利用動態(tài)定位模塊Track進(jìn)行GPS單歷元定位研究①

李林紅，何秀鳳

（河海大學(xué)衛(wèi)星及空間信息應(yīng)用研究所，江蘇 南京210098）

0 引 言

高精度GPS動態(tài)定位方法有著廣泛的應(yīng)用前景，如在工程測量領(lǐng)域可應(yīng)用于地形測量、水下地形圖測繪和工程放樣；在安全監(jiān)測方面可應(yīng)用于大型橋梁、高層建筑物、高邊坡和水利工程大壩等的變形監(jiān)測；在航空航海領(lǐng)域中可應(yīng)用于確定飛機(jī)和船艦的位置、速度和姿態(tài)方位等。

GPS整周模糊度的確定是高精度動態(tài)定位的關(guān)鍵。整周模糊度一旦正確解算，載波相位觀測值便可轉(zhuǎn)換成高精度的測相偽距，從而使用一個(gè)歷元數(shù)據(jù)就能實(shí)現(xiàn)厘米級的高精度定位。采用單歷元數(shù)據(jù)求解整周模糊度的優(yōu)點(diǎn)是僅利用當(dāng)前觀測歷元的GPS觀測數(shù)據(jù)，不受觀測過程中周跳的影響［1]。模糊度的快速動態(tài)確定，一直是GPS高精度動態(tài)定位的熱點(diǎn)問題。近二十年來，許多學(xué)者對模糊度的動態(tài)解算進(jìn)行了深入的研究，提出了各種動態(tài)定位過程中確定模糊度的方法（AROTF），主要有基于觀測值域的雙頻P碼偽距法、基于坐標(biāo)域的模糊度函數(shù)法（AMF）、基于模糊度域的最小二乘搜索法（LS）、快速模糊度搜索濾波法（FASF）、快速模糊度解算法（FARA），Cholesky分解算法，LAMBDA 方法和局部最小值法等［2－3]。采用以雙頻P碼偽距觀測值為例利用單歷元數(shù)據(jù)先通過確定寬巷模糊度，進(jìn)而確定L1，L2模糊度的動態(tài)定位算法。

1 Track模塊

Track是麻省理工學(xué)院開發(fā)的GAMIT／GLOBK軟件包中的一個(gè)動態(tài)雙差定位模塊，根據(jù)雙差定位的特點(diǎn)，在定位過程中需要定義一個(gè)相對穩(wěn)定的測站作為參考站，它可以解算得到動態(tài)觀測站每個(gè)歷元的大地測量坐標(biāo)，亦可解算得到觀測站相對于參考站的地方空間直角坐標(biāo)差，從而獲得觀測站的運(yùn)動軌跡。

Track的解算過程主要包括以下三個(gè)步驟［4]：

1）讀取Rinex格式的觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)情況分配模糊度參數(shù)；

2）解算模糊度整數(shù)值；

3）用已確定的模糊度整數(shù)值解算觀測點(diǎn)的運(yùn)動軌跡。其中以步驟2）最為耗時(shí)，這也是動態(tài)GPS數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵問題之一。

Track使用目前普遍使用的利用雙頻P碼偽距觀測量和相位觀測量組合求解模糊度的方法，即“M－W”方法來計(jì)算寬巷模糊度［5]：

式中：fi（i＝1、2）為 L1、L2波段的載波頻率；φi為對應(yīng)的相位觀測量；Pi為對應(yīng)的偽距觀測量；c為光速。

Track中衛(wèi)星鐘差和軌道誤差可以采用IGS數(shù)據(jù)中心提供的精密鐘差和星歷來消除，電離層影響可以采用消電離層模型消除，其式為

式中：fi（i＝1、2）為 L1、L2波段的載波頻率；φi為對應(yīng)的相位觀測量。在數(shù)據(jù)處理時(shí)估計(jì)的參數(shù)，采用卡爾曼濾波器對先前歷元信息進(jìn)行充分利用，對流層延遲等相關(guān)誤差采用對應(yīng)的模型進(jìn)行消除［7]。當(dāng)模糊度固定后，利用長基線估計(jì)策略并采用平滑技術(shù)［8]，即將固定后的參數(shù)進(jìn)行回代到初始?xì)v元以達(dá)到每個(gè)歷元的最佳狀態(tài)估計(jì)。

Track常用來處理來自汽車、飛機(jī)等快速運(yùn)動平臺上的數(shù)據(jù)，可以同時(shí)處理一個(gè)基準(zhǔn)站和多個(gè)流動站的GPS數(shù)據(jù)，因此，Track是處理動態(tài)GPS數(shù)據(jù)比較理想的工具。

2 獲取載體運(yùn)動軌跡實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)采用安裝在船上的Topcon Net－G3接收機(jī)采集GPS觀測數(shù)據(jù)，該船于2010年11月22日由遼寧大連開往河北秦皇島。GPS接收機(jī)采樣頻率為1Hz，共采集近15h的數(shù)據(jù)。選取IGS跟蹤站SHAO作為本次實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)采樣間隔為30s.經(jīng)過Track模塊的解算，得到測站地方空間直角坐標(biāo)系NEU下流動站各個(gè)歷元相對于參考站的三維坐標(biāo)差。解算結(jié)果如圖1～2所示。

圖1為動船的平面運(yùn)動軌跡，該軌跡清晰地反映了載體在海上的運(yùn)動路線。圖2為動船在高度方向的起伏變化情況?？梢钥闯觯?jīng)Track解算，起點(diǎn)比終點(diǎn)的海平面高出約8.3m，此數(shù)值與從Google Earth上獲取的相符。

3 解算地震形變實(shí)驗(yàn)研究

2011年3月11日，UTC時(shí)間05：46：23（日本當(dāng)?shù)貢r(shí)間14：46：23），日本東北海域發(fā)生里氏9.0級地震，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。地震震中位于日本本州島仙臺港以東130km處，震源深度20km.

