北京市CORS網(wǎng)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)處理與精度分析

鄭 坤,董緒榮,戴連君,張 晰,聶志峰

(1.裝備指揮技術(shù)學(xué)院,北京 101416;2.北京市政務(wù)網(wǎng)絡(luò)管理中心,北京100053)

0 引 言

基準(zhǔn)站坐標(biāo)及其穩(wěn)定性是一切"連續(xù)運(yùn)行全球衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)"的基礎(chǔ),因此應(yīng)用基準(zhǔn)站長期連續(xù)觀測的GPS數(shù)據(jù),按照相關(guān)的理論、方法及其軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,研究分析CORS基準(zhǔn)站坐標(biāo)變化的規(guī)律,統(tǒng)計(jì)分析各基準(zhǔn)站坐標(biāo)和速度場的精度及其變化,探討基準(zhǔn)站的位移和沉降規(guī)律。

北京市全球衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)于2006年6月通過專家鑒定驗(yàn)收,同期投入使用,作為北京市基礎(chǔ)建設(shè)應(yīng)用平臺(tái)之一,是北京市城市坐標(biāo)框架骨干網(wǎng)的重要組成部分,可提供多種GPS和氣象數(shù)據(jù),為北京市各應(yīng)用部門和單位提供高精度位置服務(wù),包括高精度定位、形變監(jiān)控、地面沉降監(jiān)控、氣象預(yù)報(bào)、城市基礎(chǔ)測繪、車輛導(dǎo)航等。

北京市全球衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)包含15個(gè)連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站和1個(gè)中心站,在全市范圍內(nèi)均勻分設(shè),在北京市氣象局、北京市地震局和北京市測繪院建立了3個(gè)分系統(tǒng),采用光纖通訊、ADSL通訊和政務(wù)外網(wǎng)通訊等多種網(wǎng)絡(luò)通訊模式。基準(zhǔn)站主要負(fù)責(zé)GPS數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)的采集,將其實(shí)時(shí)傳輸?shù)街行恼?由中心站進(jìn)行解算并以實(shí)時(shí)和后處理兩種模式進(jìn)行分發(fā)。目前共有14個(gè)站正常運(yùn)轉(zhuǎn)?；鶞?zhǔn)站點(diǎn)位地理位置分布如圖1所示。

利用這些站24 h不間斷觀測的載波相位數(shù)據(jù)與國際IGS站網(wǎng)同步聯(lián)測數(shù)據(jù)進(jìn)行事后精密處理,可以計(jì)算出這些站點(diǎn)ITRF框架下的地心坐標(biāo)值,并分析其變化規(guī)律,因此聯(lián)測數(shù)據(jù)的處理方法和處理策略及其精度非常重要。

圖1 基準(zhǔn)站點(diǎn)網(wǎng)圖

1 基準(zhǔn)站聯(lián)測數(shù)據(jù)處理方法

計(jì)算處理的基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)是北京市CORS網(wǎng)內(nèi)14個(gè)基準(zhǔn)站于2009年2月29日至2010年3月31日的雙頻GPS觀測數(shù)據(jù),14個(gè)基準(zhǔn)臺(tái)站包括:石景山(SHIJ)、大興(DAXN)、朝陽(CHAO)、東三旗(DSQI)、延慶(YANQ)、?？谟?NKYU)、牛欄山(NLSH)、昌平(CHPN)、測繪院(CEHY)、西集(XIJI)、湯河口(THKO)、平谷(PING)、密云(MYUN)、齋堂(ZHAI)。這些基準(zhǔn)站都是24 h連續(xù)觀測,15 s的采樣間隔,接收機(jī)類型大都是T R5700。為獲得ITRF框架下的結(jié)果,在分布盡量均勻的前提下,引入 WUHN,USUD,BJFS,KIT3,KUNM,PIMO,SHAO,IRKT,POL2,TSKB,DAEJ 11個(gè)國際IGS站點(diǎn)參與解算。

CORS網(wǎng)基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)由北京市政務(wù)網(wǎng)絡(luò)中心提供,采用Rinex格式。對于非Rinex格式的數(shù)據(jù),可以通過隨機(jī)軟件轉(zhuǎn)換為Rinex格式。IGS站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)和sp3格式的精密星歷(或者g文件)可到相關(guān)網(wǎng)站下載。

數(shù)據(jù)處理采用GAMIT/GLOBK軟件,該軟件是美國麻省理工學(xué)院(MIT)研制的﹑集GPS定位定軌于一體的高精度GPS數(shù)據(jù)處理和分析軟件,是目前國際上著名的GPS定位定軌軟件之一。隨著LINUX系統(tǒng)的廣泛普及,標(biāo)準(zhǔn)的GAMIT版本已很容易移植到微機(jī)上使用。GAMIT/GLOBK對于GPS觀測數(shù)據(jù)的處理是通過GAMIT與GLOBK兩個(gè)模塊分別完成。GAMIT模塊主要進(jìn)行基線解算,生成單天解h文件等。GLOBK模塊實(shí)現(xiàn)濾波與平差計(jì)算、完成對h文件的后處理。本文所使用的是GAMIT 10.34版本。

