李桂榮,李 杰,王曉強(qiáng),劉代芹,艾力夏提·玉山,陳 麗,阿卜杜塔伊爾·亞森
(新疆維吾爾自治區(qū)地震局,新疆 烏魯木齊 830011)
·技術(shù)交流·
PANDA軟件在新疆GNSS數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用
李桂榮,李杰,王曉強(qiáng),劉代芹,艾力夏提·玉山,陳麗,阿卜杜塔伊爾·亞森
(新疆維吾爾自治區(qū)地震局,新疆烏魯木齊830011)
摘要:應(yīng)用PANDA軟件,結(jié)合IGS中心發(fā)布的精密星歷、精密鐘差,對(duì)新疆GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行精密單點(diǎn)定位處理。研究發(fā)現(xiàn),PANDA解算結(jié)果的平均重復(fù)精度東西向?yàn)?.4 mm,北南向?yàn)?.3 mm,垂直向?yàn)?.0 mm。得出,PANDA軟件的應(yīng)用具有較高的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。
關(guān)鍵詞:PANDA軟件;GNSS數(shù)據(jù)處理;應(yīng)用
0引言
PANDA(Position And Navigation Data Analysis)軟件是武漢大學(xué)自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)綜合處理軟件[1],可以在WINDOWS和UNIX(Linux/Solaris)操作系統(tǒng)下運(yùn)行。目前,解算GNSS數(shù)據(jù)的主流軟件為GAMIT/GLOBK,GIPSY,BERNESE,由國(guó)外研究機(jī)構(gòu)編寫,基本都在UNIX操作系統(tǒng)下運(yùn)行,而PANDA軟件則是首個(gè)國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的高精度導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)處理分析軟件,且有跨平臺(tái)運(yùn)行的優(yōu)勢(shì),是立足于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)的綜合分析平臺(tái),不但可以滿足多類相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)研究的需求,而且還可為我國(guó)即將實(shí)施的衛(wèi)星應(yīng)用項(xiàng)目提供服務(wù)[1]。
GPS數(shù)據(jù)解算通常有兩種模式,一種是如GAMIT/GLOBK的雙差定位,一種是如GIPSY的精密單點(diǎn)定位(Precise Point Positioning,PPP)。雙差定位方法精度高,但需要基準(zhǔn)站,且多一個(gè)測(cè)站,其解算工作量就會(huì)相應(yīng)的增加一個(gè)數(shù)量級(jí),數(shù)據(jù)解算時(shí)間也會(huì)大幅增加,因此,GAMIT/GLOBK軟件在解時(shí)需要設(shè)置站點(diǎn)數(shù)最大值,而PPP方法采用單臺(tái)接收機(jī)獨(dú)立作業(yè),解決了差分GPS相對(duì)定位受觀測(cè)時(shí)間、觀測(cè)距離限制,基準(zhǔn)站不可或缺等缺點(diǎn),是GPS定位發(fā)展中的一個(gè)重要方向,有著極大的應(yīng)用潛力[2]。PANDA軟件與GIPSY一樣基于慣性系,采用PPP的處理模式。
精密單點(diǎn)定位能否獲得高精度的定位結(jié)果,主要取決于獲取的GPS衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘差、誤差改正模型是否精確,關(guān)鍵技術(shù)又在于獲取與GPS衛(wèi)星軌道相匹配的衛(wèi)星鐘差。PANDA軟件作為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)的綜合分析平臺(tái),可以滿足多類相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)研究的需求。PANDA軟件本身也可以定軌,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高精度精密單點(diǎn)定位[3]。
