利用GLOBK軟件提高平差精度的策略

邱榮海,成英燕,席 偉

(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)

利用GLOBK軟件提高平差精度的策略

邱榮海1,2,成英燕2,席 偉1

(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)

本文針對(duì)GLOBK平差軟件策略對(duì)提高解算精度問題,提出兩個(gè)觀點(diǎn):一是對(duì)參考站先驗(yàn)坐標(biāo)進(jìn)行合理約束;二是合并周后平差。使用了25個(gè)分布較均勻的中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站和國(guó)內(nèi)及周邊的12個(gè)IGS站。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):當(dāng)給X,Y,Z三方向上約束1 cm,平差結(jié)果較好。單天解平差的均方差在毫米量級(jí),而周解的均方差在亞毫米級(jí),周解平差精度高。

先驗(yàn)坐標(biāo);陸態(tài)網(wǎng);基準(zhǔn)站;單天解;周解

0 引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)測(cè)量數(shù)據(jù)處理是研究GNSS定位技術(shù)的一個(gè)重要內(nèi)容[1-2]。選擇好的數(shù)據(jù)處理策略和軟件對(duì)GNSS測(cè)量結(jié)果影響很大[3-4]。文獻(xiàn)[5]在關(guān)于陸態(tài)網(wǎng)基準(zhǔn)站坐標(biāo)與速度的文章中采用了陸態(tài)網(wǎng)項(xiàng)目研制的精密定位定軌數(shù)據(jù)處理軟件PODAP對(duì)不到2 a的陸態(tài)網(wǎng)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)進(jìn)行解算,分析了部分站點(diǎn)的時(shí)間序列異常情況是來自于時(shí)間長(zhǎng)度不等以及受地震影響的原因,并且只給出了單日解平差精度的情況,雖然滿足了陸態(tài)網(wǎng)解算的技術(shù)指標(biāo),但是并非最佳精度。文獻(xiàn)[6]在GLOBK軟件中測(cè)站坐標(biāo)先驗(yàn)約束設(shè)置探討中寫到關(guān)于選擇最佳的約束值問題,本文在此基礎(chǔ)上驗(yàn)證了坐標(biāo)先驗(yàn)約束值選擇問題。

本文采用由美國(guó)麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology,MIT)和美國(guó)加利福尼亞大學(xué)SCRIPPS海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography,SIO)共同研制的用于定位和定軌的GNSS數(shù)據(jù)分析軟件包—GAMIT/GLOBK[7-9]軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)解算。為了得到更加精確的坐標(biāo)值,探討了參考站最佳的先驗(yàn)約束值,計(jì)算了單天解和周解平差結(jié)果,并進(jìn)行了比較,選取精度最高的平差結(jié)果作為最終的坐標(biāo)值。

1 GPS數(shù)據(jù)資料及數(shù)據(jù)處理方案

GAMIT軟件的數(shù)據(jù)處理主要分為兩個(gè)步驟:一是區(qū)域網(wǎng)的基線解算;二是區(qū)域網(wǎng)平差。站點(diǎn)的選擇的好壞影響基線解算結(jié)果。本文在確保最佳的站點(diǎn)選擇和基線解算的前提下,實(shí)現(xiàn)了單天解與周解平差結(jié)果的比較,確保實(shí)驗(yàn)的可靠性。

1.1 站點(diǎn)選擇及分布

本文選取了25個(gè)陸態(tài)網(wǎng)基準(zhǔn)站作為待求站,選用12個(gè)國(guó)內(nèi)及周邊分布均勻的IGS站為參考站進(jìn)行聯(lián)合解算,時(shí)間是從2005-01-01到2008-12-31四年的觀測(cè)數(shù)據(jù),站點(diǎn)名及其代碼如表1所示:

表1 陸態(tài)網(wǎng)站點(diǎn)名及其代碼對(duì)照

各個(gè)站點(diǎn)的分布如下圖所示,紅色五角星代表著12個(gè)IGS控制站,黑色圓點(diǎn)表示25個(gè)陸態(tài)網(wǎng)待求站,圖中可以看出,控制站選擇較均勻,分布在待求站四周,且各站之間距離較適中。

圖1 站點(diǎn)分布圖

1.2 數(shù)據(jù)處理方案

本文基線解算的步驟可參考文獻(xiàn)[10]。對(duì)于基線解算得到的H文件,采用GLOBK軟件進(jìn)行網(wǎng)平差。

1.2.1 參考站先驗(yàn)參數(shù)設(shè)置及分析

GLOBK軟件對(duì)參考站先驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置在globk_comb_cmd控制文件中,可以使用apr_ site命令來指定笛卡爾坐標(biāo)X、Y、Z的約束,也可以使用apr_neu命令來指定站心坐標(biāo)N、E、U的約束,更可以通過設(shè)置約束值為“F”來直接固定某個(gè)測(cè)站。由于參考站的先驗(yàn)坐標(biāo)精度較高,同時(shí)也是定義網(wǎng)平差的參考框架,所以對(duì)參考站施加緊約束,并選取了最佳的約束值作為最終的約束。

