连续运行参考站选取对GNSS基线处理精度的影响分析

袁晓妍，秦 童，赵友兴

(1.自然资源部第二地理信息制图院，哈尔滨 150081；2.黑龙江第一测绘工程院，哈尔滨 150025；3.黑龙江省地理信息产业园有限公司，哈尔滨 150025)

GNSS静态观测数据的处理，通常采用的方式是将坐标已知点纳入到观测点当中，共同进行基线解算，再用已知点坐标作为起算点进行三维约束平差(必要时还需进行二维约束平差)。根据《全球定位系统(GPS)测量规范》，各级GPS网按观测方法可采用基于A级点、区域卫星连续基准站网、临时连续运行基准站网等点观测模式[1]。随着连续运行参考站(CORS)技术的飞速发展，多个国家已经建设了一定数量的连续基准站。一些发达国家已在各自所在地区建立了各种连续运行基准(参考)站网，具有代表性的包括美国的CORS系统、欧洲的SAPOS系统、日本的COSMOS系统等[2]。卫星导航定位基准站网可定义为由一定范围内(甚至全球)的若干个(大于3个)GNSS测站(包括连续运行和不连续运行的基准站)组成[3]。GNSS基准站网系统可定义为将基准站网通过网络互联，构成以提供位置和时间信息为核心的网络化综合服务系统。我国最近几年也基本实现了CORS网络的完全覆盖。由于连续运行基准站是全天候不间断进行观测，任意未知点在任何观测时段都可以与它们构成结构良好的同步观测环，进而可以精密地知道未知点的坐标，作业效率高于传统的同步环滚动模式[4]。因此在GNSS静态观测和数据处理中，基于卫星连续基准站网的方法得到越来越广泛的应用。

在一些GNSS基线处理的实际操作中发现，坐标已知的连续运行基准站的选取规则不同，基线处理结果也不尽相同。随着基准站间隔、构成的网型发生变化，基线处理和平差所获得的数据成果也会有一定的区别。在实际的GNSS基线处理中经常需要通过多次不同处理方式进行对比，选取精度和可靠性较好的处理结果，增加了基线处理中的工作量和不确定性。

随着国家级连续运行基准站、各省级连续运行基准站的大量建设并投入使用，已经在实际测量工作和相关试验中证实了在中国大陆范围内，使用连续运行基准站作为GNSS基线处理的基准时，其处理质量要优于选用IGS站的情况。其主要原因是IGS站构成的基线长度较长，且IGS站和观测站可能不在同一块体，坐标精度和基线精度都因此受到影响[5]。但在同省、同地市范围内的基线处理中，连续运行基准站的选取方式暂无明确的方法指导。文中通过对已有GNSS静态观测数据进行对照试验，分析基准站网型、基准站间隔距离对静态数据处理结果的精度影响情况。

1 理论方法和试验思路

GNSS基线处理的原理是用已知的基准站作为起算点，将起算点作为已知量。通过基线坐标的向量差获得观测点的坐标[6]。将基线在GNSS相对定位中的两个端点设为A1和A2，在空间坐标系中的坐标分量记为X1和X2。A1作为起始点时，基线向量分量为ΔX12。当采用双差方程进行基线解算时，如式(1)所示。

(1)

若观测站的近似坐标向量为Xi0，其变化量为δXi，则：

(2)

(3)

且同步观测卫星个数为n，则有：

(4)

δX12=δX2-δX1=QδX1.

(5)

GNSS数据解算观测量为双差观测量，要求基准站和未知点有较多的共视卫星，以构成较多的双差观测量。因此位置点最好位于基准站构成的多边图形之中[8]。通过实际数据解算的变量控制，可以对基准站网网型、基准站间隔在成果精度上的影响情况加以分析。

2 数据处理和精度分析

本次试验的数据选取自两个测区。其一位于哈尔滨市东部、牡丹江市西部地区，共有J068、J080、J081计3座观测站，测区的连续运行基准站分布较为均匀；其二位于大兴安岭地区呼玛县，共有BM03、BM04两座观测站，测区位于边境附近，周边连续运行基准站的分布有明显的方向性。两测区的所有试验都保证观测站位于基准站构成的多边形范围内。观测可用的连续运行基准站原始数据均来自相同型号的南方接收机。观测点位环境较为空旷，附近无明显遮挡物。连续观测时长均达到90 min以上，数据的采样间隔为5 s。两个测区的控制点分布情况如图1、图2所示。

图1 控制点分布图(1)

图2 控制点分布图(2)