1.1 相關(guān)文件的準(zhǔn)備和設(shè)置

1)檢查tables內(nèi)文件。Tables內(nèi)最少應(yīng)包含的文件有:Pole.;ut1.;luntab.;soltab.;leap.sec;gdetic.dat;antmod.dat;svnac.dat;rcvant.dat;station.info;sestbl.;sittbl.;svs_exclude.info;ITRFyy.apr;otl.grid。以上文件可在GAMIT的tables里面找到,但需保持更新。

2)手動(dòng)修改L文件lfile、station.info、sittbl.。L文件是包含所用測站的概略坐標(biāo)的文件,該文件可以在GAMIT安裝目錄下的lfile的基礎(chǔ)上手工填寫,對于不知道初始坐標(biāo)的觀測站,可以通過sh_rx2apr命令來獲得。station.info文件包含接收機(jī)、天線和天線罩類型等信息?？筛鶕?jù)觀測站所用GPS,對照格式填寫。sittbl.文件用于解算過程中某些站點(diǎn)的先驗(yàn)坐標(biāo)給出約束。

3)如果要進(jìn)行海潮校正或大氣負(fù)荷(ATML)校正,還需要下載相應(yīng)的文件并置于tables目錄下。GAMIT/GLOBK vl0.34版缺省采用FES2004海潮模型,此外還有 CSR4、GOT00、FES99、NAO99b 等多種模型可供選擇。采用何種模型通過設(shè)定到otl.grid的鏈接來進(jìn)行。ATML數(shù)據(jù)為分年數(shù)據(jù),如atmdisp_cm.2006。如果大氣映射函數(shù)(Mapping Function)采用由數(shù)值天氣預(yù)報(bào)而得的VMF1,則還需要下載全球分年VMF1柵格文件(如vmflgrd.2007)。

1.2 數(shù)據(jù)處理參數(shù)選擇

處理參數(shù)設(shè)置如下:

處理模式 RELAX;

觀測值的選擇LC_AUTCLN;

批處理迭代方案1-ITER;

潮汐模型IERS03;

光壓模型BERNE;

數(shù)據(jù)篩選AUTCLN;

ARC參考系統(tǒng)IGS05;

慣性框架J2000;

IGS站坐標(biāo)約束0.01 0.01 0.05;

CORS網(wǎng)基準(zhǔn)站坐標(biāo)約束100 100 100。

1.3 數(shù)據(jù)處理策略

IGS站點(diǎn)的選取,關(guān)系到解算的精度。CORS網(wǎng)的解算分為全球網(wǎng)解和區(qū)域網(wǎng)解,區(qū)域網(wǎng)解反映相對于中國大陸周邊及內(nèi)部IGS跟蹤站的坐標(biāo)精度,全球網(wǎng)解反映相對于坐標(biāo)框架的地心坐標(biāo)精度,兩者之間的地心絕對精度存在一定的差異。區(qū)域網(wǎng)從坐標(biāo)內(nèi)符合精度上來講要略優(yōu)于全球網(wǎng)。

對于基準(zhǔn)站的分析,首先可以使用程序glred或sh_glred做出基準(zhǔn)站坐標(biāo)的時(shí)間序列,找出并剔除任何測量或基準(zhǔn)站有明顯異常值。對于全球解,在glorg程序中固定比較好的IGS站點(diǎn)作為約束。對于區(qū)域解,由于IGS站較少,為獲得較好的時(shí)間序列,一般采用迭代過程,首先利用IGS站確定框架生成時(shí)間序列(利用GLRED),然后剔除明顯的異常值,再利用(GLOBK)聯(lián)合解算出各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo),最后再運(yùn)行GLRED,在glorg程序中使用所有的點(diǎn)作為約束點(diǎn),這樣可以有效定義一個(gè)區(qū)域參考框架,可以在不選擇單一參考站消除共模誤差,本文中采用的是區(qū)域網(wǎng)解。

2 解算結(jié)果的精度分析

一般用來評價(jià)GAMIT相位數(shù)據(jù)處理有三條重要的準(zhǔn)則:

1)預(yù)期的數(shù)據(jù)全部參與處理;

2)模型擬合達(dá)到預(yù)期水平;

3)相關(guān)的誤差指標(biāo)在允許的范圍內(nèi)。

通常,可以通過gamit的總結(jié)文件(sh_gamit_ddd.summary)以及 sh_glred給出的坐標(biāo)重復(fù)率(wrms)指標(biāo)來判定數(shù)據(jù)處理是否滿足上面的三個(gè)準(zhǔn)則。

在sh_gamit_ddd.summary文件中需要注意的是:

1)參與數(shù)據(jù)處理的站點(diǎn)是否與預(yù)期的數(shù)目一致;

2)AUTCLN RMS(均方根差)3～6 mm;

