高精度GPS數(shù)據(jù)在線處理系統(tǒng)的研究

葉虎春，聶桂根，楊建會(huì)，孫傳勝

(1.武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，湖北武漢430079;2.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州貴陽(yáng)550081)

一、引 言

隨著衛(wèi)星連續(xù)運(yùn)行參考系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，許多組織機(jī)構(gòu)都開(kāi)發(fā)了GPS在線數(shù)據(jù)處理服務(wù)系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)也存在一定的局限性。如澳大利亞國(guó)家制圖局的AUSPOS［1］是澳大利亞測(cè)量與土地信息組研制開(kāi)發(fā)的在線處理系統(tǒng)，但是需要用戶為每個(gè)觀測(cè)文件輸入天線高和天線類型，一旦填錯(cuò)了天線型號(hào)或天線高就有可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的定位結(jié)果，并且最多只能處理7個(gè)站，效率很低;SCOUT［2］是美國(guó)SOPAC中心提供的基于GPS的在線處理服務(wù)，需向SCOUT指定的服務(wù)器傳輸RINEX觀測(cè)文件，但是用戶只能單站提交，另外SCOUT只能同時(shí)處理 10 個(gè)文件;CSRS-PPP［2-3］和 GAPS［2，4］分別是加拿大國(guó)有資源局大地測(cè)量司和新不倫瑞克大學(xué)提供的GPS在線定位服務(wù)，用戶可提交多個(gè)靜態(tài)或動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)文件，但只能進(jìn)行精密單點(diǎn)定位。

綜合分析國(guó)外幾個(gè)主要在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的特點(diǎn)，筆者基于 Bernese Software 5.0軟件，利用Apache Web服務(wù)器軟件、Perl開(kāi)發(fā)語(yǔ)言及HTML語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)了一套高精度GPS數(shù)據(jù)在線處理系統(tǒng)，可進(jìn)行精密點(diǎn)定位和整網(wǎng)解算，用戶只需要提供RINEX觀測(cè)數(shù)據(jù)和E-mail地址，就可獲得數(shù)據(jù)處理結(jié)果;同時(shí)彌補(bǔ)了國(guó)外幾個(gè)主要在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的不足，用戶可進(jìn)行批量處理，可同時(shí)處理近百個(gè)觀測(cè)文件，滿足CORS系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的需要。

二、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能設(shè)計(jì)

1.數(shù)據(jù)提交

用戶通過(guò)網(wǎng)頁(yè)提交各站的觀測(cè)文件，觀測(cè)文件的格式必須為標(biāo)準(zhǔn)的RINEX格式，文件的命名參照IGS站;觀測(cè)文件以壓縮包的形式發(fā)送。用戶可根據(jù)需要選擇精密單點(diǎn)定位或者整網(wǎng)解算(需要輸入固定站)，最后輸入用戶郵箱地址，數(shù)據(jù)提交完畢后即可關(guān)閉網(wǎng)頁(yè)，數(shù)據(jù)提交到結(jié)果接收的時(shí)間長(zhǎng)短同提交的數(shù)據(jù)量、網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)的繁忙程度有關(guān)。圖1為高精度GPS數(shù)據(jù)在線處理的頁(yè)面。

圖1 系統(tǒng)界面

2.文件準(zhǔn)備及數(shù)據(jù)處理

服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后，首先對(duì)提交內(nèi)容的完整性進(jìn)行檢查;然后進(jìn)行文件的準(zhǔn)備，包括觀測(cè)文件預(yù)處理、接收機(jī)類型檢查(程序?qū)⒆詣?dòng)增加新的接收機(jī)類型)、IGS產(chǎn)品的準(zhǔn)備，根據(jù)觀測(cè)文件，系統(tǒng)自動(dòng)下載數(shù)據(jù)處理時(shí)所需要的IGS產(chǎn)品;最后系統(tǒng)會(huì)根據(jù)提交的內(nèi)容進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。精密單點(diǎn)定位時(shí)無(wú)需任何固定站，要想獲得更好精度的結(jié)果，需同時(shí)選擇網(wǎng)頁(yè)中精密單點(diǎn)定位和整網(wǎng)解算兩個(gè)選項(xiàng)，此時(shí)精密單點(diǎn)定位為網(wǎng)解提供初始坐標(biāo)信息。表1為數(shù)據(jù)解算時(shí)所用的策略與模型。

