密集型CORS站的高精度基線解算方案研究

李 兵，成英燕，于 男，3，張德成，李 偉，4

(1.山東科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590；2.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100830；

3.遼寧工程技術(shù)大學(xué)測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧阜新 123000；

4.蘭州交通大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

密集型CORS站的高精度基線解算方案研究

李 兵1，2，成英燕2，于 男2，3，張德成1，2，李 偉2，4

(1.山東科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590；2.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100830；

3.遼寧工程技術(shù)大學(xué)測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧阜新 123000；

4.蘭州交通大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

一、引 言

在GPS數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，基線解算的主要特點(diǎn)是處理時(shí)間長(zhǎng)、工作量大，是進(jìn)行網(wǎng)平差的基礎(chǔ)工作?；€解算的精度直接關(guān)系到GPS網(wǎng)的定位精度及工作效率。GAMIT/GLOBK作為一套高精度數(shù)據(jù)處理軟件，它主要應(yīng)用于分析研究地殼變形、高精度GPS測(cè)量數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域[1]。

眾所周知，GAMIT主要用于長(zhǎng)距離、高精度、長(zhǎng)時(shí)間的GPS定位數(shù)據(jù)處理。對(duì)于中長(zhǎng)基線的解算，其基線解算的精度很高，而對(duì)于短基線的解算精度則相對(duì)較低。由于站點(diǎn)選址的要求，某些測(cè)站之間的距離相對(duì)較近，利用GAMIT進(jìn)行常規(guī)數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中，測(cè)區(qū)存在著同時(shí)包含長(zhǎng)基線和短基線的情況，在這種情況下，短基線的精度較低必然會(huì)影響整個(gè)測(cè)區(qū)平差結(jié)果的精度。由于其采用的模型及數(shù)據(jù)處理方式等因素的不同，可能造成基線解算結(jié)果的系統(tǒng)性差異[2]。

二、影響基線解算精度因素

影響基線解算精度的因素主要有衛(wèi)星軌道誤差、對(duì)流層折射誤差及電離層延遲誤差等，且這些誤差通過(guò)雙差改正可以得到有效地削弱[3]。隨著基線長(zhǎng)度的增加，其基線解算的方式有所不同。

對(duì)于短基線來(lái)說(shuō)，采用廣播星歷即可滿足高精度的坐標(biāo)解算。對(duì)于長(zhǎng)基線，衛(wèi)星軌道誤差是GPS定位的重要誤差源之一，廣播星歷米級(jí)的定位精度并不能滿足長(zhǎng)基線解算精度的要求，需要選擇精密星歷參與解算[4-5]。因此，在進(jìn)行基線解算時(shí)需根據(jù)基線長(zhǎng)度選擇合適的星歷文件。

對(duì)于對(duì)流層折射誤差，在GAMIT解算過(guò)程中采用的是隨機(jī)過(guò)程模擬的方法(Saastemoinen模型）[6]。對(duì)于長(zhǎng)基線解算，對(duì)流層模型改正因子加入的越多，模擬對(duì)流層折射對(duì)解算結(jié)果的影響越精確，反映出折射估值隨時(shí)間變化的基本一致性趨勢(shì)。但對(duì)流層模型改正因子太少會(huì)導(dǎo)致對(duì)流層折射隨時(shí)間變化的特征，尤其是對(duì)濕分量部分。而加入的改正因子過(guò)多會(huì)降低整個(gè)解的強(qiáng)度，甚至?xí)?dǎo)致法方程的病態(tài)或秩虧，從而影響解算精度[2，7]。對(duì)于短基線的測(cè)站，其對(duì)流層延遲具有較強(qiáng)的相關(guān)性，對(duì)流層改正模型的加入會(huì)減弱這種相關(guān)性，不利于獲得較高的解算精度[7]。

在消除電離層延遲方面，GAMIT解算中，對(duì)于較短的基線，電離層延遲的相關(guān)性很強(qiáng)，通過(guò)站間差分便可消除電離層一階影響，此時(shí)也可選擇LC解，但LC解使得觀測(cè)噪聲和一些偶然誤差源(如多路徑效應(yīng)）放大，從而影響解的精度。此時(shí)選擇L1、L2獨(dú)立解是合適的[8]。對(duì)于長(zhǎng)基線的解算，這時(shí)電離層延遲的相關(guān)性很差，選用消除掉電離層影響的LC解無(wú)疑是最合適的。在實(shí)際數(shù)據(jù)解算過(guò)程中，一般選擇默認(rèn)的無(wú)電離層線性組合(即LC_AUTCLN），對(duì)長(zhǎng)基線解算有優(yōu)勢(shì)，但處理短基線時(shí)精度會(huì)降低。

通過(guò)對(duì)影響基線解算因素的分析，在利用GAMIT進(jìn)行基線解算時(shí)，對(duì)于測(cè)區(qū)內(nèi)長(zhǎng)短基線的解算，選取的模型及采用的處理策略均是一致的。而這些模型策略主要是針對(duì)中長(zhǎng)基線的，對(duì)于短基線的處理精度相對(duì)較弱。因此，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中就會(huì)存在一個(gè)缺點(diǎn)，對(duì)于短基線的基線處理精度會(huì)降低。

