trackRT軟件及其數(shù)據(jù)解算精度分析

盛中杰，汪偉，張奇，周大山

(天津市測繪院，天津 300381)

trackRT軟件及其數(shù)據(jù)解算精度分析

盛中杰*，汪偉，張奇，周大山

(天津市測繪院，天津 300381)

實時單歷元高精度定位是GNSS工程應(yīng)用的研究熱點。本文以trackRT軟件為研究對象，分析了該軟件的架構(gòu)，分實時數(shù)據(jù)通信解碼及同步、GPS數(shù)據(jù)單歷元解算和結(jié)果輸出三個部分對該軟件核心功能模塊進行了深入分析；利用天津CORS距離約 5 km、30 km和 80 km站點超過 8 h的實時數(shù)據(jù)流對該軟件單歷元實時數(shù)據(jù)處理精度進行統(tǒng)計，結(jié)果表明，定位精度隨距離增加而變化的現(xiàn)象不明顯；在較好觀測條件下，三種距離下的定位精度(RMS)結(jié)果近似，即在NE方向上約為 1 cm，在U方向上約為 3 cm。

實時單歷元定位；精度分析；軟件架構(gòu)

1 引 言

實時單歷元高精度定位廣泛應(yīng)用在地震預(yù)警和災(zāi)害監(jiān)測等方面，是GNSS應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點。目前單歷元高精度定位一般有兩種方式[1]：一種是基于非差的單點定位方式，另一種是基于雙差的相對定位方式。前者要達(dá)到厘米級定位精度需要較長的濾波收斂時間；后者一般采取成熟的RTK商用軟件實現(xiàn)，用戶不容易在此基礎(chǔ)上進行代碼級定制?；陂_源軟件實現(xiàn)實時單歷元高精度定位對用戶具有非常大的吸引力，TRACK是雙差單歷元高精度定位開源軟件的典型代表。

GAMIT是世界上非常優(yōu)秀的GPS數(shù)據(jù)后處理軟件之一。在其早期版本(10.2以前)中自帶的TRACK模塊采用雙差相對定位和向前/向后卡爾曼濾波模型[2]，能分時段逐歷元后處理GPS數(shù)據(jù)，因其單歷元后處理結(jié)果的穩(wěn)定性好，廣泛用于地震、橋梁工程等領(lǐng)域研究[3，4]。在GAMIT 10.4及以后的版本中，TRACK模塊有了大的調(diào)整，采用BNC(BKG Ntrip Client)軟件模塊接入并解碼多路原始GPS實時數(shù)據(jù)流，在完成數(shù)據(jù)同步后，采取單歷元M-W組合雙差相對定位模型實時處理并求解整周模糊度，從而使得軟件具備實時GPS高精度雙差相對定位數(shù)據(jù)處理能力[5]，10.4及以后版本TRACK軟件模塊完成了從單歷元后處理到實時單歷元數(shù)據(jù)處理的升級。更改版本后的TRACK模塊更名為trackRT，目前廣泛應(yīng)用在地震監(jiān)測領(lǐng)域。

2 trackRT軟件架構(gòu)及模型

在trackRT軟件架構(gòu)中，主要包括三個主要部分：實時數(shù)據(jù)通信解碼及同步部分、GPS數(shù)據(jù)單歷元解算(含整周模糊度解算)部分和結(jié)果輸出部分。整個軟件處理數(shù)據(jù)的主要流程如圖1所示。

圖1 trackRT軟件數(shù)據(jù)處理流程

(1)實時數(shù)據(jù)通信及解碼部分

trackRT使用的實時通信解碼程序是從德國大地測量局開發(fā)的BNC(BKG Ntrip Client)軟件模塊移植過來的。其是在國際大地測量協(xié)會(IAG)歐洲分委員會(EUREF)和國際GNSS服務(wù)(IGS)的框架支持下開發(fā)的，主要是用于GNSS實時數(shù)據(jù)流同步檢索、解碼、轉(zhuǎn)換和處理[6]。雖然其定位為實時工具，但其同時具備GNSS單點定位后處理功能。利用BNC程序，可以實現(xiàn)基于NTRIP協(xié)議、TCP/IP協(xié)議、UPD及串口數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)傳輸，支持RTCM 3.0(向下兼容)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)和分發(fā)，具備把衛(wèi)星軌道和鐘差數(shù)據(jù)通過多種協(xié)議進行網(wǎng)絡(luò)廣播的能力。