PANDA軟件從讀取GPS標(biāo)準(zhǔn)格式RINEX格式開始,軟件的數(shù)據(jù)編輯模塊采取與“Blemitt(1990)”一致的單站數(shù)據(jù)自動(dòng)編輯算法,盡可能地發(fā)現(xiàn)和修復(fù)周跳并剔除異常觀測(cè)值。參數(shù)估計(jì)模塊利用新的模糊度參數(shù)估計(jì)被探測(cè)到但未被修復(fù)的周跳,未發(fā)現(xiàn)的周跳則在估計(jì)模塊的質(zhì)量控制部分進(jìn)行處理[4]。
雖然PANDA軟件界面是可視化的,操作起來(lái)較為容易,但數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的注意事項(xiàng)較多,對(duì)于初學(xué)者而言,順利地完成1個(gè)年積日的數(shù)據(jù)解算還有一定的難度。因此,筆者在Windows操作系統(tǒng)下安裝了PANDA軟件,結(jié)合實(shí)例,詳細(xì)介紹軟件的使用方法和處理流程。
1PANDA軟件數(shù)據(jù)處理流程
通常情況下,PANDA軟件無(wú)需安裝,只需拷貝至電腦硬盤就可使用,如不能正常運(yùn)行,則可能缺少python插件,安裝python即可運(yùn)行,目前所使用的插件版本為3.1.2。
1.2.1數(shù)據(jù)準(zhǔn)備
數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段工作一定要細(xì)致、全面,存在任何問(wèn)題,數(shù)據(jù)處理過(guò)程都無(wú)法完成。以2014年231日為例,進(jìn)行單日精密單點(diǎn)定位計(jì)算,首先將數(shù)據(jù)按分類進(jìn)行整理。
(1) tables文件的更新。從武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心下載每天按時(shí)發(fā)布的tables文件進(jìn)行更新,下載地址為ftp://ics.gnsslab.cn。必須要更新的文件有eopc04_extended.dat,gpsrapid.out,gpsrapid.daily,finals2000A.daily,finals2000A.all,eopc04,poleut1,有時(shí)還需對(duì)svnav.dat,igs08.atx進(jìn)行更新,其余tables可能一年更新一次,下載的文件直接覆蓋軟件文件夾tables下的相應(yīng)文件。
(2) rinex文件的整理。觀測(cè)文件的文件名必須為標(biāo)準(zhǔn)文件名(如xjwu2310.14o:其中xjwu為4位字母或數(shù)字的站點(diǎn)代碼,通常用SSSS代表;231為3位數(shù)年積日,通常用DDD代表;0為時(shí)段號(hào),通常用0表示1個(gè)整日的觀測(cè)數(shù)據(jù);14為2014年的2位數(shù)表示,通常用YY表示;o即表示該文件為觀測(cè)文件),并將每天的所有測(cè)站文件按照年積日(DDD)的方式進(jìn)行存儲(chǔ),所有年積日文件夾存放在rinex文件夾中。
(3) 廣播星歷的下載。廣播星歷只需下載解算對(duì)應(yīng)年積日的brdc2310.14n.Z(n表示該文件為廣播星歷文件)文件,并解壓,存放在brdc文件夾中。
(4) 精密星歷的下載。與精密星歷同時(shí)發(fā)布的還有精密鐘差,PANDA軟件解算時(shí),為提高解算精度,要求下載精密鐘差及30 s精密鐘差。在GPS周文件夾下可找到igs18062.sp3.Z(igs表示事后精密星歷;1806為GPS周,通常用WWWW代表;2表示一周內(nèi)的第2天,從0開始計(jì)數(shù),為0,1,2,…,6,通常用D代表;sp3表示星歷類型),igs18062.clk.Z(clk表示鐘差文件)和igs18062.clk_30s.Z(clk_30s表示30秒采樣率的鐘差文件)文件;在解算單天GNSS數(shù)據(jù)時(shí),還需下載18061及18063日的事后精密星歷、精密鐘差、30 s精密鐘差文件,完成解壓,存放在igs文件夾內(nèi)。
(5) PANDA軟件還提供數(shù)據(jù)下載模塊,點(diǎn)擊“工具-數(shù)據(jù)下載”就出現(xiàn)對(duì)話框,設(shè)置本地路徑,確定下載文件的起始、終止時(shí)間,選擇需要下載的數(shù)據(jù)類型,指定數(shù)據(jù)下載的FTP站點(diǎn),其余參數(shù)軟件均已設(shè)置,用戶可直接進(jìn)行數(shù)據(jù)下載。