本文針對(duì)GAMIT處理短基線精度較低的問(wèn)題，為提高測(cè)站分布密集型測(cè)區(qū)的基線解算精度，提出了一種新的分區(qū)處理方案―――“間距分區(qū)法”。

三、間距分區(qū)法

間距分區(qū)法是針對(duì)密集型CORS站基線解算的新方法，定義為：將測(cè)站分布較為密集的區(qū)域，根據(jù)各個(gè)測(cè)站之間的距離，將分布密集的測(cè)站抽稀，使距離較近的測(cè)站均勻地分布在不同的測(cè)區(qū)，盡量避免較短基線的存在，然后利用GAMIT軟件分別對(duì)每個(gè)測(cè)區(qū)進(jìn)行基線解算，最終將各個(gè)測(cè)區(qū)合并聯(lián)合平差，以此來(lái)提高GAMIT對(duì)各測(cè)站基線解算的精度。其適用于測(cè)區(qū)內(nèi)部測(cè)站分布不均勻且相對(duì)密集的情況。

間距分區(qū)法主要是針對(duì)密集型CORS站的基線解算，尤其適用于省級(jí)CORS站的解算。由于省級(jí)CORS站的建立需要考慮到諸多因素，多數(shù)情況下，測(cè)站分布都很密集，這就導(dǎo)致在數(shù)據(jù)處理時(shí)受到短基線的影響，基線解算精度會(huì)降低。因此，間距分區(qū)法的優(yōu)勢(shì)就在于處理測(cè)站密集型測(cè)區(qū)的數(shù)據(jù)，使其獲得高精度的基線解算結(jié)果。

如果處理解算的方案不一致，即使所使用的軟件一致，也會(huì)帶來(lái)較大的系統(tǒng)誤差。選用間距分區(qū)法進(jìn)行基線解算，既考慮到測(cè)站間距的問(wèn)題，保證各個(gè)測(cè)站間基線長(zhǎng)度較長(zhǎng)，又兼顧了測(cè)站分布狀況，使得測(cè)站分布較為均勻。此時(shí)，GAMIT在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理過(guò)程中會(huì)選取相同的解算方案，從而避免了較大系統(tǒng)誤差的出現(xiàn)，以此來(lái)提高基線解算精度。

四、案例分析

由于GAMIT/GLOBK[6，9]軟件子網(wǎng)計(jì)算是以天為單位，且單日解算點(diǎn)數(shù)限制為65個(gè)點(diǎn)[6]，在實(shí)際計(jì)算中點(diǎn)數(shù)超過(guò)55個(gè)，計(jì)算時(shí)間會(huì)大幅度增加，故在實(shí)際計(jì)算中單日解算點(diǎn)數(shù)原則上限制在55個(gè)以內(nèi)。

本島光照資源條件一般，且島內(nèi)土地資源主要圍繞旅游和居住而建設(shè)開(kāi)發(fā)，電力工程建設(shè)用地較為緊張，不適宜大規(guī)模發(fā)展傳統(tǒng)集中式光伏。受土地及限高等影響，島內(nèi)風(fēng)電機(jī)組選址較困難，不適宜大規(guī)模發(fā)展風(fēng)電。因此，本文中暫不對(duì)發(fā)展風(fēng)、光等可再生能源進(jìn)行討論。

選取江蘇省CORS站75個(gè)(如圖1所示），此數(shù)目超出GAMIT/GLOBK軟件單日解算點(diǎn)數(shù)的限制，因此，須將這些CORS站分區(qū)單獨(dú)進(jìn)行處理。本文采用兩種不同的分區(qū)處理方案進(jìn)行基線解算。

圖1 江蘇省CORS站分布圖

1）間距分區(qū)法。根據(jù)間距分區(qū)法的分區(qū)原則將江蘇省CORS站點(diǎn)抽稀，劃分成3個(gè)測(cè)區(qū)(如圖2所示），使得3個(gè)測(cè)區(qū)中CORS站點(diǎn)分布較為均勻，并且測(cè)站間的距離相對(duì)較為分散，從而避免較短基線對(duì)基線解算精度的影響。

圖2 間距分區(qū)法劃分的3個(gè)分區(qū)

2）一般分區(qū)方法。根據(jù)江蘇省CORS站點(diǎn)分布進(jìn)行垂直分區(qū)，本文選取了分布較為密集的南部區(qū)域的CORS站點(diǎn)(如圖3所示）作為試驗(yàn)區(qū)域，其中各個(gè)測(cè)站之間的距離相對(duì)較近，即測(cè)站間的基線長(zhǎng)度較短。

圖3 一般分區(qū)法的一個(gè)分區(qū)

本文利用GAMIT解算，采用相同的處理策略[10]，根據(jù)解算結(jié)果，選取了兩種不同分區(qū)方案下部分相同的基線，并對(duì)這些基線的基線解算精度作了對(duì)比(見(jiàn)表1）。