在基线处理前，对所有原始观测数据进行质量检查，以检测周围物体反射而造成多路径效应的干扰程度[9]，结果如表1所示。

表1 点位的站名、有效率和多路径效应

质量检查结果显示，各点数据有效率均高于85%，多路径效应MP1和MP2均小于0.5，满足基线处理的要求。

下载观测当天的IGS精密星历。精密星历可在“武汉大学IGS中心”网站进行下载。为了避免不同卫星系统的广播星历文件由于精度不同对基线处理结果产生影响，在本次试验中一律采用统一的IGS精密星历文件[10]。

准备连续运行基准站的数据和坐标数据，本次试验选取HLJCORS在哈尔滨市的基准站4座、牡丹江市的基准站两座、大兴安岭地区的基准站5座。基准站观测数据和坐标由黑龙江省卫星导航定位服务中心提供。数据采样间隔为30 s。在试验完成后将其删除销毁。

用Trimble Business Center(TBC)软件进行本次试验的基线处理，并用COSAGPS进行平差计算。在基线处理前需把所有的外业观测数据和精密星历文件一并导入TBC软件中，为了防止天线高量测方式不统一对基线处理结果带来干扰，将天线高统一改为相位中心高，随后进行首次基线处理；在首次处理结束后，使用TBC软件自带的时段编辑功能，通过编辑时段、删除卫星等方式对之前解算中无法固定的基线进行处理，使其固定；始终无法固定的基线则予以删除，保证整体的基线解算结果处于较为理想的精度和可靠性[11]。在完成以上编辑后，清除所有处理结果重新进行基线处理，直到基线处理结果符合要求。试验的基准站选取见表2。

表2 各组试验的基准站

在完成基线处理之后进行三维约束平差，对比各组试验的精度情况，第一测区的对比结果见表3。通过对平差结果的检查，3种处理方式的最弱点一致，均为J081。因此可以通过对比最弱点的精度情况来比较精度，最弱点精度情况见表4。

表3 各组的平差结果质量对比(测区1)

表4 最弱点精度对比(测区1) cm

从第一测区的试验结果中可以看出，随着选用的基准站数量增加，GNSS基线处理的质量可以得到一定程度的提升。但实际的生产任务中，可能会出现边境地区的测量，或者部分地区连续运行基准站出现故障等情况，从而导致基准站的分布并不均匀。为了让试验更加全面，需要进一步验证当测区周围基准站分布均匀程度一般时，增加基准站是否会对GNSS基线处理带来干扰，因此需要第二测区的试验结果进行对照。数据处理的方法大致和第一测区相同，对比结果如表5所示。

表5 各组的平差结果质量对比(测区2)

通过对平差结果的检查，3种处理方式的最弱点一致，均为BM04。因此可以通过对比最弱点的精度情况来比较精度，最弱点精度情况见表6。

表6 最弱点精度对比(测区2) cm

从第二测区的试验结果中可以看出，当增加一座基准站时，GNSS基线处理的精度不及原方法；当减少基准站的数量时，精度和原方法较为接近。

经检验，各组试验的重复基线差和异步环闭合差符合《全球定位系统(GPS)测量规范》要求，绝对指标具有一定可靠性[12]。

需要注意的是，随着基准站数量的增加，参与数据处理的基线数也会成倍增长，可能会出现更多闭合差超限的同步观测环，在处理基线的时候须注意加强精化处理[13]，将相关基线进行时段、卫星编辑或考虑剔除。在最新的3.02版本Rinex数据格式中还加入了北斗卫星的星历[14]，因此增加基准站后，若基线向量内部可靠性明显影响，建议在原方法选取的基准站基础上，增加选用的卫星系统(例如GLONASS、北斗等)，两种方法进行对照，以提高可用性、正确性以及可靠性[15]。

3 结束语

试验结果表明，在利用连续运行基准站作为起算点进行GNSS基线处理时，当周围的基准站分布较为均匀，且构成的多边形能完全包围观测站时，通过增加连续运行基准站数量的方法，能够显著提高解算、平差后所得的坐标精度。从边精度、点精度、基线向量残差等方面，选用较多基准站来进行基线处理时，都具备一定的优势。但当测区周围的基准站分布有明显的倾向性，或观测站靠近基准站所构成的多边形边缘时，由于会增加一些较长的基线、基准站和观测点成网的点位间隔不均匀等原因，可能会对基线向量内部可靠性造成影响，从而使基线处理结果不够理想。因此在通过连续运行基准站数据处理静态GNSS观测数据时，要尽可能保证基准站和观测点成网的相对均匀，避免对数据处理造成干扰。