高精度GPS超短基线场数据处理与分析

武曙光,聂桂根,2,彭凤友,何月帆,武昌生

(1.武汉大学 卫星导航定位技术研究中心,湖北 武汉 430079;2.地球空间信息技术协同创新中心,湖北 武汉 430079;3.宿州市测绘管理处,安徽 宿州 234000)

0 引 言

标准长度基线场作为测绘仪器检定的重要标准器之一,长期以来为交通、水利、地震、城建、地质等的基础科学研究和工程建设提供了重要的基础设施保障. 随着全球卫星导航系统(GNSS)产品的国产化及现代地理信息产业的不断发展壮大,GNSS接收机迅速普及,仪器的校准问题就突出地显示出来. 而进行GNSS接收机校准,首先要建立GNSS基线场.

根据JJF1118-2004《全球定位系统(GPS)接收机(测地型和导航型)校准规范》[1]以及JJF1214-2008《长度基线场校准规范》[2]的要求,超短基线是指标准值在0.2～24 m范围内的标准长度,可以校准GNSS接收机的天线相位中心一致性和GNSS接收机内部噪声水平.

基线场建立完成以后,需要进行高精度GNSS数据处理,包括基线解算和网平差. 若新建的基线场周围存在本地的连续运行参考站(CORS)网,同时CORS站坐标精确可靠、观测数据易于获取,则可以用来联合解算,求出新建站的基线和坐标结果. 而如果新建的基线场周围没有可用的CORS站,或者CORS站的坐标及精度未知,则有必要使用国际GNSS服务站(IGS)数据来完成解算. 本文针对新建的GNSS超短基线场,联合周边的IGS站、中国大陆构造环境监测网络(CMONOC)站进行高精度基线解算,采用三种解算方案并对它们的解算结果进行了对比分析.

1 方案设计

1.1 超短基线场简介

通过对项目所在地的地形勘测,按5个观测点对GNSS超短基线场进行网形设计,如图1所示. 该基线场由5个点组成,网形为等腰梯形,各条基线的夹角约为60°,长度约为6 m,每次最多可以同步校准5台GNSS接收机. 基线场所在地天空无障碍物、地质构造坚固稳定,交通便利,便于建造、管理与维护. 各点位均埋设为强制归心的观测墩,并且远离电磁信号干扰源和易于产生多路径信号源的地方,如远离微波站、无线电发射台、高压线等,满足规范要求. 超短基线场埋设时,需按设计坐标进行精确放样,确定观测墩位置,超短基线场各边长放样误差不大于±3 cm[3].

基线场建设完成以后,经过两个月的自然沉降观测墩逐渐稳定,此时进行GNSS数据采集以及全站仪测边等工作. 2019年11月5-7日进行了3天的静态测量,使用的接收机为Trimble Net R9,采样周期为15 s,天线为TRM55971. 在11月4日和8日,使用了莱卡TS60全站仪进行了两次基线边测量,每条基线边采用往返测,施测两个测回.

1.2 数据处理方案

本文采用的数据处理软件为GAMIT/GLOBK10.5,首先使用GAMIT计算2019年11月5-7日的单日基线结果,再利用GLOBK进行整体平差得出各站坐标. 由于GAMIT软件目前还不能处理混合系统的数据,选取了采集数据中的GPS数据进行处理分析.

数据选择: 1)观测文件:2019年11月5-7日(年积日309-311)5个超短基线站点的整日观测文件,采样周期为15 s; 2)星历文件:对应时段的IGS精密星历及广播星历; 3)IGS站数据:北京市周围的6个IGS站观测文件,采样间隔为30 s. 本次数据处理选用的6个IGS站分布如图2所示. 图中星号为选用的IGS站点,圆点为北京市及周边分布均匀的5个CMONOC参考站. 这些IGS站点较均匀地分布在项目所在地周围,使得组成的GPS网有较好网形和较高精度. 本次处理使用的各IGS站的观测文件、广播星历、精密星历以及精密钟差均从斯克里普斯轨道和永久阵列中心(SOPAC)下载得到;5个CMONOC参考站数据来自陆态网数据中心教育部数据子系统服务器.

图2 GAMIT处理使用的IGS站分布

主要的GAMIT基线解算策略包括:解算类型为BASELINE,将卫星轨道参数固定;观测值类型为双差观测值;截止高度角设置为15°,以减少多路径效应等与卫星高度角有关的误差源的影响;测站约束为松弛约束,IGS站点N、E方向10 cm,U方向20 cm;待估测站N、E、U方向皆为30 m， 天线相位中心改正模型为AZEL,将天线相位中心看成是卫星高度角和方位角的函数,采用双线性插值;对流层延迟改正:映射函数采用VMF1;每2小时估计一次天顶对流层延迟参数;每12小时估计一次大气水平梯度参数;电离层延迟改正:采用LC组合观测值消除一阶电离层延迟的影响;高阶电离层延迟模型为GMAP;地磁场参考模型为IGRF11;潮汐改正:采用的潮汐改正项包括地球固体潮(IERS2003)、极潮、海潮(FES2004)以及大气潮(全球格网模型ANU100826);非潮汐改正:非潮汐大气模型改正(atmfilt-cm.year模型);参考框架:ITRF2014.