本文對(duì)其中9個(gè)參考站X、Y、Z坐標(biāo)分量施加相同的約束,分別為1 cm、3 cm、5 cm和不約束四種情況,并將其平差結(jié)果與ITRF08框架下的9個(gè)站坐標(biāo)進(jìn)行比較。

從圖2～圖5可以看出,圖2為不給約束的平差結(jié)果,與ITRF08公布值相差在1～2 cm左右。圖3是各參考站約束在1 cm,與ITRF08公布值相差在1 cm以內(nèi),且絕大部分參考站都在5 mm左右,密合程度較好。當(dāng)給參考站約束在3 cm時(shí),如圖4所示,平差結(jié)果與ITRF08公布值相差在1～2 cm之間,明顯比約束1 cm時(shí)密合度差,圖5給出的是當(dāng)參考站約束5 cm,密合度更差,大部分都在2 cm左右,且URUM與USUD站在4 cm左右。

所以使用GLOBK軟件對(duì)基線解進(jìn)行平差時(shí),要給參考站適當(dāng)?shù)木o約束,且發(fā)現(xiàn)當(dāng)給約束值在1 cm時(shí),密合度最好。

圖2 參考站先驗(yàn)坐標(biāo)無約束平差后殘差結(jié)果

1.2.2 周解與單日解平差步驟及精度分析

單日解平差具體步驟如下:

(1)選擇單日解的H文件,執(zhí)行格式轉(zhuǎn)換模塊(htoglb模塊),將GAMIT生成的H文件轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制文件;

圖3 參考站先驗(yàn)坐標(biāo)約束1 cm平差后殘差結(jié)果

圖4 參考站先驗(yàn)坐標(biāo)約束3 cm平差后殘差結(jié)果

圖5 參考站先驗(yàn)坐標(biāo)約束5 cm平差后殘差結(jié)果

(2)將松散約束下模糊度整數(shù)解做一個(gè)列表文件gdl,修改兩控制文件,設(shè)置10個(gè)參考站的約束值1cm,選擇區(qū)域網(wǎng)解,將IGS站添加到穩(wěn)定控制站中,選擇ITRF08框架下計(jì)算坐標(biāo)[11]。

(3)執(zhí)行坐標(biāo)重復(fù)性檢驗(yàn)glred命令,畫出時(shí)間序列圖,剔除某些站精度不好天數(shù);

(4)執(zhí)行g(shù)lobk平差,“globk 6 globk.prt globk.log gdl globk_comd_cmd”,即得到了單天解的平差結(jié)果。

合并周解進(jìn)行平差,同樣先執(zhí)行1、2,3,4四步,在此基礎(chǔ)上修改控制文件globk_comb_ cmd中的“out_glb H——SCAL.GLX”,將此行打開,修改列表文件,每行的尾端添加“+”表示合并,每七天合并成一周的H文件,執(zhí)行g(shù)lred進(jìn)行合并,對(duì)合并后多個(gè)新H文件做新列表,用新列表H文件執(zhí)行g(shù)lobk平差,即得到合并周解之后的平差結(jié)果。

在整網(wǎng)的平差過程中,參考站都約束在1 cm。圖6與圖7分別給出了部分站點(diǎn)單日解平差與周解平差在站心坐標(biāo)系下和ITRF08框架下三個(gè)方向上均方差。從圖6可以發(fā)現(xiàn):站心坐標(biāo)系下,單日解均方差水平方向上在1 mm左右,高程方向上在2 mm以內(nèi)。周解均方差水平方向上優(yōu)于0.3 mm,高程方向上優(yōu)于0.5 mm。由圖7可以看出:在ITRF08框架下,單日解大部分測(cè)站三個(gè)方向的均方差在2 mm左右,周解均方差優(yōu)于0.5 mm;精度(內(nèi)符合精度)得到了很大的提高。

圖6 站心坐標(biāo)系下單天解與周解均方差比較

圖7 ITRF08框架下單天解與周解均方差比較

2 結(jié)束語

(1)GLOBK軟件中是采用卡爾曼濾波的算法進(jìn)行平差的,在計(jì)算之前需給先驗(yàn)參數(shù)設(shè)置先驗(yàn)值,參考站的先驗(yàn)約束用于定義網(wǎng)平差的參考框架的,必須給予緊約束值,通過比較發(fā)現(xiàn):當(dāng)X、Y、Z三個(gè)方向約束會(huì)隨著約束值增大,平差值與ITRF08框架下的值密合程度越差,當(dāng)約束值設(shè)置為1 cm時(shí),平差效果最好。