3)沒有站點(diǎn)RMS(均方根)=0;

4)SOLVE Postfit nrms 0～0.2;

5)模糊度解算＞80%(2001年起)。

當(dāng)觀測時(shí)間為24 h并強(qiáng)約束時(shí),水平方向的重復(fù)率約在1～2 mm,高程方向的重復(fù)率約為3～5 mm。當(dāng)觀測時(shí)間為8 h,水平方向重復(fù)率約為2～4 mm,高程方向約為10～15 mm。對于連續(xù)運(yùn)行的CORS基準(zhǔn)站,其水平重復(fù)率應(yīng)在1～2 mm,高程重復(fù)率在3～5 mm。如果是個(gè)別站的坐標(biāo)重復(fù)率的數(shù)值較大,檢查觀測測回時(shí)間長度,以及autlcn.post.sum文件中是否有數(shù)據(jù)被刪除或者噪聲誤差較大(autlcn.post.sum文件中的 RMS表以及仰角和q文件中的先驗(yàn)接收機(jī)建模誤差)。如果是所有站點(diǎn)的基線重復(fù)率的值偏大,檢查glred以及glorg運(yùn)行的記錄文件,查看最后用來固定的IGS站的數(shù)目,各個(gè)站的改正數(shù),以及Post RMS的值(1～5 mm)等。圖2是2009年 2月29日到2010年3月31日CHAO站的坐標(biāo)時(shí)間序列圖,N方向wrms為1.9 mm;E方向wrms=1.8 mm;U方向wrms=5.0 mm。

根據(jù)2009年2月29日到2010年3月31日之間北京市CORS的聯(lián)測數(shù)據(jù),先生成坐標(biāo)時(shí)間序列,剔除異常值。北京市CORS網(wǎng)各基準(zhǔn)站運(yùn)行較好,總體上沒有站點(diǎn)出現(xiàn)異常,但某些站個(gè)別天出現(xiàn)異常值,直接剔除,具體有待進(jìn)一步分析。表1是基準(zhǔn)站坐標(biāo)解算重復(fù)率統(tǒng)計(jì)表。

圖3為基準(zhǔn)站速度場及速度場殘差離散度,其中矢量標(biāo)志表示速度場方向及大小,圓的半徑表示離散度。從圖中我們可以初步分析得到基準(zhǔn)站速度場方向比較一致,速度場離散度較好。但密云站除外,密云站速度場離散度較大,經(jīng)分析是由于密云站觀測數(shù)據(jù)量過少所致,表2是基準(zhǔn)站速度場和離散度統(tǒng)計(jì)表。

圖2 CHAO站坐標(biāo)時(shí)間序列圖

表1 基準(zhǔn)站坐標(biāo)重復(fù)率統(tǒng)計(jì)圖

短期變化反映的是GPS觀測的誤差;長期變化趨勢主要反映了板塊運(yùn)動(dòng)的影響;大多數(shù)基準(zhǔn)站的位置變化趨勢呈現(xiàn)明顯的規(guī)律趨勢—基本為線性變化,基準(zhǔn)站運(yùn)行穩(wěn)定。

圖3 基準(zhǔn)站的速度場

表2 基準(zhǔn)站速度場及離散度統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié) 論

介紹了CORS網(wǎng)基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)處理與精度分析,并結(jié)合北京CORS網(wǎng)進(jìn)行了實(shí)踐。結(jié)果表明N,E方向精度優(yōu)于2 mm,高程方向精度優(yōu)于5 mm,坐標(biāo)變化趨勢基本為線性變化,基準(zhǔn)站運(yùn)行穩(wěn)定。實(shí)踐表明應(yīng)用GAMIT對CORS網(wǎng)基準(zhǔn)站聯(lián)測數(shù)據(jù)處理:無論是在模型參數(shù)選擇,IGS站選取,數(shù)據(jù)解算策略選取都直接影響到解算結(jié)果的精度。GAMIT是一個(gè)大型的GPS處理軟件,在對CORS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中,還可能遇到各種各樣的問題,還需要不斷在實(shí)踐中摸索和總結(jié)。

致謝:感謝麻省理工學(xué)院提供GAMIT軟件和麻省理工學(xué)院的Bob King博士的幫助和指導(dǎo)及秘金鐘博士、易長榮老師的幫助和指導(dǎo)。

[1]Document for GAMIT GPS Analysis Software Release10.3[M].Massachusetts Institute of Technology,Scripps Institution of Oceanography University of California at San Diego,2006(2):29-33

[2]秘金鐘,蔣志浩,張 鵬,黨玉民.IGS跟蹤站與國內(nèi)跟蹤站聯(lián)合處理的框架點(diǎn)選擇研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào).信息科學(xué)版,2007,32(8):704-706.

[3]秘金鐘,李毓麟,張 鵬,等.GPS基準(zhǔn)站坐標(biāo)與速度場精度及隨時(shí)間變化規(guī)律的探討[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào).信息科學(xué)版,2004,29(9):763-767.