在trackRT軟件中，主要使用BNC完成對IGS精密星歷(一般使用超快速精密星歷)的獲取和對接收機RTCM實時數(shù)據(jù)流的接收及解碼。這個過程一般通過NTRIP協(xié)議、TCP/IP協(xié)議或者直接通過串口讀取數(shù)據(jù)流完成整個過程。國內(nèi)有學(xué)者曾嘗試對通信接口重新定制，取得初步實驗結(jié)果[7]。

(2)實時單歷元解算部分

trackRT軟件進行單歷元實時數(shù)據(jù)處理過程中，最核心的部分是單歷元整周模糊度的確定；軟件對周跳不進行修復(fù)，而是采取標(biāo)注的方式把該衛(wèi)星排除在解算外，直到該衛(wèi)星信號再次穩(wěn)定接收重新標(biāo)注并解算模糊度。在模糊度解算上，主要采用M-W(Melbourne-Wubbena)寬巷組合(MW-WL)、超寬巷組合(EX-WL)和LC消電離層組合來解算模糊度，組合公式為：

(1)

(2)

(3)

其中， fi，φi，Ni，pi分別為i=1，2載波的頻率、相位觀測值、整周模糊度和P碼偽距觀測值，c為光速。通過確定的模糊度搜索空間，依據(jù)模糊度解算的最小方差與次小方差的Ratio比值，超過設(shè)定閾值(trackRT默認(rèn)閾值為20.0)則模糊度固定成功。

trackRT使用IGS發(fā)布的ANTEX文件完成對衛(wèi)星和接收機絕對天線相位中心的改正；對流層延遲改正依據(jù)配備的MTT、GMF等函數(shù)投影模型，采用Saastamoinen模型計算；流動站的固體潮改正采用IERS 2003模型改正；超快速軌道內(nèi)插采用Newton插值法完成[8]。鑒于內(nèi)容的基礎(chǔ)性，不一一贅述。

(3)結(jié)果輸出部分

在結(jié)果輸出部分，trackRT有四種結(jié)果輸出模式供選擇。分別是WGS84地心坐標(biāo)系XYZ格式，BLH大地坐標(biāo)格式(GEO)，相對參考站點的NEU坐標(biāo)格式及DHU坐標(biāo)格式。這里需要注意的是，DHU坐標(biāo)格式是trackRT自定義的坐標(biāo)輸出格式，其輸出的是當(dāng)前站當(dāng)前歷元解算的坐標(biāo)相對原始參考坐標(biāo)在平面和高程方向上的差距，計算公式為：

DHU=Mxyz2neu×Deltaxyz

(4)

其中，Mxyz2neu為從地心坐標(biāo)XYZ到NEU坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換矩陣，其中NEU坐標(biāo)系是Gamit/Globk軟件在數(shù)據(jù)處理中廣泛采取的一種自定義坐標(biāo)系，不同傳統(tǒng)意義上的站心地平坐標(biāo)系[9，10]，Deltaxyz為當(dāng)前歷元解算獲得的WGS84地心坐標(biāo)系結(jié)果與該點原參考結(jié)果矢量差值。

trackRT軟件中輸出的NEU坐標(biāo)則直接采用下面公式進行計算：

N=-a×Bdelta

(5)

E=a×Ldelta×cos(B)

(6)

U=Hdelta

(7)

其中(N，E，U)為計算結(jié)果，(Bdelta，Ldelta，Hdelta)為流動站與參考站大地坐標(biāo)差(弧度)向量，B為流動站點大地緯度(弧度)，a為WGS84橢球長半軸。

3 trackRT軟件解算實例

為測試trackRT軟件單歷元動態(tài)定位精度情況，選取天津市連續(xù)運行參考站網(wǎng)(TJCORS)中不同距離的站點進行實時單歷元數(shù)據(jù)處理，并使用CORS站點坐標(biāo)作為真值，分別統(tǒng)計不同基線長度下的單歷元實時定位精度情況。實驗中，參考點選擇位于天津市測繪院內(nèi)C座樓頂?shù)腃H01點，分別在距離約 5 km、30 km和 80 km左右選取三個CORS站點進行動態(tài)單歷元相對定位處理，站點基本情況與處理策略如表1所示。

待測試站點基本情況 表1

依據(jù)處理策略，分別對三個站超過8 h的數(shù)據(jù)流進行單歷元處理，得到XQYY站點、YC01站點和CH02站點相對CH01站點在NEU三個方向上(已經(jīng)減去各自真值在NEU三個方向上相對CH01的分量)的坐標(biāo)時間序列分別如圖2(a)/(b)/(c)，圖3(a)/(b)/(c)和圖4(a)/(b)/(c)所示。