所有的數(shù)據(jù)文件最好存儲(chǔ)在以字母或數(shù)字命名的文件夾下,中文文件夾名有可能會(huì)出錯(cuò)。
1.2.2數(shù)據(jù)導(dǎo)入
(1) 打開PANDA軟件,點(diǎn)擊“文件-新建-新建工作空間”,在彈出的對(duì)話框中,依次輸入工作空間名稱、工作空間路徑。工作空間名稱以字母或數(shù)字命名,且不含有“-”“/”等特殊符號(hào)。
(2) 點(diǎn)擊“下一步”,在彈出的對(duì)話框中,選擇模式一或模式二均可,選擇解算日期“2014/8/19”,點(diǎn)擊設(shè)置,則其他日期的表示方法均相應(yīng)的發(fā)生改變,也可在年積日選項(xiàng)后直接輸入“2014年231日”,點(diǎn)擊其后的設(shè)置,其他的3種時(shí)間表示方法也會(huì)相應(yīng)的改變,計(jì)算時(shí)長(zhǎng)86 400秒,表示一天的數(shù)據(jù)。
(3) 點(diǎn)擊“下一步”,在彈出的對(duì)話框中,依次為表文件、觀測(cè)數(shù)據(jù)、廣播星歷、精密星歷/鐘差。表文件的目錄已經(jīng)默認(rèn),直接點(diǎn)擊“瀏覽”,找到觀測(cè)數(shù)據(jù)存放目錄,也可以直接輸入觀測(cè)數(shù)據(jù)的路徑,如果解算多天數(shù)據(jù),可在rinex路徑后加上“DDD-”,軟件會(huì)自動(dòng)識(shí)別該年積日的數(shù)據(jù)文件。若解算單天數(shù)據(jù),也可以用這種路徑表示法。
在此對(duì)話框中,還需要點(diǎn)擊使用外部指定的Gnss.sit,該文件通常存放在軟件目錄下,點(diǎn)擊完成就可進(jìn)入數(shù)據(jù)解算階段。
1.2.3數(shù)據(jù)預(yù)處理
數(shù)據(jù)處理能否順利進(jìn)行,預(yù)處理這一步非常重要。在此階段,需要通過(guò)“數(shù)據(jù)質(zhì)量分析-數(shù)據(jù)預(yù)處理”完成3個(gè)步驟。一是更新GNSS.SIT。這一步主要是檢查各測(cè)站坐標(biāo)、接收機(jī)等先驗(yàn)信息,對(duì)缺少先驗(yàn)信息的測(cè)站,從該站頭文件中自動(dòng)提取,或根據(jù)單點(diǎn)定位的方式計(jì)算先驗(yàn)坐標(biāo),并將該站的站點(diǎn)坐標(biāo)、天線類型等信息加入到GNSS.SIT文件中;二是天線類型檢查。檢查各測(cè)站數(shù)據(jù)頭文件的天線類型和GNSS.SIT文件中的測(cè)站先驗(yàn)信息天線類型是否一致,若更換天線、調(diào)整天線高度,都需要將新的天線信息添加到GNSS.SIT文件中;三是數(shù)據(jù)清理。可以利用默認(rèn)的參數(shù)設(shè)置,如果使用高頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解算則要修改數(shù)據(jù)采樣間隔。
以上三步是精密單點(diǎn)定位最重要的工作。如果rinex文件沒(méi)有按照規(guī)范要求命名,就無(wú)法啟動(dòng)解算。如果天線類型檢查處理失敗,就表明觀測(cè)文件的頭文件與GNSS.SIT中的天線類型不匹配,要將GNSS.SIT的天線類型、天線高更改為觀測(cè)文件中的頭文件信息,還有可能是antnam表文件中型號(hào)不全,亦或是igs.atx中缺失天線信息,此時(shí),除要確認(rèn)是否更新table中的表文件外,還可將缺失天線信息直接加到文件里面。修改完畢,再次啟動(dòng)天線類型檢查,直至控制臺(tái)內(nèi)顯示“天線類型檢查完畢”。數(shù)據(jù)清理完成后,會(huì)出現(xiàn)一個(gè)數(shù)據(jù)分析對(duì)話框,里面含有每個(gè)測(cè)站數(shù)據(jù)清理的log文件,點(diǎn)擊“總處理結(jié)果”可以看到直觀的圖形(見第35頁(yè)圖1),顯示所有觀測(cè)文件的數(shù)據(jù)質(zhì)量情況。
