多余长基线对高精度GPS数据解算的影响分析

杨登科

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300142)

0　引　言

随着全球导航卫星系统的快速发展,作为其最成熟、应用最广泛的代表-GPS系统,目前已被广泛应用于大地测量、地壳形变监测、地球动力学、气候监测、工程测量和似大地水准面精化[1]等多个领域。伴随着高精度科研的需求和应用领域的不断拓新,许多领域和行业都对GPS精密数据处理提出了更高的精度要求。

当前,国内外学者对GPS数据处理方法及影响其解算精度的各种因素进行了研究。如文献[2]和文献[3]中张双成等对GAMIT数据解算中的基线解类型进行了分析;文献[4]中姜卫平等分析了卫星星历误差、起始点坐标、解算方案和数据处理软件等对基线解算的影响;文献[5]中赵建三等对GAMIT基线解算过程中配置文件参数的设置对基线解算精度的影响做了简要分析。由于在多余长基线对高精度GPS数据解算的影响方面研究较少,因此在不同已知点分布和解算时间内进行数据解算,定量分析多余长基线在不同情况下对高精度GPS数据解算的影响是极为必要的。

本文的主要目的是利用不同已知点分布和解算时间的CORS网观测数据,采用高精度数据处理软件进行基线解算,在以标准化的均方根误差(NRMS)和基线重复性为标准保证解算精度的基础上进行网平差,以定量分析在不同已知点分布和解算时间时多余长基线对高精度GPS数据解算的影响。

1　数据解算策略

1.1　数据介绍

本文选择某地的8个CORS站(如图1所示)和位于同一板块的8个IGS站(分别为BJFS、CHAN、KIT3、LHAZ、POL2、SHAO、WUHN、USUD)进行联合解算。以其中的5个CORS站作为已知点,另外3个CORS站作为未知点,并按照解算时间分为4 h、6 h、8 h、12 h、18 h和24 h共6个时段。

联系人: 杨登科 E-mail: 624892261@qq.com

1.2　解算软件及基线解算模式介绍

目前广泛应用的高精度GPS数据处理软件包括:美国麻省理工学院和美国斯克里普斯海洋研究所等机构联合开发的GAMIT/GLOBK、瑞士伯尔尼大学天文学院开发BERNESE和美国航空航天局喷气动力实验室开发的GIPSY等。鉴于GAMIT/GLOBK具有精度高、运算速度快、持续升级、精度许可范围内自动化程度高等特点[6],本文以GAMIT/GLOBK软件为例进行研究。

基于GAMIT软件进行高精度基线解算时,依据GPS数据处理的多样性,该软件提供了多种参数的选择,以确保稳定可靠的GPS定位结果。本文在进行基线解算时,选用的主要参数设置如表1所示。

表1　控制参数的选择

1.3　数据处理方法介绍

为研究在不同已知点分布和不同解算时间时多余长基线对高精度GPS数据解算的影响,将CORS网分为A(已知点分布在外围,取YDK3、YDK4、YDK5、YDK6和YDK8为已知点)、B(已知点分布在一侧,取YDK1、YDK3、YDK4、YDK5和YDK6为已知点)两种情况,并按照解算时间分为如1.1节中所示的6个时段。为保证解算精度,采用年积日为194～200共7天的观测数据进行解算。在不同情况和解算时间内均采用以下两种方案进行处理。

方案1:引入IGS站并以其坐标作为基线解算初始坐标,解得包括IGS站和CORS站的基线;

方案2:①引入IGS站并以其坐标作为基线解算初始坐标,以IGS站作为平差的起算点进行平差,得到CORS站在ITRF08框架下的坐标;②只用8个CORS站O文件进行基线解算,基线解算初始坐标采用①中解得坐标,得到仅含CORS站的基线;

方案1中得到含IGS+CORS站的基线(平差时包含多余长基线),方案2中得到仅含CORS站的基线,并分别以两种情况下的平差起算点进行网平差,从而对多余长基线对高精度GPS数据解算的影响进行分析。

2　数据解算

按照上述的解算方法对所选数据进行基线解算,得到基线解算文件。下面将从标准化的均方根误差(NRMS)和基线重复性两方面对基线解算结果进行评估。

2.1　标准化的均方根误差

标准化的均方根误差NRMS是衡量基线解算质量的最主要的指标之一,进行高精度基线解算时要求NRMS值小于0.3[7].如图2所示,基线解算的NRMS值除194天的4、6 h时段分别达到0.75和0.41外(由于此NRMS值超过0.3,不参与平差),其他各时段的NRMS值均在0.2左右,满足高精度基线解算的要求。