圖2 XQYY站點坐標(biāo)時間序列

圖3 YC01站點時間序列

圖4 CH02站點時間序列

分別統(tǒng)計三個站點相對CH01站點單歷元解算獲得的時間序列在NEU三個方向上的均方根誤差，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

各站點在NEU三個坐標(biāo)分量上的精度統(tǒng)計情況 表2

結(jié)合前面坐標(biāo)時間序列，從表2可見：在大約 5 km，30 km和 80 km三個區(qū)間，隨著基線距離的增加，利用trackRT軟件實時單歷元解算定位結(jié)果的統(tǒng)計精度逐漸變差，但這種變化并不十分明顯；尤其是當(dāng)距離在 80 km左右，開始解算的前2個小時的定位結(jié)果波動很大(圖3(a)/(b)/(c))，這可能與觀測環(huán)境和衛(wèi)星星座幾何圖形不好有關(guān)，如果在CH02站點統(tǒng)計精度過程中，不考慮開始解算的2個小時結(jié)果，則計算得知CH02站點在NEU三個方向上的均方根誤差分別為：0.013 m、0.007 m和 0.033 m；如此看來，則在約 5 km、 30 km和 80 km距離長度利用trackRT進行實時單歷元相對定位解算，則定位精度基本保持一致：即NE方向上約 1 cm、U方向上約 3 cm的定位精度。

4 結(jié) 論

文章對trackRT軟件架構(gòu)及其數(shù)據(jù)處理流程進行了梳理，并依據(jù)數(shù)據(jù)處理流程分實時數(shù)據(jù)通信解碼及同步、GPS數(shù)據(jù)單歷元解算和結(jié)果輸出三個部分分別對軟件主要模塊進行論述；利用超過8小時的天津CORS站點數(shù)據(jù)流分約 5 km、 30 km和 80 km三個區(qū)間對trackRT軟件實時單歷元處理精度進行分析，實測結(jié)果表明，在這三個距離區(qū)間隨著距離增加定位精度并沒有明顯變差；相反，在較為理想的觀測條件下，在這三個區(qū)間內(nèi)，trackRT的解算精度基本保持一致：即在NE方向上約 1 cm(E方向稍優(yōu))、U方向上約 3 cm的實時單歷元定位精度。

[1] 黃聲享，劉星，楊永波等. 利用GPS測定大型橋梁動態(tài)特性的試驗及結(jié)果[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報·信息科學(xué)版，2004(3)：198～200.

[2] T.A.Herring，R.W.King，M.A.Floyd，S.C.McClusky，GAMIT Reference Manual[M]. 2015.

[3] 張小紅，郭斐，郭博峰等. 利用高頻GPS進行地表同震位移監(jiān)測及震相識別[J]. 地球物理學(xué)報，2012，55(6)：1912～1918.

[4] 彭方喜，吳云. 高頻GPS動態(tài)監(jiān)測地表形變的試驗與研究[J]. 大地測量與地球動力學(xué)，2012(S1)：109～112.

[5] 牛犇，黃勇，趙斌等. 利用trackRT進行GPS實時動態(tài)形變監(jiān)測研究[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報·信息科學(xué)版，2014，39(1)：60～64.

[6] 黃立人，高硯龍，任立生. 關(guān)于NEU(ENU)坐標(biāo)系統(tǒng)[J]. 大地測量與地球動力學(xué)，2006，26(1)：97～99.

[7] Thomas H. Meyer. Grid，ground and globle Distances in the GPS era[J]. Surveying and Land Information Science，2002，62(2)：1～39.

The Software Frame and Data Processing Precision Analysis of trackRT Software

Sheng Zhongjie，Wang Wei，Zhang Qi，Zhou Dashan

(Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin 300381，China)

Real-time single epoch positioning is the researching hot point for GNSS engineering application currently. This paper took trackRT software as a case，deeply studied the software frame and its function by three perspectives： the communication synchronization and decoding，the GPS single epoch real time processing，and the results output. The statistic precession of trackRT software data processing ability was also tested by selecting Tianjin CORS stations，which were about 5Km，30Km and 80Km distances length，with those stations’ 8-hour long real-time data stream. The statistic results from the data processing show that the changes of RMS were not obvious with the distance increasing，on the contrary，the statistical RMS values were very close： it was about 1cm in NE direction，and about 3cm in U direction.

real-time single epoch positioning；precision analysis；software frame

1672-8262(2017)03-79-04

P228

A

2017—02—28

盛中杰(1973—)，男，高級工程師，主要從事測繪管理工作。

地理空間信息工程國家測繪地理信息局重點實驗室經(jīng)費資助項目