知点较近的点为必须点且所选点应均在南半球。文献[6]通过联合解算25个分布均匀的中国大陆构造环境监测网络基准站和国内及周边12个IGS站，得出结论：当在X、Y及Z3个方向上约束1 cm时，平差精度较好；单天解平差的均方差能够达到毫米级，而周解的均方差能达到亚毫米级且周解平差精度高。

本文通过利用陆态网中新疆地区GNSS连续观测站以及全球IGS观测站的资料，使用GAMIT解算获取单日解，并采取不同平差策略对使用GLOBK获取的定位结果进行分析研究，重点讨论IGS站的加入对GNSS网平差的影响。

1 GNSS观测网资料概况

“中国大陆构造环境监测网络”(简称“陆态网”)是我国在“十一五”建设期间成立的国家重大科技基础建设设施，其中由基准网、区域网、数据系统3类组成。陆态网共包括260多个连续观测站和2 000多个不定期观测站，该网旨在以全球卫星导航定位系统等多种现代空间对地观测技术为主，结合传统的地面大地测量观测手段，对中国大陆及其邻区岩石圈地壳运动和重力场变化、近地空间圈水汽含量变化和电离层电子密度变化等多圈层、多类型构造环境因素进行综合监测，以服务于地址预防为主，兼顾军事测绘、大地测量、天气预报和科学研究等多领域应用[7-8]。陆态网的网形较大，本次实验选取其中数据采样频率为30 s的28个新疆地区的连续观测站1个月的数据，使得该实验的可靠性和严谨性得到保证。新疆地区连续观测站的分布如图1所示。

2 GAMIT基线解算方案

数据处理是研究GNSS领域的一项重要内容，数据处理的质量与许多因素息息相关；因此选用优秀的GNSS处理软件显得至关重要。由美国麻省理工学院和美国SCRIPPS海洋研究所共同开发的高精度定位和定轨软件—GAMIT，在处理静态定位GNSS数据时具有处理结果准确、版本更新周期短、运算速度快、在精度许可范围内自动化处理程度高等优点；因此受到广大学者的喜爱，在国内应用非常广泛[9]。本文使用GAMIT10.50获得了陆态网新疆地区28个观测站和中国大陆地区及周围17个IGS站的区域单日松弛解。其中部分参数设置如表1所示。

表1 部分参数设置

3 GAMIT计算结果检验与评价

本次实验采用的是陆态网新疆地区分布均匀的28个连续观测站在2015-01-01—2015-01-30连续30 d的观测数据，GAMIT基线解算详细步骤可参考文献[10]。在实验之前，所有数据均使用TEQC软件进行了预处理和质量检查，最后显示此次数据质量良好。

GAMIT基线处理结果有3个检验和评价指标：1)所有测站点是否都参与解算；2)各测站的单天解是否使用了足够多的测量数据；3)测量数据的拟合模型是否达到了噪声水平，这与标准化均方根差(normalized root mean square，NRMS)值有直接关系。NRMS表示单时段解算出的基线值偏离其加权平均值的程度为

(1)

式中：n为单时段数；Yi为单时段基线分量NS、EW、高程向及基线长估计值；Y为各时段解基线分量或边长的加权平均值；σi为各分量的中误差。

如果NRMS值大于0.5，那么此次结算结果是有问题的(原因可能是周跳没有修复、测站的起算点坐标不正确等等)；如果NRMS值小于0.5，则此次解算成功。一般认为NRMS值越小越好，若小于0.25则视为处理效果较好。此次使用GAMIT基线处理的平均NRMS值均在0.180左右，则基线解算的结果均符合要求。单日解NRMS值如图2所示。

4 GLOBK解算方案比较分析

4.1 GLOBK平差计算方案

GLOBK(Global Kalman filter VLBI and GNSS analysis program)为采用卡尔曼滤波技术进行网平差的软件，利用前期处理得到的松弛解向量和协方差阵对多期观测数据进行综合平差，融合出测站的精确坐标、变化速率及轨道参数等[11-12]。本次实验使用GLOBK软件进行网平差的具体步骤可参考文献[13]。对于最后得到的H文件，采取GLOBK软件进行网平差计算；并采取ITRF2008作为参考框架，依据采用IGS站的H文件的选取不同分成以下3个方案：

方案1：只采用本次计算得到的30 d H文件，平差时不加入IGS站进行约束；

方案2：只采用本次计算得到的30 d H文件，平差时加入中国及周边17个IGS站进行约束；

方案3：采用本次计算得到的30 d H文件以及斯克里普斯轨道和常驻阵列中心(Scripps Orbit and Permanent Array Center，SOPAC)提供的全球解H文件，平差时加入中国及周边17个IGS站进行约束。