表1 系統(tǒng)解算時(shí)采用的主要策略與模型

3.發(fā)送處理結(jié)果

系統(tǒng)通過(guò)用戶給定的郵箱，發(fā)送數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，結(jié)果包括各站的坐標(biāo)(X、Y、Z 或 N、E、U)、坐標(biāo)的精度信息和對(duì)流層參數(shù)等。圖2為該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程圖。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

三、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)是基于Windows XP平臺(tái)開(kāi)發(fā)的，利用Apache 2.2 Web作為服務(wù)器軟件，采用 HTML語(yǔ)言編寫了用戶提交數(shù)據(jù)的網(wǎng)頁(yè)，后臺(tái)數(shù)據(jù)處理軟件采用Bernese Software 5.0，后臺(tái)調(diào)用程序的開(kāi)發(fā)使用Active Perl 5.14，筆者把Bernese自動(dòng)處理模塊獨(dú)立出來(lái)，并將調(diào)用命令寫成Perl模塊。

1.服務(wù)器架設(shè)

利用Apache 2.2 Web解析Web程序，通過(guò)在Apache服務(wù)器中內(nèi)置mod_perl的Perl解釋器，Perl腳本就可以快速被執(zhí)行?？蛻舳私⑦B接后，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)界面提交數(shù)據(jù)，Web服務(wù)器偵聽(tīng)HTTP請(qǐng)求，CGI程序即可獲取請(qǐng)求并產(chǎn)生回復(fù)。圖3為Apache模塊功能分層。

圖3 Apache模塊功能分層圖

2.GPS數(shù)據(jù)的自動(dòng)解算

筆者編寫了IGS產(chǎn)品自動(dòng)更新模塊(數(shù)據(jù)自動(dòng)下載模塊)、接收機(jī)類型和用戶提交內(nèi)容完整性檢查模塊、精密單點(diǎn)定位模塊、整網(wǎng)解算模塊、郵件發(fā)送模塊及后臺(tái)程序運(yùn)行監(jiān)測(cè)等30多個(gè)模塊。圖4為系統(tǒng)的主要核心模塊及其功能。

圖4 主要核心模塊及其功能

該系統(tǒng)可處理近百個(gè)站的數(shù)據(jù)，用戶只需將標(biāo)準(zhǔn)的RINEX觀測(cè)文件壓縮打包提交即可。整網(wǎng)解算時(shí)需要用戶指定固定站的站名，因此固定站的觀測(cè)文件應(yīng)同其他站的觀測(cè)文件一同提交給服務(wù)器。

四、系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證及其在CORS中的應(yīng)用

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性，將系統(tǒng)解算的結(jié)果同國(guó)外其他在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)解算的結(jié)果進(jìn)行比較分析，考慮到坐標(biāo)框架不一致或坐標(biāo)轉(zhuǎn)換給系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證帶來(lái)的影響，利用GAMIT軟件得到的基線結(jié)果同該系統(tǒng)解算的基線結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并分析系統(tǒng)基線解算的精度;同時(shí)介紹了該系統(tǒng)在連續(xù)運(yùn)行參考系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1.同其他系統(tǒng)解算結(jié)果比較

本文數(shù)據(jù)采取7個(gè)IGS站6天的觀測(cè)數(shù)據(jù)(2011年12月26—31日)，采樣率為30 s，觀測(cè)時(shí)段為24 h。將該系統(tǒng)精密單點(diǎn)定位解算的結(jié)果同GAPS和CSRS-PPP進(jìn)行比較，整網(wǎng)解算的結(jié)果同SCOUT和AUSPOS進(jìn)行比較，解算時(shí)采用相同的IGS產(chǎn)品，坐標(biāo)均統(tǒng)一在ITRF2008框架下，固定站的選取盡量保持一致。該系統(tǒng)同其他在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)解算結(jié)果的差異情況 (觀測(cè)時(shí)間為2011年12月31日)見(jiàn)表2。系統(tǒng)解算的精度情況如圖5所示。