(2)本文比較了單日解與周解平差精度,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):在ITRF08框架下,單日解平差測(cè)站三個(gè)方向X、Y、Z均方差在2 mm左右,周解均方差在0.5 mm以內(nèi);站心坐標(biāo)系下,單日解均方差水平方向上在1 mm左右,高程方向上大約2 mm,而周解均方差水平方向上優(yōu)于0.3 mm,高程方向上優(yōu)于0.5 mm,無論是ITRF08框架還是站心坐標(biāo)系下,合并周解后的平差結(jié)果精度都要比單日解平差結(jié)果的精度高一個(gè)量級(jí)。因此,在進(jìn)行網(wǎng)平差時(shí),采用合并周解后的平差結(jié)果精度更高,解算數(shù)據(jù)結(jié)果的可靠性越強(qiáng)。

[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,2007:179-189.

[2] 張小紅,李征航.衛(wèi)星導(dǎo)航定位新技術(shù)及高精度數(shù)據(jù)處理方法[M].武昌:武漢大學(xué)出版社,2013:146-166.

[3] 鄂棟臣,詹必偉,姜衛(wèi)平,等.應(yīng)用GAMIT/GLOBK軟件進(jìn)行高精度GPS數(shù)據(jù)處理[J].極地研究,2005,17(3):174-182.

[4] 郭敏,金蕾.不同軟件對(duì)CORS站數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的比較與分析[J].全球定位系統(tǒng),2009,34(1):46-49.DOI:10.13442/j. gnss.2009.01.010.

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[6] 田建波,劉新江,陳勤勤.GLOBK軟件中測(cè)站坐標(biāo)先驗(yàn)約束設(shè)置探討[J].海洋測(cè)繪,2013,33(1):49-52.

[7] Department of Earth,Atmospheric,and Planetary Sciences Massachusetts Institute of Technology.GAMIT reference manual,release 10.6[EB/OL].[2014-06-21].http://www-gpsg.mit.edu/～simon/gtgk/GAMIT_Ref.pdf.

[8] Department of Earth,Atmospheric,and Planetary Sciences Massachusetts Institute of Technology.GLOBK reference manual,release 10.6[EB/OL].[2014-06-21].http://www-gpsg.mit.edu/～simon/gtgk/GLOBK_Ref.pdf.

[9] Massachusetts Institute of Technology.Documentation for the GAMIT GPS analysis software[EB/OL].[2012-12-25]. http://www-gpsg.mit.edu/～simon/gtgk/GAMIT.pdf.

[10]趙建三,楊創(chuàng),聞德保.利用GAMIT進(jìn)行高精度GPS基線解算的方法及精度分析[J].測(cè)繪通報(bào),2011(8):5-8.

[11]成英燕.ITRF08框架簡(jiǎn)介[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2012,32(1): 47-50.

Research on Improving Accuracy of Adjustment in GLOBK

QIU Ronghai1,2,CHENG Yingyan2,XI Wei1
(1.Geomatics College,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China; 2.Chinese Academy of Surveying and Mapping,Beijing 100830,China)

How to improve the accuracy of adjustment in GLOBK?I make two plain views:Frist,appropriate constraints should be imposed on the apriori coordinates of reference sites.Second,week solution should be used.Applying correlative data of 25 base stations from Crustal movement observation network in China and 12 IGS stations.It is found that:when constraint value is 1mm in X,Y,Z directions of reference sites,the result of adjustment is better.The mean square error of day solution is millimeter grade.The mean square error of week solution is sub-millimeter grade.The accuracy of week solution is higher.

apriori coordinates;crustal movement observation network in China;base stations;day solution;week solution

P228

A

2095-4999(2015)-04-0100-04

2014-10-18

國(guó)家自然科學(xué)基金(41374014);國(guó)家863計(jì)劃(2013AA122501);中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(7771405);數(shù)據(jù)處理中心(GFZX0301040308-06)。

邱榮海(1990—),男,安徽宣城人,碩士生,主要研究數(shù)據(jù)處理、GPS時(shí)間序列分析。

邱榮海,成英燕,席偉.利用GLOBK軟件提高平差精度的策略[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào),2015,3(4):100-103.QIU Ronghai,CHENG Yingyan,XI Wei.Research on Improving Accuracy of Adjustment in GLOBK[J].Journal of Navigation and Positioning,2015,3(4):100-103.

10.16547/j.cnki.10-1096.20150419