本文拟采用三种基线解算与网平差方案：

方案一:6个IGS站、5个CMONOC参考站、5个项目测站共16个站点首先统一进行基线解算,然后IGS站作为约束站,经过三维平差得到项目测站的基线与坐标结果.

方案二:首先IGS站、CMONOC参考站共11个站点作为框架网,经过基线解算与网平差,得出CMONOC参考站的ITRF2014框架下的精确坐标. 然后将CMONOC参考站、项目测站作为下一级子网,类似地得出项目测站的基线与坐标结果.

再次，从考核机制方面看，上级主管部门对学校体育场馆资源使用效益没有具体的考核办法，对学生课外体育锻炼情况也没有具体的考核办法，相反，如果在资源出租出借财务方面出现问题或学生安全方面出现问题，学校相关负责人就会受到对应的追责。

方案三:第一步与方案二相同,首先得出CMONOC参考站的高精度坐标,然后所有16个站点联合进行基线解算与网平差. 在方案三第二步的GAMIT基线解算中,通过加入CMONOC参考站先验坐标约束[4],探讨相比于方案二,方案三是否有利于基线解算及网平差的精度提高.

CMONOC参考站和项目测站的分布如图3所示. 图中圆点即为选用的CMONOC参考站,三角形表示5个项目测站.

图3 GAMIT处理使用的CMONOC参考站分布

2 基线结果分析

GAMIT基线解算完成后,可将基线解的标准均方根误差(NRMS)作为GPS同步环质量好坏的一个指标,表示单时段解算的基线值Yi偏离其加权平均值Y的程度[5],其定义为

(1)

式中：N为基线数目；σi为基线解算中误差. 通常要求NRMS值小于0.3,若大于0.5,则表示基线处理过程中周跳可能未得到完全修复[6-7]

表1示出了三种方案解算获得的年积日309-311单日解NRMS值,可见所有基线解算的均方根误差均满足精度要求. 其中方案二的第二步基线解算的NRMS值比其他解算方案稍大0.1,这可能是由于该基线网空间范围小,短基线的相对误差一般大于长基线造成的,同时也可能与基线数目较少有关.

表1 三种方案基线解算获得的NRMS值

另外,也可以通过检查所有站点是否全部参与基线解算来检查解算效果. 在单日解文件中的总结文件中,若是Number of stations used(使用的测站数目)与Total xfiles(生成的X文件的数量)一致,则说明全部站点参与了基线解算[8]. 经检查,本次解算所有测站均参与解算.

在基线解算的质量控制中,重复性是一种更高等级的质量控制指标. 重复性的定义为

(2)

表2 三种方案下的4条独立基线的N、E、U分量及长度方向的基线重复率 m

全站仪测边的结果示于表3.可以看出,若以全站仪两日实测值的均值作为基准,则三种方案的基线结果最大差异为2 mm,解算成果符合规范和设计书要求. 其中方案二的基线结果略优于方案一和方案三.

表3 全站仪实测基线边长与对应的GAMIT基线解算结果

3 GLOBK网平差

基线解算完成以后,使用H文件作为观测量进行GLOBK网平差,起算点坐标约束在N、E、U分量上分别为1 cm、1 cm、2 cm. 方案一中起算点为6个IGS站,方案二中第一步同为6个IGS站,第二步为5个CMONOC参考站,方案三中第一、二步均为6个IGS站. 项目测站的点位坐标结果如表4所示(ITRF2014参考框架,历元2019.8480). 可见三种解算方案所得的坐标差异不大,坐标分量的互差基本保持在1 cm以内. 然后取三种方案的坐标结果的平均值作为虚拟真值,分别求出三种方案下各个项目测站与其虚拟真值间的距离,以对比它们坐标结果的稳健度,如图4所示. 可见,三种解算方案下的点位坐标结果差异很小,与其均值间的差异不超过1 cm. 方案三的差异最大,为7～8 mm;方案一次之,为4～5 mm;方案二最小,5个项目测站均保持在3～4 mm.

图4 三种解算方案点位坐标与均值间的距离

表4 项目测站点位坐标结果(ITRF2014, 2019.848)

4 结束语

本文采用了三种方案对新建立的GPS超短基线场进行了GAMIT/GLOBK数据处理,通过对基线解算后NRMS值、基线重复性、独立基线长度比较以及网平差以后点位坐标稳健性等方面的对比分析,可以看出方案二要优于方案一和方案三. 在类似的小范围测站网高精度数据解算时,采用分级两步法(方案二)可以得到较合理的高精度基线和坐标结果. 随着我国北斗卫星导航系统(BDS)组网的逐渐完善,用于数据解算的卫星越来越多. 对于国产接收机采集的GPS+BDS卫星数据进行联合数据处理,将会是本文下一步的工作方向．