從表1中可以看出，基線BTGC-NJDB的長(zhǎng)度為15.4 km，利用間距分區(qū)法得到的基線精度為8.10 mm，而采用一般的分區(qū)方法得到的基線精度為8.01 mm。GAMIT對(duì)于短基線的處理，無(wú)論是采用間距分區(qū)法還是一般的分區(qū)方法，其基線解的精度都很低，基線解算的相對(duì)精度達(dá)到了10-7量級(jí)，這同時(shí)也說(shuō)明了GAMIT在處理短基線時(shí)，基線解算的精度相對(duì)較低，GAMIT適用于中長(zhǎng)基線的解算。

表1 相同基線兩種方案基線精度對(duì)比

隨著基線長(zhǎng)度的逐漸增加，利用間距分區(qū)法解算的基線精度均在3 mm左右浮動(dòng)，而對(duì)于一般的分區(qū)方法，其基線精度不穩(wěn)定。將兩種分區(qū)方案進(jìn)行對(duì)比，間距分區(qū)法基線解算的精度比采用一般的分區(qū)方法的基線解算精度有著顯著的提高，從基線的相對(duì)精度來(lái)看也能夠明顯地體現(xiàn)出來(lái)。

五、間距分區(qū)法的應(yīng)用

根據(jù)間距分區(qū)法的分區(qū)原則，利用GAMIT/ GLOBK分別對(duì)安徽省CORS站(如圖4所示）數(shù)據(jù)進(jìn)行解算。

將安徽省CORS站分成(a）、(b）兩個(gè)區(qū)。其解算結(jié)果分別列于表2。安徽省CORS站的站點(diǎn)分布密集，諸多測(cè)站間的距離很近，選用間距分區(qū)法能夠提高整個(gè)測(cè)區(qū)的基線解算精度，從而獲得高精度的解算結(jié)果。

由表2可看出，各個(gè)測(cè)站在ITRF2005框架下3個(gè)方向的坐標(biāo)精度均優(yōu)于2 mm；站心坐標(biāo)系下，水平方向的誤差均小于1 mm，高程方向誤差均小于2 mm。

圖4 安徽省CORS站間距分區(qū)法分區(qū)

表2 安徽省CORS站部分?jǐn)?shù)據(jù)處理結(jié)果mm

根據(jù)安徽省CORS站的解算結(jié)果分析，間距分區(qū)法對(duì)于處理測(cè)站分布密集的測(cè)區(qū)能夠獲得精度較高的解算結(jié)果。

六、結(jié)束語(yǔ)

間距分區(qū)法將距離較近的測(cè)站均勻分布在不同的測(cè)區(qū)，使測(cè)站間距均保持在相對(duì)較長(zhǎng)的水平，避免了在利用GAMIT進(jìn)行基線解算過(guò)程中短基線解算精度較低的情況，可以有效地削弱解算過(guò)程中由于短基線的精度較低導(dǎo)致影響整個(gè)測(cè)區(qū)基線解算的精度，在利用GAMIT進(jìn)行高精度數(shù)據(jù)解算中提供一種新的處理方案。

由于區(qū)域CORS網(wǎng)中，特別是省級(jí)CORS站，測(cè)站間距相對(duì)較為集中，間距分區(qū)法可以有效地避免短基線的存在，解決了GAMIT數(shù)據(jù)處理過(guò)程中短基線解算精度較低問(wèn)題，在區(qū)域網(wǎng)基線解算中能夠有效地提高基線解算精度，具有很好的實(shí)用性。

[1]黨亞民，秘金鐘，成英燕.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)原理與應(yīng)用[M].北京：測(cè)繪出版社，2007.

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Study of High Precision Baseline Solution Based on the Intensive CORS Station

LI Bing，CHENG Yingyan，YU Nan，ZHANG Decheng，LI Wei

簡(jiǎn)要分析影響基線解算精度的諸多因素，提出一種能夠提高基線解算精度的新方案―――“間距分區(qū)法”，該方法是針對(duì)密集型CORS站基線解算的新方法。并針對(duì)江蘇省CORS站數(shù)據(jù)分別利用間距分區(qū)法及一般的分區(qū)方法進(jìn)行基線處理，對(duì)比這兩種分區(qū)方法解算的基線精度，驗(yàn)證了在測(cè)站密集的測(cè)區(qū)，間距分區(qū)法相對(duì)于一般的分區(qū)方法具有較高的基線解算精度。

間距分區(qū)法；基線解算；GAMIT；高精度；密集型CORS站

P228.4

B

0494-0911(2014）10-0050-04

2013-08-19

863基準(zhǔn)項(xiàng)目(2013AA122501）；CGCS2000高精度非線性基準(zhǔn)構(gòu)建與維持技術(shù)(A1317）

李 兵(1990―），男，山東淄博人，碩士生，主要研究方向?yàn)镚PS數(shù)據(jù)處理、CGCS2000框架維持。

book=50,ebook=53

李兵，成英燕，于男，等.密集型CORS站的高精度基線解算方案研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2014(10）：50-53.

10.13474/j.cnki.11-2246. 2014.0326