表2 高精度GPS數(shù)據(jù)在線處理系統(tǒng)同其他在線處理系統(tǒng)解算的坐標(biāo)差異

從表2中可以看出，該系統(tǒng)進(jìn)行精密單點(diǎn)定位和整網(wǎng)解算時(shí)，同其他系統(tǒng)解算的坐標(biāo)分量最大的差異分別為17.3 mm(站 ONSA)和－9.4 mm(站BRUS)，考慮到各系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)采用的解算策略并不一致，固定站的選取也不完全一致以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)結(jié)果的影響等因素，可認(rèn)為該系統(tǒng)解算的結(jié)果同國(guó)外幾個(gè)主要在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)解算的結(jié)果基本一致。從圖5可以看出，系統(tǒng)對(duì)所選數(shù)據(jù)進(jìn)行精密單點(diǎn)定位解算時(shí)，X、Y、Z方向的RMS值分別在1.1 mm、0.8 mm、1.1 mm 左右;網(wǎng)解時(shí) X、Y、Z方向的 RMS 值分別在 0.8 mm、0.3 mm、0.8 mm左右。

圖5 系統(tǒng)精密單點(diǎn)定位和網(wǎng)解的解算精度

2.系統(tǒng)解算的基線結(jié)果分析

為了消除坐標(biāo)框架對(duì)可靠性驗(yàn)證的影響，筆者仍采用上述數(shù)據(jù)，利用GAMIT軟件進(jìn)行基線解算，共21條基線，以6天的基線綜合解作為各條基線的真值，同該系統(tǒng)解算的基線結(jié)果進(jìn)行比較并分析其精度。圖6、圖7分別為系統(tǒng)解算所得基線的內(nèi)、外符合精度。從圖6、圖7可以看出，系統(tǒng)的內(nèi)符合精度優(yōu)于1.2 mm，外符合精度優(yōu)于6 mm。

圖6 內(nèi)符合精度

圖7 外符合精度

3.系統(tǒng)在CORS中的應(yīng)用

湖北省連續(xù)運(yùn)行參考系統(tǒng)(HBCORS)由湖北省測(cè)繪局、省氣象局、省地震局合作共建，省測(cè)繪工程院組織系統(tǒng)基建工程和聯(lián)測(cè)。目前HBCORS共有80多個(gè)參考站。筆者利用該系統(tǒng)對(duì)HBCORS 80個(gè)參考站(時(shí)間為2010年10月11日)進(jìn)行了精密單點(diǎn)定位，并選取SHAO(上海)、XIAN(西安)、WHUN(武漢)為固定站對(duì)各參考站進(jìn)行整網(wǎng)解算，各站坐標(biāo)分量的RMS值在1～2 mm左右，解算過(guò)程中，系統(tǒng)運(yùn)行良好。表3為解算結(jié)果的統(tǒng)計(jì)信息。

表3 HBCORS解算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

五、結(jié)束語(yǔ)

本文以Bernese Software 5.0作為系統(tǒng)的后臺(tái)數(shù)據(jù)處理軟件，開(kāi)發(fā)了高精度GPS數(shù)據(jù)在線處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可進(jìn)行精密單點(diǎn)定位、整網(wǎng)解算，同國(guó)外幾個(gè)主要在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相比，增加了可處理的測(cè)站數(shù)量，并且可進(jìn)行批處理。為了驗(yàn)證該系統(tǒng)可靠性，將系統(tǒng)解算的結(jié)果同國(guó)外其他在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)解算的結(jié)果進(jìn)行了比較，最后給出了利用該系統(tǒng)得到HBCORS 80個(gè)參考站解算的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。隨著各省CORS網(wǎng)的建立與完善，數(shù)據(jù)處理量也在不斷增大，但國(guó)內(nèi)仍然沒(méi)有一套成熟的在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。筆者開(kāi)發(fā)的高精度GPS數(shù)據(jù)在線處理系統(tǒng)為連續(xù)運(yùn)行參考系統(tǒng)提供了較為方便的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，同時(shí)也有利于國(guó)內(nèi)在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的研究與應(yīng)用。

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