高精度GPS超短基線場數(shù)據(jù)處理與分析

武曙光,聶桂根,2,彭鳳友,何月帆,武昌生

(1.武漢大學 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心,湖北 武漢 430079;2.地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北 武漢 430079;3.宿州市測繪管理處,安徽 宿州 234000)

0 引 言

標準長度基線場作為測繪儀器檢定的重要標準器之一,長期以來為交通、水利、地震、城建、地質(zhì)等的基礎(chǔ)科學研究和工程建設(shè)提供了重要的基礎(chǔ)設(shè)施保障. 隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)產(chǎn)品的國產(chǎn)化及現(xiàn)代地理信息產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展壯大,GNSS接收機迅速普及,儀器的校準問題就突出地顯示出來. 而進行GNSS接收機校準,首先要建立GNSS基線場.

根據(jù)JJF1118-2004《全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機(測地型和導(dǎo)航型)校準規(guī)范》[1]以及JJF1214-2008《長度基線場校準規(guī)范》[2]的要求,超短基線是指標準值在0.2～24 m范圍內(nèi)的標準長度,可以校準GNSS接收機的天線相位中心一致性和GNSS接收機內(nèi)部噪聲水平.

基線場建立完成以后,需要進行高精度GNSS數(shù)據(jù)處理,包括基線解算和網(wǎng)平差. 若新建的基線場周圍存在本地的連續(xù)運行參考站(CORS)網(wǎng),同時CORS站坐標精確可靠、觀測數(shù)據(jù)易于獲取,則可以用來聯(lián)合解算,求出新建站的基線和坐標結(jié)果. 而如果新建的基線場周圍沒有可用的CORS站,或者CORS站的坐標及精度未知,則有必要使用國際GNSS服務(wù)站(IGS)數(shù)據(jù)來完成解算. 本文針對新建的GNSS超短基線場,聯(lián)合周邊的IGS站、中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(CMONOC)站進行高精度基線解算,采用三種解算方案并對它們的解算結(jié)果進行了對比分析.

1 方案設(shè)計

1.1 超短基線場簡介

通過對項目所在地的地形勘測,按5個觀測點對GNSS超短基線場進行網(wǎng)形設(shè)計,如圖1所示. 該基線場由5個點組成,網(wǎng)形為等腰梯形,各條基線的夾角約為60°,長度約為6 m,每次最多可以同步校準5臺GNSS接收機. 基線場所在地天空無障礙物、地質(zhì)構(gòu)造堅固穩(wěn)定,交通便利,便于建造、管理與維護. 各點位均埋設(shè)為強制歸心的觀測墩,并且遠離電磁信號干擾源和易于產(chǎn)生多路徑信號源的地方,如遠離微波站、無線電發(fā)射臺、高壓線等,滿足規(guī)范要求. 超短基線場埋設(shè)時,需按設(shè)計坐標進行精確放樣,確定觀測墩位置,超短基線場各邊長放樣誤差不大于±3 cm[3].

基線場建設(shè)完成以后,經(jīng)過兩個月的自然沉降觀測墩逐漸穩(wěn)定,此時進行GNSS數(shù)據(jù)采集以及全站儀測邊等工作. 2019年11月5-7日進行了3天的靜態(tài)測量,使用的接收機為Trimble Net R9,采樣周期為15 s,天線為TRM55971. 在11月4日和8日,使用了萊卡TS60全站儀進行了兩次基線邊測量,每條基線邊采用往返測,施測兩個測回.

1.2 數(shù)據(jù)處理方案

本文采用的數(shù)據(jù)處理軟件為GAMIT/GLOBK10.5,首先使用GAMIT計算2019年11月5-7日的單日基線結(jié)果,再利用GLOBK進行整體平差得出各站坐標. 由于GAMIT軟件目前還不能處理混合系統(tǒng)的數(shù)據(jù),選取了采集數(shù)據(jù)中的GPS數(shù)據(jù)進行處理分析.