從圖1可以看出,231這一天只有29個(gè)基準(zhǔn)站有數(shù)據(jù),2個(gè)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)斷記,分別是烏拉斯臺(tái)(XJWL)和葉城(XJYC)基準(zhǔn)站。有效性和完好率整體較高,只有伊寧基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)有效性最低為68.8%,完好率也是最低為80.7%。說(shuō)明伊寧基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)質(zhì)量不佳,需要盡快維護(hù),或?qū)υ摶鶞?zhǔn)站數(shù)據(jù)情況進(jìn)行核實(shí),找出數(shù)據(jù)質(zhì)量不佳的原因,并對(duì)其進(jìn)行整改或升級(jí),以期獲得更加真實(shí)有效的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
1.2.4精密單點(diǎn)定位
數(shù)據(jù)預(yù)處理完成后,就可進(jìn)行解算。對(duì)于單日解,軟件有單步執(zhí)行模式和批處理模式兩種,在這里主要介紹批處理模式。點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)處理-參數(shù)設(shè)置-定位默認(rèn)參數(shù)”,再點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)處理-定位處理”,當(dāng)提示“是否設(shè)置默認(rèn)參數(shù)?”時(shí),點(diǎn)擊“是”,軟件自動(dòng)運(yùn)行合并SP3文件、生成慣性系軌道、參數(shù)估計(jì)、殘差編輯、鐘差提取、坐標(biāo)更新、ZTD參數(shù)提取、輸出產(chǎn)品等步驟,以及需要進(jìn)行多次迭代的步驟。
圖1 總體預(yù)處理結(jié)果圖Fig.1 Overall preprocessing results
數(shù)據(jù)處理過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行中斷的提示信息,只需按照提示對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改,然后再重新進(jìn)行定位處理即可。231這天最可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤提示應(yīng)該是satellite lost G03 56888 0.00?這是因?yàn)樵撎鞗](méi)有G03衛(wèi)星(G03號(hào)衛(wèi)星出現(xiàn)故障),只需在星座視圖里將G03衛(wèi)星禁用即可。數(shù)據(jù)處理完成后,就可以得到一系列精度統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)與圖形??煞謩e點(diǎn)擊“統(tǒng)計(jì)分析”菜單下的“衛(wèi)星殘差RMS統(tǒng)計(jì)”“站點(diǎn)殘差RMS統(tǒng)計(jì)”“衛(wèi)星觀測(cè)歷元數(shù)統(tǒng)計(jì)”“站點(diǎn)觀測(cè)歷元數(shù)統(tǒng)計(jì)”“衛(wèi)星測(cè)站統(tǒng)計(jì)”“衛(wèi)星觀測(cè)殘差序列統(tǒng)計(jì)”來(lái)查看數(shù)據(jù)成果的優(yōu)劣。如想保存圖形,則點(diǎn)擊“文件-另存為”,選定文件存儲(chǔ)路徑并給定存儲(chǔ)文件名,點(diǎn)擊“保存”即可。
按照上述方法,可以計(jì)算每日的單點(diǎn)定位結(jié)果。事實(shí)上,軟件還提供了計(jì)算多天數(shù)據(jù)的批處理程序。在一個(gè)工作空間內(nèi),通常會(huì)計(jì)算多天的數(shù)據(jù),可能是7天(精密星歷每7天發(fā)布最新結(jié)果),可以直接點(diǎn)擊“工程管理-批處理模式”,再點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)處理-參數(shù)設(shè)置-定位默認(rèn)參數(shù)”和“數(shù)據(jù)處理-定位處理”,當(dāng)提示“是否設(shè)置默認(rèn)參數(shù)?”時(shí),點(diǎn)擊“是”,會(huì)彈出“工程選擇”對(duì)話框,每個(gè)單日前都有一個(gè)復(fù)選框,如需計(jì)算所有數(shù)據(jù),可點(diǎn)擊“全選”,反之則“全不選”,或按要求手動(dòng)選擇需要計(jì)算的數(shù)據(jù)。復(fù)選框內(nèi)為空,表示不計(jì)算;復(fù)選框內(nèi)顯示“√”,表示將被計(jì)算,選擇完成,即可點(diǎn)擊“確定”,進(jìn)行多日數(shù)據(jù)的解算了。如果需要計(jì)算連續(xù)100天的數(shù)據(jù),選擇批處理模式,可以節(jié)約時(shí)間。