4.2 GLOBK平差结果比较分析

完成3种方案的GLOBK平差之后，可以得到陆态网新疆地区28个连续观测站坐标和速度的精度，下面从这2方面进行研究分析。

4.2.1 测站坐标分析

由于测站较多，限于篇幅，表中只列出10个测站的坐标精度。具体结果见表2～表4。

表2 E方向坐标解算结果

表3 N方向坐标解算结果

表4 U方向坐标解算结果

为了使解算结果更加直观，图3、图4和图5分别给出每个测站在E、N、U方向上的精度折线图。其中折线图横坐标1～28分别表示陆态网新疆地区连续观测站XJJJ、XJQH、XJML、XJSS、XJFY、XJRQ、XJAL、XJBE、XJWL、XJKE、XJSH、XJQM、XJKL、XJDS、XJBY、XJTZ、XJXY、XJKC、XJTC、XJYT、XJYN、XJWQ、XJZS、XJHT、XJBC、XJYC、XJWU、XJBL，下同。

由图可以看出：测站基于方案1在E、N、U方向上的精度大约为2.38、2.26、3.44 mm；随着17个IGS站的加入，测站在E、N、U方向上的精度提升至0.66、0.70、2.34 mm；当使用全球H文件一起平差时，相比之下测站在E、N、U方向上的精度最高，大约为0.39、0.41、1.31 mm。对于3个方案，E、N方向上的精度结果相差不大且比U方向上高出很多，原因可能是加入的IGS站在南北和东西方向上分布比较均匀。各测站在E、N、U方向上：方案2比方案1精度有了明显提升，分别提高了72.27 %、68.72 %、31.98 %左右；方案3比方案2精度又有了提升，分别提高了41.79 %、42.25 %、44.02 %左右；方案3比方案1精度提高了83.61 %、81.94 %、61.92 %左右。所以方案1的解算精度最差，方案2次之，方案3精度最高。

由此可以看出在使用GLOBK软件进行陆态网新疆地区网平差时，加入中国及周边的17个IGS站进行约束就能大幅度提高坐标精度；当联合SOPAC提供的全球解H文件一起平差时，坐标精度最高、结果最好。

4.2.2 测站速度分析

同样，限于篇幅，表5～表7只列出了10个测站在E、N、U方向上的速度解算结果。

表5 E方向速度解算结果

表6 N方向速度解算结果

表7 U方向速度解算结果

图6～图8直观反映出3个方案分别在E、N、U方向上的速度解算精度。不难看出，各测站在E、N、U方向上，3个方案的速度精度均比坐标精度要低。而且3个方案在E、N方向上的精度比U方向上高出很多。3个方案在E方向上的精度为18.07、13.14、12.73 毫米·年-1；在N方向上的精度为18.97、14.12、13.85 毫米·年-1；在U方向上的精度为52.04、49.84、47.89 毫米·年-1。所以在3个方向上：方案2比方案1精度有了明显提升，分别提高了26.35 %、29.82 %、4.04 %

左右；方案3比方案2精度又有了提升，分别提高了11.23 %、9.95 %、4.10 %左右；方案3比方案1精度提高了34.62 %、34.80 %、7.97 %左右。因此在进行陆态网新疆地区GLOBK平差时，加入中国及周边的17个IGS站进行约束就能大幅度提高测站速度精度；当联合SOPAC提供的全球解H文件一起平差时，精度最高。

5 结束语

本文依据IGS站的选取不同对比分析了GLOBK平差时3种解算方案的测站坐标和速度精度结果，得到以下结论：

1)测站在E、N方向上的坐标精度结果相差不大，且都比U方向上坐标精度高出很多；

2)测站的速度精度均比坐标精度要低；

3)在本文的GAMIT/GLOBK参数设置下，进行陆态网新疆地区网平差时，加入中国及周边的17个IGS站进行约束就能大幅度提高测站坐标和速度的精度，当联合SOPAC提供的全球解H文件一起平差时得到的测站坐标和速度的精度最高且明显提升。

当然，在进行GAMIT基线解算和GLOBK平差时，参数设置的不同得到的结果也有一定的差异；该实验得到的结论只在一定情况下适用。IGS站点的选取对连续观测数据网平差具有很重要的意义，今后仍需不断研究，进一步完善方案。

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