數(shù)據(jù)選擇: 1)觀測文件:2019年11月5-7日(年積日309-311)5個超短基線站點的整日觀測文件,采樣周期為15 s; 2)星歷文件:對應(yīng)時段的IGS精密星歷及廣播星歷; 3)IGS站數(shù)據(jù):北京市周圍的6個IGS站觀測文件,采樣間隔為30 s. 本次數(shù)據(jù)處理選用的6個IGS站分布如圖2所示. 圖中星號為選用的IGS站點,圓點為北京市及周邊分布均勻的5個CMONOC參考站. 這些IGS站點較均勻地分布在項目所在地周圍,使得組成的GPS網(wǎng)有較好網(wǎng)形和較高精度. 本次處理使用的各IGS站的觀測文件、廣播星歷、精密星歷以及精密鐘差均從斯克里普斯軌道和永久陣列中心(SOPAC)下載得到;5個CMONOC參考站數(shù)據(jù)來自陸態(tài)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心教育部數(shù)據(jù)子系統(tǒng)服務(wù)器.

圖2 GAMIT處理使用的IGS站分布

主要的GAMIT基線解算策略包括:解算類型為BASELINE,將衛(wèi)星軌道參數(shù)固定;觀測值類型為雙差觀測值;截止高度角設(shè)置為15°,以減少多路徑效應(yīng)等與衛(wèi)星高度角有關(guān)的誤差源的影響;測站約束為松弛約束,IGS站點N、E方向10 cm,U方向20 cm;待估測站N、E、U方向皆為30 m， 天線相位中心改正模型為AZEL,將天線相位中心看成是衛(wèi)星高度角和方位角的函數(shù),采用雙線性插值;對流層延遲改正:映射函數(shù)采用VMF1;每2小時估計一次天頂對流層延遲參數(shù);每12小時估計一次大氣水平梯度參數(shù);電離層延遲改正:采用LC組合觀測值消除一階電離層延遲的影響;高階電離層延遲模型為GMAP;地磁場參考模型為IGRF11;潮汐改正:采用的潮汐改正項包括地球固體潮(IERS2003)、極潮、海潮(FES2004)以及大氣潮(全球格網(wǎng)模型ANU100826);非潮汐改正:非潮汐大氣模型改正(atmfilt-cm.year模型);參考框架:ITRF2014.

本文擬采用三種基線解算與網(wǎng)平差方案：

方案一:6個IGS站、5個CMONOC參考站、5個項目測站共16個站點首先統(tǒng)一進行基線解算,然后IGS站作為約束站,經(jīng)過三維平差得到項目測站的基線與坐標結(jié)果.

方案二:首先IGS站、CMONOC參考站共11個站點作為框架網(wǎng),經(jīng)過基線解算與網(wǎng)平差,得出CMONOC參考站的ITRF2014框架下的精確坐標. 然后將CMONOC參考站、項目測站作為下一級子網(wǎng),類似地得出項目測站的基線與坐標結(jié)果.

再次，從考核機制方面看，上級主管部門對學校體育場館資源使用效益沒有具體的考核辦法，對學生課外體育鍛煉情況也沒有具體的考核辦法，相反，如果在資源出租出借財務(wù)方面出現(xiàn)問題或?qū)W生安全方面出現(xiàn)問題，學校相關(guān)負責人就會受到對應(yīng)的追責。

方案三:第一步與方案二相同,首先得出CMONOC參考站的高精度坐標,然后所有16個站點聯(lián)合進行基線解算與網(wǎng)平差. 在方案三第二步的GAMIT基線解算中,通過加入CMONOC參考站先驗坐標約束[4],探討相比于方案二,方案三是否有利于基線解算及網(wǎng)平差的精度提高.

CMONOC參考站和項目測站的分布如圖3所示. 圖中圓點即為選用的CMONOC參考站,三角形表示5個項目測站.

