基于TBC與GAMIT的多余長基線對高精度CORS數(shù)據(jù)解算精度分析

李宗婉,唐詩華,梁小龍,蒲 倫,肖 陽

(1.桂林理工大學 a.測繪地理信息學院;b.廣西空間信息與測繪重點實驗室,廣西 桂林 541006;2.廣西壯族自治區(qū)基礎(chǔ)地理信息中心,南寧 530023)

在多余長基線對CORS基準站數(shù)據(jù)解算精度方面,相關(guān)的研究還較少。在CORS系統(tǒng)應用極廣的當下,對這類研究具有一定的現(xiàn)實意義。

0 引 言

隨著全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)技術(shù)與信息技術(shù)的融合與發(fā)展, 孕育出了二者集成的一種新的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)——連續(xù)運行參考站(continuously operating reference stations,CORS)[1]。 目前, 全國各省、市、自治區(qū)所建立的CORS系統(tǒng)采用的衛(wèi)星導航系統(tǒng)主要是由三大系統(tǒng)構(gòu)成, 即美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)、 俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GLONASS)[2]和我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)[3]。其中，我國建立的CORS系統(tǒng)具有定位精度高且分布均勻、高實時性和強穩(wěn)定性等特點。

自全國CORS系統(tǒng)開始提供服務以來, 大量研究者參與到CORS基準站數(shù)據(jù)解算方法及影響其精度的各種因素研究當中, 如張芯等[4]研究了北斗系統(tǒng)(BDS)連續(xù)運行參考站的高精度基線解算及平差方法, 并開發(fā)相應處理軟件, 對不同系統(tǒng)的基線解算精度進行了分析; 李兵等[5]分析了影響基線解算精度的諸多因素, 提出了“間距分區(qū)法”基線解算精度方案, 并與一般的分區(qū)方法對比分析, 驗證了間距分區(qū)法相對于一般的分區(qū)方法具有較高的基線解算精度; 朱啟成等[6]對比分析了LGO+CosaGPS與HGO對控制網(wǎng)解算精度的影響, 結(jié)果表明, LGO的基線解算精度高于HGO, 在只有3個控制點網(wǎng)平差的解算結(jié)果中,CosaGPS的網(wǎng)平差精度略高于HGO, 未知點的平面坐標互差值較小; 李曉光等[7]就CORS站數(shù)據(jù)解算中所使用的對流層映射函數(shù)進行比較分析, 討論衛(wèi)星高度截止角變化及處理大量數(shù)據(jù)時映射函數(shù)的選取, 這對我國北斗導航定位系統(tǒng)應用映射函數(shù)具有參考價值。

由此,本文立足于生產(chǎn)實踐,利用不同觀測時間段的CORS基準站觀測數(shù)據(jù),分別采用TBC 4.10和GAMIT軟件對觀測數(shù)據(jù)進行基線解算,所得結(jié)果經(jīng)重復基線較差和標準化的均方根誤差兩種標準檢核后,再用COSA 6.0平差軟件分別對兩種處理結(jié)果進行網(wǎng)平差。通過同種平差方法定量分析不同基線解算方法、不同觀測時間段下多余長基線對高精度CORS數(shù)據(jù)解算精度的影響。

1 試驗數(shù)據(jù)及設(shè)計方案

1.1 數(shù)據(jù)來源

采用位于廣西境內(nèi)的8個CORS基準站2017年344～350共7個年積日的觀測數(shù)據(jù)(已有精確的CGCS 2000坐標),同時也選取了同一板塊的8個IGS站,即BJFS、HKSL、HKWS、LHAZ、PBRI、PIMO、SHAO、TWTF,與8個CORS基準站聯(lián)合解算。選取5個CORS觀測站JZ07、JZ38、JZ57、JZ62、JZ82作為已知點,3個CORS觀測站JZ08、JZ21、JZ27作為未知點，所選基準站的平均間距為170 km,最小間距為72 km,最大間距為340 km。為了比較分析不同觀測時長的CORS數(shù)據(jù)解算精度的結(jié)果,每天的數(shù)據(jù)分為7個觀測時間段(02：00、 04：00、 06：00、 08：00、 12：00、 16：00、00：00)。圖1為CORS站分布圖。

圖1 CORS站分布示意圖Fig.1 Distribution of CORS stations

1.2 軟件選擇

由美國麻省理工學院和斯克里普斯海洋研究所等機構(gòu)聯(lián)合開發(fā)的科研軟件GAMIT/GLOBK應用廣泛,用其進行基線解算可以使用不同的基線解類型來處理不同長度的基線[8-10]。GAMIT的整個數(shù)據(jù)處理過程分為兩步:先編輯數(shù)據(jù),得到觀測文件x-file，再用x-file進行各種處理方案的參數(shù)估計[11]。但由于操作比較復雜,在實際生產(chǎn)應用中,更多的是采用操作相對簡單的商用軟件[12],如國外Trimble的TGO和TBC軟件、Leica的LGO軟件、Ashtech 的Solution軟件等;國內(nèi)南方測繪的GNSS數(shù)據(jù)處理軟件、中海達的HGO軟件、華測的Compass靜態(tài)處理軟件等。