對于靜態(tài)數(shù)據(jù)，Track也可以將其假設(shè)為動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算。實(shí)驗(yàn)選取日本境內(nèi)的4個(gè)IGS站MIZU、USUD、MTKA和 TSKB作為動態(tài)觀測站，圖3示了這四個(gè)位置的分布。選取中國境內(nèi)的SHAO站作為參考站，各IGS站數(shù)據(jù)采樣間隔均為30s.經(jīng)Track解算，得到上述4個(gè)動態(tài)觀測站相對于參考站的NEU三維坐標(biāo)差，從而得到地震前后位移量。Track還可解算得到觀測站雙差相位觀測量RMS.限于文章篇幅，僅繪出 MIZU和USUD兩個(gè)站地震當(dāng)天05：45：00－05：55：30的位移變化量和對應(yīng)時(shí)刻的雙差相位觀測量RMS.

圖3 震中和動態(tài)觀測站位置

圖4為 MIZU和USUD兩個(gè)站05：45：00－05：55：30時(shí)間段內(nèi)每個(gè)歷元的雙差相位RMS變化情況。從圖中可以看出，兩個(gè)站的RMS大致相同，集中在18到26mm之間，最大不超過30mm.另外兩個(gè)流動站MTKA和TSKB的RMS與此基本一致。

圖4 MIZU、USUD兩個(gè)站的雙差相位RMS

從圖5MIZU站位移變化可以看出，地震造成MIZU站向東約2m、向南約1m的永久位移，該站從05：47：00附近開始發(fā)生較明顯位移，最大位移發(fā)生在05：48：30附近，該站距離震中最近，位移最大。從圖6USUD站位移變化可以看出，地震造成USUD站向東近20cm的位移，最大位移發(fā)生在05：49：30附近。從其余兩個(gè)站的解算結(jié)果可知，MTKA站在地震發(fā)生時(shí)刻北、東、高三個(gè)坐標(biāo)分量的最大振幅分別為70cm、30cm、30cm，在主震結(jié)束之后坐標(biāo)又反彈回到與初始坐標(biāo)分量相差不大的位置，最大位移發(fā)生在05：49：30附近；地震造成TSKB站向東偏移約30cm，向北偏移約10 cm，高程方向的坐標(biāo)在主震結(jié)束之后又回到與初始分量相差不大的位置，東方向的最大位移發(fā)生在05：49：30附近，北、高方向的最大位移發(fā)生在05：49：00附近。

4 結(jié) 論

GAMIT的Track模塊可以解算得到觀測站每個(gè)歷元的大地測量坐標(biāo)，或相對于參考站的地方空間直角坐標(biāo)差，從而獲得觀測站的運(yùn)動軌跡。利用Track模塊對獲得的GPS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了單歷元方法處理和分析。研究表明，由安裝在動船上的GPS接收機(jī)采集動態(tài)觀測數(shù)據(jù)，通過Track模塊解算可得到該動船在水平方向上清晰的運(yùn)動軌跡和高度方向上的起伏變化情況。研究還表明，利用Track模塊處理日本地震觀測數(shù)據(jù)，解算得到雙差相位觀測量RMS在3cm以內(nèi)，可獲得GPS測站記錄到的地震動態(tài)位移，且可有效探測主震的發(fā)生時(shí)間。

致謝：感謝國家海洋局第一海洋研究所提供動態(tài)GPS數(shù)據(jù)。

［1]喻國榮.單歷元模糊度解算問題［J].測繪通報(bào)，2003，11：6－7.

［2]胡叢瑋，劉大杰.單歷元確定GPS整周模糊度的分析［J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，33（3）：267－270.

［3]孫亞峰.單歷元定位技術(shù)及其在地震觀測中的應(yīng)用［D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2009：23－25.

［4]TRACK.GPS differential phase kinematic positioning program ［EB／OL].［2011－07－28].http：／／geoweb.mit.edu／～simon／gtgk／help／track.hlp.htm.

［5]黃丁發(fā)，熊永良，袁林果.全球定位系統(tǒng)（GPS）—理論與實(shí)踐［M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2006：85－86.

［6]蘇小寧.單歷元高頻GPS在地震學(xué)中的應(yīng)用［C]／／中國地震學(xué)會空間對地觀測專業(yè)委員會2009年學(xué)術(shù)研討會論文摘要集，2009：49.

［7]HERRING T A，KING R W，MCCLUSKY S C.GAMIT reference manual：GPS analysis at MIT，release 10.3［EB／OL].（2010－10－28）［2011－07－28].http：／／www－gpsg.mit.edu／～simon／gtgk／GAMIT＿Ref.pdf.

［8]周 星.基于GAMIT TRACK和Bernese PPP的地震監(jiān)測比較［J].測繪信息與工程，2010，35（2）：19.