1.2.5重復(fù)觀測(cè)精度
對(duì)新疆“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”2014年232日GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行解算,得到232日的cgs18062.snx文件,通過(guò)重復(fù)觀測(cè)精度計(jì)算命令將兩日的cgsWWWWD.snx文件進(jìn)行比較,可以得到軟件解算出的單日解重復(fù)觀測(cè)精度。在輸入命令框中輸入以下命令:“helm F:201422820142342014231cgs18062.snx F:201422820142342014232cgs18063.snxyyyyyyynnn”,點(diǎn)擊“執(zhí)行”,即可得到:“nstation,: 29rms: 0.0030 0.0016 0.0084”,此結(jié)果說(shuō)明這兩天的觀測(cè)數(shù)據(jù)有29個(gè)公共站,數(shù)據(jù)在東西分量的RMS為0.003 0 m,北南分量的RMS為0.001 6 m和高程分量的RMS為0.008 4 m,即重復(fù)精度為東西向3 mm,北南向1.6 mm,垂直向8.4 mm。
筆者計(jì)算出2011年1月4日至2014年10月31日新疆“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”31個(gè)基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù),通過(guò)計(jì)算每日的重復(fù)精度,得到每天的數(shù)據(jù)計(jì)算重復(fù)精度。經(jīng)統(tǒng)計(jì),結(jié)果如第36頁(yè)表1所示。由表1看出,除粗差外,最大的RMS值為東西向6.8 mm、北南向4.7 mm、垂直向8.4 mm,最小的RMS值為東西向0.8 mm、北南向0.4 mm、垂直向1.3 mm。剔除粗差,經(jīng)計(jì)算,可得到平均重復(fù)精度東西向?yàn)?.4 mm、北南向?yàn)?.3 mm、垂直向?yàn)?.0 mm。重復(fù)精度較高,均在毫米級(jí),精度優(yōu)于平均值的東西向占55.9%,北南向占51.1%,垂直向占55.1%,成果優(yōu)良率均在50%以上。
表1 數(shù)據(jù)計(jì)算重復(fù)精度統(tǒng)計(jì)表
將“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”位移三分量精度分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并繪制成圖(見圖2),可以看出,用PPP模式計(jì)算的GNSS數(shù)據(jù)精度較高,東西向精度的優(yōu)勢(shì)區(qū)間在0.8~4.8 mm,北南向的優(yōu)勢(shì)區(qū)間在0.4~2.7 mm,垂直向略差一點(diǎn),其優(yōu)勢(shì)區(qū)間在1.5~7.2 mm。與很多學(xué)者認(rèn)為的PPP解算精度在厘米量級(jí)上[3]有所不同,筆者認(rèn)為PPP的事后星歷計(jì)算結(jié)果在毫米量級(jí)上,甚至優(yōu)于毫米級(jí),是一款可以應(yīng)用于高精度地殼運(yùn)動(dòng)變化觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)計(jì)算的軟件。
圖2 “陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”基準(zhǔn)站位移三分量數(shù)據(jù)計(jì)算重復(fù)精度統(tǒng)計(jì)圖Fig.2 Repeatability of data calculation of displacement three components in tectonic environment monitoring network reference station
1.2.6實(shí)例分析