圖3 GAMIT處理使用的CMONOC參考站分布

2 基線結(jié)果分析

GAMIT基線解算完成后,可將基線解的標準均方根誤差(NRMS)作為GPS同步環(huán)質(zhì)量好壞的一個指標,表示單時段解算的基線值Yi偏離其加權(quán)平均值Y的程度[5],其定義為

(1)

式中：N為基線數(shù)目；σi為基線解算中誤差. 通常要求NRMS值小于0.3,若大于0.5,則表示基線處理過程中周跳可能未得到完全修復(fù)[6-7]

表1示出了三種方案解算獲得的年積日309-311單日解NRMS值,可見所有基線解算的均方根誤差均滿足精度要求. 其中方案二的第二步基線解算的NRMS值比其他解算方案稍大0.1,這可能是由于該基線網(wǎng)空間范圍小,短基線的相對誤差一般大于長基線造成的,同時也可能與基線數(shù)目較少有關(guān).

表1 三種方案基線解算獲得的NRMS值

另外,也可以通過檢查所有站點是否全部參與基線解算來檢查解算效果. 在單日解文件中的總結(jié)文件中,若是Number of stations used(使用的測站數(shù)目)與Total xfiles(生成的X文件的數(shù)量)一致,則說明全部站點參與了基線解算[8]. 經(jīng)檢查,本次解算所有測站均參與解算.

在基線解算的質(zhì)量控制中,重復(fù)性是一種更高等級的質(zhì)量控制指標. 重復(fù)性的定義為

(2)

表2 三種方案下的4條獨立基線的N、E、U分量及長度方向的基線重復(fù)率 m

全站儀測邊的結(jié)果示于表3.可以看出,若以全站儀兩日實測值的均值作為基準,則三種方案的基線結(jié)果最大差異為2 mm,解算成果符合規(guī)范和設(shè)計書要求. 其中方案二的基線結(jié)果略優(yōu)于方案一和方案三.

表3 全站儀實測基線邊長與對應(yīng)的GAMIT基線解算結(jié)果

3 GLOBK網(wǎng)平差

基線解算完成以后,使用H文件作為觀測量進行GLOBK網(wǎng)平差,起算點坐標約束在N、E、U分量上分別為1 cm、1 cm、2 cm. 方案一中起算點為6個IGS站,方案二中第一步同為6個IGS站,第二步為5個CMONOC參考站,方案三中第一、二步均為6個IGS站. 項目測站的點位坐標結(jié)果如表4所示(ITRF2014參考框架,歷元2019.8480). 可見三種解算方案所得的坐標差異不大,坐標分量的互差基本保持在1 cm以內(nèi). 然后取三種方案的坐標結(jié)果的平均值作為虛擬真值,分別求出三種方案下各個項目測站與其虛擬真值間的距離,以對比它們坐標結(jié)果的穩(wěn)健度,如圖4所示. 可見,三種解算方案下的點位坐標結(jié)果差異很小,與其均值間的差異不超過1 cm. 方案三的差異最大,為7～8 mm;方案一次之,為4～5 mm;方案二最小,5個項目測站均保持在3～4 mm.

圖4 三種解算方案點位坐標與均值間的距離

表4 項目測站點位坐標結(jié)果(ITRF2014, 2019.848)

4 結(jié)束語

本文采用了三種方案對新建立的GPS超短基線場進行了GAMIT/GLOBK數(shù)據(jù)處理,通過對基線解算后NRMS值、基線重復(fù)性、獨立基線長度比較以及網(wǎng)平差以后點位坐標穩(wěn)健性等方面的對比分析,可以看出方案二要優(yōu)于方案一和方案三. 在類似的小范圍測站網(wǎng)高精度數(shù)據(jù)解算時,采用分級兩步法(方案二)可以得到較合理的高精度基線和坐標結(jié)果. 隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)組網(wǎng)的逐漸完善,用于數(shù)據(jù)解算的衛(wèi)星越來越多. 對于國產(chǎn)接收機采集的GPS+BDS衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行聯(lián)合數(shù)據(jù)處理,將會是本文下一步的工作方向．