TBC軟件具有GPS基線處理、測量網(wǎng)平差、處理GPS和常規(guī)地形測量數(shù)據(jù)、生成DTM模型、等高線圖等功能,其中基線解算流程可分為:建項并導入數(shù)據(jù)→設(shè)置參數(shù)→基線處理3步。TBC 4.0軟件是舊版TBC軟件的進階版,目的是改進基線大于200 km的解算結(jié)果,提高了精度,降低了均方根值,模糊度固定率更高,可以實現(xiàn)更長基線的解算。新版的TBC 4.0軟件支持多系統(tǒng)數(shù)據(jù)聯(lián)合處理,并且可以選擇獨立于GPS衛(wèi)星系統(tǒng)的其他衛(wèi)星系統(tǒng)[13]。

考慮到實際生產(chǎn)應用,本文選擇TBC軟件進行基線處理,所得結(jié)果再與GAMIT軟件處理的結(jié)果進行對比分析。進行整網(wǎng)平差時,把TBC和GAMIT處理得到的基線解算文件分別用COSA平差軟件進行平差,以定量分析使用兩種不同類型的軟件時多余長基線對CORS數(shù)據(jù)解算的影響。

1.3 試驗方案

為研究在不同觀測時間下、不同解算軟件時多余長基線對CORS數(shù)據(jù)解算精度的影響,采取以下兩種方案對不同觀測時間的數(shù)據(jù)進行處理。

方案一:①對8個CORS站2017年344～350共7個年積日的觀測數(shù)據(jù)進行分析,將每日觀測數(shù)據(jù)分為02：00、 04：00、 06：00、 08：00、 12：00、 16：00、00：00共7個觀測時間段,作為數(shù)據(jù)一。②在步驟①的基礎(chǔ)上引入8個IGS站,對IGS站數(shù)據(jù)處理方法與CORS站數(shù)據(jù)處理方法相同,作為數(shù)據(jù)二。③使用TBC軟件分別對數(shù)據(jù)一和數(shù)據(jù)二進行基線處理。文獻[14]針對不同截止高度角對基線解算結(jié)果的影響,得到當截止高度角取10°～15°時,基線解算結(jié)果最佳。解算前檢查天線類型、量高方法、天線高度等是否有誤。基線解算后對解算失敗的基線進行觀測時間段編輯,對觀測質(zhì)量較差的衛(wèi)星實行禁用或局部不連續(xù)觀測值的刪除。④經(jīng)TBC處理后得到的基線處理文件導入COSA平差軟件中進行平差,得到平差結(jié)果。

方案二: 步驟①、 ②同方案一。 ③使用GAMIT軟件分別對數(shù)據(jù)一和數(shù)據(jù)二進行基線處理。 使用GAMIT進行高精度基線解算時, 由于數(shù)據(jù)的處理方式不同, 所得到的結(jié)果也不盡相同。 文獻[15]分析得出, 進行長基線解算時BASELINE解算效果較好。 該軟件提供了兩種長基線解算模型(LC-AUTCLN和LC-HELP), 文獻[10]研究表明, 在電離層活躍的赤道附近采用LC-AUTCLN基線解較好。 ④經(jīng)GAMIT處理后得到的基線處理文件導入COSA平差軟件中進行平差, 得到平差結(jié)果。

本文進行基線解算時選擇的參數(shù)見表1。

表1 基線解算控制參數(shù)的選擇Table 1 Selection of control parameters for baseline sulotion

2 各解算方案的基線處理與精度分析

2.1 基于TBC+COSA(方案一)的基線解算

表2 CORS站2017年7個年積日(344～350)不同觀測時段下重復基線較差Table 2 Difference of repeated baselines in different observation periods at CORS station for 7 doys in 2017 mm

可見,各個觀測時間段的重復基線差較小,滿足國家D級GNSS控制網(wǎng)規(guī)范要求。 經(jīng)TBC處理后得到的CORS和CORS+IGS基線解算文件分別進行網(wǎng)平差,即可得到7個年積日不同觀測時間段下的未知點的坐標。對平差結(jié)果再作進一步處理即可得到未知點高程。