2.2　基线重复性

基线重复性是衡量数据处理质量的重要指标之一。限于篇幅,仅列出基线长度分量的重复性,如表2所示。

表2　基线长度分量重复性统计　　　　　　　　　　单位：mm

由表2可知,基线重复性都较高,满足高精度GPS基线解算的要求。

在所求基线满足高精度GPS数据处理需求的基础上,对各解算时间内两种情况A和B在不同方案下求得的的基线解分别进行网平差,即可得到在不同已知点分布和解算时间时待求点的坐标。

3　讨　论

在平差得到结果的基础上,对不同已知点分布和解算时间时多余长基线对高精度GPS数据解算的影响进行研究。

3.1　坐标精度差异

对A、B两种情况在各时段精度的平均值进行统计,具体如表3所示。

表3　精度统计　　　　　　　　　　　　　　　　　单位：m

由表3可知,多余长基线的存在会影响GPS数据解算的精度,在A、B两种情况(不同已知点分布)时精度差异不大,且随着解算时间的增加,影响呈减小趋势。

3.2　坐标差异

分别对两种情况(A和B)在不同方案内(IGS+CORS和CORS)所求得的坐标进行求差,并对结果进行统计,得到在两种情况下不同方案对数据处理的影响。

表4　坐标差异　　　　　　　　　　　　　　单位:m

由表4可知,多余长基线的存在会影响高精度GPS数据解算的结果,在A(已知点环绕)中,差异最大值达到了6 mm,均值在1.0～2.5 mm之间。在B(已知点在一侧)中,差异最大值达到了12.7 mm,均值在3.0～5.5 mm之间;在各时段内,坐标差异均较为明显,在进行高精度GPS数据解算时,需顾忌多余长基线的影响;B差异明显较A差异大,表明当已知点分布较差时,更应考虑多余长基线对GPS数据处理的影响。

4　结束语

随着GPS建设的不断推进和理论研究的不断完善,如何获得高精度的坐标成果以满足各领域实际工作的需要依然是当前面临的一个重要问题[8-10]。本文选择具有不同已知点分布和解算时间的CORS网观测数据,定量研究在不同已知点分布和解算时间时多余长基线对高精度GPS数据解算的影响,并得出以下结论:多余长基线的存在会对GPS数据解算的精度产生影响,在不同已知点分布时精度差异不大,且随着解算时间的增加,影响呈减小趋势;多余长基线的存在也会对解算结果产生较大影响,在已知点分布较好时,影响最大值达到了6 mm,已知点分布较差时最大值达到了12.7 mm,在各时段内,坐标差异均较为明显,在进行高精度GPS数据解算时,需顾忌多余长基线的影响;在已知点分布较差时坐标差异更为突出,表明在已知点分布较差时更应考虑多余长基线对GPS数据处理的影响。因此,在进行地壳形变监测、参考框架的建立和似大地水准面精化等研究中,多余长基线对GPS精密数据处理的影响是不容忽视的。

[1]宁津生,罗志才,李建成. 我国省市级大地水准面精化的现状及技术模式[J]. 大地测量与地球动力学,2004,24(1): 4-8.

[2]张双成,曹海洋,高涵,等. 基于GAMIT的GPS短基线解类型分析及应用[J]. 测绘通报,2011(10): 27-29.

[3]张双成,曹海洋,李海英. 基于GAMIT的GPS长基线解类型分析及应用[J]. 工程勘察,2011(10): 42-45.

[4]姜卫平,刘经南,叶世榕. GPS形变监测网基线处理中系统误差的分析[J]. 武汉大学学报(信息科学版),2001,26(3):196-199.

[5]赵建三,杨创,闻德保. 利用GMAIT进行高精度GPS基线解算的方法及精度分析[J]. 测绘通报,2011,(8):5-8.

[6]鄂栋臣,詹必伟,姜卫平,等. 应用GAMIT/GLOBK软件进行高精度GPS数据处理[J]. 极地研究,2005,17(3):173-182.

[7]杨登科,安向东,汤勰. GAMIT数据处理中基线解算模式的对比分析[J]. 测绘地理信息,2016,41(2):18-21.

[8]安向东,杨登科. 测站间高差对短时段GPS基线解算的影响[J]. 大地测量与地球动力学,2016,36(6):534-538.

[9]杨登科,安向东,黄广利,等. 不同时间序列跨度对噪声模型建立的影响分析[J].测绘科学,2016,41(5):33-37.

[10]李星光,郑南山. 参数设置对高精度GPS数据解算的影响探讨[J].测绘科学,2015,40(1):33-37.