利用PANDA軟件計(jì)算的數(shù)據(jù),可以直接得到位移三分量時(shí)間序列,為方便31個(gè)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)的比較,筆者將解算結(jié)果轉(zhuǎn)換為MAPSIS軟件可以識(shí)別的位移三分量數(shù)據(jù)文件,并將各基準(zhǔn)站的東西、北南及垂直分量繪制成圖(見圖3)。
圖3 “陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”位移三分量數(shù)據(jù)計(jì)算重復(fù)精度統(tǒng)計(jì)圖Fig.3 Repeatability of data calculation of displacement three components in tectonic environment monitoring network
從圖中可以看到,基準(zhǔn)站各分量位移時(shí)間序列呈現(xiàn)較為規(guī)律的趨勢(shì)變化:東西分量變化量大體一致,沒(méi)有明顯的區(qū)別;北南分量的變化略有差異,主要為由南向北,由西向東,呈現(xiàn)遞減變化;垂直分量變化一致性較好,存在較為明顯的年變規(guī)律。各基準(zhǔn)站位移變化均較為平穩(wěn)。
2結(jié)論與討論
從以上數(shù)據(jù)處理、重復(fù)精度統(tǒng)計(jì)、位移時(shí)間序列分析等結(jié)果看出,PANDA軟件處理GNSS數(shù)據(jù)具有友好的可視化界面,方便用戶掌握操作過(guò)程;數(shù)據(jù)處理結(jié)果精度較高,平均精度東西向、北南向、垂直向分別為2.4 mm、1.3 mm、4.0 mm,可以滿足地殼運(yùn)動(dòng)形變監(jiān)測(cè)的需要;位移三分量時(shí)間序列是PANDA軟件處理結(jié)果最直觀的成果,這一成果已經(jīng)在地殼運(yùn)動(dòng)變化與地震趨勢(shì)判定方面進(jìn)行一定的嘗試,有一定的映震效果[4]。推廣并應(yīng)用該軟件可以較好地服務(wù)于地震監(jiān)測(cè)與趨勢(shì)預(yù)測(cè),更能推動(dòng)國(guó)產(chǎn)軟件的發(fā)展。
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LI Gui-rong, LI Jie, WANG Xiao-qiang, LIU Dai-qin, Eli Natsu TeoYushan, CHEN Li, Abdul TayoM Sen
(Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi, Xinjiang 830011, China)
Abstract:According to the precise ephemeris and clock error released by IGS, GNSS Data of Xinjiang are processed for precise point positioning by using PANDA software. Research shows the average repeatability 2.4 mm in east-west direction, 1.3 mm in north-south direction and 4.0 mm in vertical. So application of PANDA software has high practical value and popularization value.
Key words:PANDA software; GNSS data processing; Application
作者簡(jiǎn)介:第一李桂榮(1980—),女,新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市人。2008年畢業(yè)于新疆大學(xué),碩士研究生,工程師。
基金項(xiàng)目:新疆地震科學(xué)基金資助課題(201410、201411、201412),地震科技星火計(jì)劃(XH14054Y),國(guó)家自然科學(xué)基金(41374016、41374030、41474016、41374036),中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(2012IES0308)聯(lián)合資助。
收稿日期:2015-03-01
中圖分類號(hào):TP317
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1000-6265(2015)03-0033-05