2.2 基于GAMIT+COSA(方案二)的基線解算

方案二中預處理的數(shù)據(jù)經(jīng)GAMIT基線處理后可得到基線解算文件, 為評估基線解算質(zhì)量, 選擇標準化均方根誤差(NRMS)對結(jié)果進行評估。NRMS是衡量GAMIT基線解算質(zhì)量的重要指標之一。 CORS、CORS+IGS站2017年7個年積日不同觀測時間段的NRMS值如圖2所示。各個區(qū)間的NRMS值均在0.2以下,符合高精度基線解算的要求。

圖2 2017年7個年積日不同觀測時間CORS(a)和 CORS+IGS(b)基線解算的NRMS值統(tǒng)計Fig.2 NRMS statistics of CORS(a) and CORS+IGS(b) baseline solution in different observation periods of 7 doys in 2017

與方案一平差過程類似,對CORS和CORS+IGS基線解算文件分別進行網(wǎng)平差,即可得到7個年積日不同觀測時間段下的未知點的坐標。對平差結(jié)果作進一步處理可得到未知點高程。

2.3 精度分析

利用COSA軟件進行網(wǎng)平差計算時, 導入基線解算文件, 控制網(wǎng)等級選擇D級。 輸入已知點的大地坐標后, 分別進行三維無約束平差及三維約束平差, 經(jīng)平差后可得到未知點坐標等信息。 為了解兩種方案不同觀測時間段下的多余長基線對CORS數(shù)據(jù)解算精度的影響, 本文將對平差結(jié)果進行分析。

2.3.1 坐標精度分析 未知點坐標精度絕對值在兩種方案不同觀測時間段下的最大值和平均值統(tǒng)計見表3。

表3 兩種軟件不同解算方案各觀測時間段下未知點坐標精度Table 3 Coordinate accuracy of unknown points at each observation periods under different baseline solution of the two softwares mm

可知,從整體上看,無論是TBC還是GAMIT處理的基線解算,在CORS站的基礎(chǔ)上引入IGS站,所得未知點坐標精度的最大值和平均值均劣于CORS站,表明多余長基線會影響CORS站數(shù)據(jù)解算精度,觀測時長較短時,其影響尤為突出;隨著觀測時長的增加,多余長基線的影響呈減小的趨勢。對兩種方案解算質(zhì)量分析可知,GAMIT的基線解算質(zhì)量優(yōu)于TBC,在僅解算CORS站的情況下,同一觀測時間段兩種方案的未知點坐標精度平均值最大差值為0.5 mm;引入IGS站后,平均值最大差值為1.2 mm,TBC基線解算所得精度與GAMIT差異不明顯。

2.3.2 高程精度分析 未知點高程平差結(jié)果與真值之差在兩種方案不同觀測時間段下的最大值和平均值統(tǒng)計見表4。

表4 兩種軟件不同解算方案各觀測時間段下未知點高程精度Table 4 Elevation accuracy of unknown points at each observation periods under different baseline solution of the two softwares mm

可知,由TBC或GAMIT處理的基線解算,經(jīng)過平差后進一步處理得到的高程,其精度是CORS站優(yōu)于CORS+IGS站,說明多余長基線會影響CORS數(shù)據(jù)解算精度。除個別數(shù)值外,未知點高程平差結(jié)果與真值之差隨著觀測時長的增加而減小。對兩種方案的解算質(zhì)量進行分析可知,不同觀測時間段下由GAMIT參與基線解算經(jīng)平差后得到的高程優(yōu)于由TBC參與基線解算經(jīng)平差后得到的高程。在僅解算CORS站的情況下,同一觀測時間段兩種方案的未知點高程平差結(jié)果與真值之差最大為1.3 mm,平均值最大差值為0.4 mm;引入IGS站后,高程平差結(jié)果與真值最大差值為4.9 mm,平均值最大差值為1.1 mm。TBC的解算精度與GAMIT相比有一定的差距。

3 結(jié) 論

本文通過兩種方案對2017年344～350共7個連續(xù)年積日不同觀測時間段的CORS觀測數(shù)據(jù)進行了分析,引入了IGS站以研究多余長基線對CORS站數(shù)據(jù)解算精度的影響。通過實驗得知,無論基線解算過程采用的是TBC或是GAMIT,多余長基線都對CORS站數(shù)據(jù)解算精度產(chǎn)生影響,且觀測時長較短時,影響尤為明顯。隨著觀測時間增加,影響逐漸減小。在軟件解算質(zhì)量方面,TBC的解算精度雖遜色于GAMIT的解算精度,但兩者的解算結(jié)果差異不大。TBC作為一款商用軟件,其操作簡便且界面實體化,在實際生產(chǎn)應用方面有一定的優(yōu)勢。本次實驗進行網(wǎng)平差時采用的控制網(wǎng)級別是D級,經(jīng)平差后得到的未知點坐標和高程皆滿足國家標準,符合實際生產(chǎn)要求。