基準(zhǔn)站網(wǎng)型結(jié)構(gòu)對(duì)GNSS網(wǎng)平差精度的影響分析

李涌濤 苗岳旺 米科峰

（西安測(cè)繪總站 陜西西安 710054）

1 引言

GNSS(Global Navigation Satellite System, GNSS)網(wǎng)的約束平差常被用于實(shí)現(xiàn) GNSS網(wǎng)成果由基線解算時(shí)所用衛(wèi)星參考系到特定參考系間的轉(zhuǎn)換[1]。只要在網(wǎng)平差時(shí)引入兩個(gè)或兩個(gè)以上的起算點(diǎn)坐標(biāo)，就能實(shí)現(xiàn)參考系的轉(zhuǎn)換。采用連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站進(jìn)行基線解算時(shí)，需要選擇一組基準(zhǔn)站點(diǎn)與待解點(diǎn)構(gòu)成GNSS三角網(wǎng)，對(duì)GNSS網(wǎng)進(jìn)行約束平差，從而得到與基準(zhǔn)站坐標(biāo)框架一致的待定點(diǎn)坐標(biāo)成果。但是選擇基準(zhǔn)站時(shí)，所選的網(wǎng)型結(jié)構(gòu)不同，就會(huì)帶來(lái)不同的解算結(jié)果。

本文通過(guò)對(duì)GNSS網(wǎng)進(jìn)行實(shí)際計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析，介紹了連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站在 GNSS網(wǎng)平差中的選擇方法，分析了基準(zhǔn)站的幾何結(jié)構(gòu)對(duì) GNSS平差精度的影響。

2 基于連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站的GNSS測(cè)量模式

基于連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站的 GNSS測(cè)量模式，就是利用基準(zhǔn)站全天候不間斷地觀測(cè)，精度高，基準(zhǔn)統(tǒng)一的特點(diǎn)，與待定點(diǎn)組成同步觀測(cè)，并將基準(zhǔn)站坐標(biāo)作為已知數(shù)據(jù)和待定點(diǎn)一起解算，最終得到待定點(diǎn)坐標(biāo)。待定點(diǎn)外業(yè)測(cè)量無(wú)需考慮同步觀測(cè)問(wèn)題，作業(yè)更加簡(jiǎn)便，效率也得到很大提高。隨著中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò) 260個(gè)站的建成運(yùn)營(yíng)，以及各省市，各部門(mén)相繼在全國(guó)范圍內(nèi)建立的連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站的運(yùn)行，基準(zhǔn)站間距離已縮短到 150~200km，有些地區(qū)甚至小于50km，使得在內(nèi)業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)解算時(shí)，基準(zhǔn)站選取范圍更大、更多樣[3]，一般選取3-6個(gè)基準(zhǔn)站就能用于實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換與必要的檢核[1]，也可以較好地保持GNSS網(wǎng)的原有精度，所以精確、良好地選擇基準(zhǔn)站有助于提高數(shù)據(jù)解算的精度、速度與效率。

連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站已廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)測(cè)繪、國(guó)土規(guī)劃、自然災(zāi)害預(yù)報(bào)等領(lǐng)域以及農(nóng)業(yè)、林業(yè)、金融、交通、水利、環(huán)保等部門(mén)和行業(yè)，提供基準(zhǔn)控制、差分定位、地震監(jiān)測(cè)、氣象預(yù)報(bào)等服務(wù)。

3 算例分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

GNSS數(shù)據(jù)處理采用GAMIT（10.40版）/GLOBK數(shù)據(jù)處理軟件[2]，分為基線解算和網(wǎng)平差兩步。基線解算利用基準(zhǔn)站的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)與待定點(diǎn)一起解算，GNSS數(shù)據(jù)選取中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的6個(gè)基準(zhǔn)站與3個(gè)待定點(diǎn)的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用雙頻GPS接收機(jī)觀測(cè)，每個(gè)點(diǎn)連續(xù)觀測(cè)4天的數(shù)據(jù)，每天觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)約為23.9h，觀測(cè)時(shí)段不跨過(guò)UTC時(shí)間0時(shí)，數(shù)據(jù)采樣間隔為30s，衛(wèi)星截止高度角為10°，對(duì)流層誤差模型為 GMF模型；基準(zhǔn)站坐標(biāo)約束為0.05m、0.05m、0.05m，待定點(diǎn)坐標(biāo)約束為 100m、100m、100m。星歷采用精密星歷，氣象數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn)氣象?；€解算以單天解為基礎(chǔ)，根據(jù)解算結(jié)果并參考NRMS值（標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差）和基線重復(fù)性檢驗(yàn)、異步環(huán)檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)基線進(jìn)行精化處理，使基線解都符合各項(xiàng)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

平差計(jì)算時(shí)對(duì)所選的已知基準(zhǔn)站點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行強(qiáng)約束（約束值為0.005m、0.005m、0.01m），即在基準(zhǔn)站坐標(biāo)應(yīng)施加1σ的約束，這樣不僅在統(tǒng)計(jì)上保證平差基準(zhǔn)不變，也可充分利用GPS的信息，使網(wǎng)不會(huì)發(fā)生大的扭曲和形變[4]。采用全部合格基線解的h文件，經(jīng)過(guò)GLOBK整體平差得到全部待定點(diǎn)成果，各項(xiàng)檢驗(yàn)皆符合標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)方案與數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取3個(gè)待定點(diǎn)DD01、DD02、DD03（坐標(biāo)已知），6個(gè)基準(zhǔn)站JZ01、JZ02、JZ03、JZ04、JZ05、JZ06（整網(wǎng)平差時(shí)只強(qiáng)約束選定的部分基準(zhǔn)站）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具體點(diǎn)位分布如圖1所示；

方案1:整網(wǎng)平差時(shí)強(qiáng)約束選取的6個(gè)基準(zhǔn)站；

方案2:整網(wǎng)平差時(shí)強(qiáng)約束選取的6個(gè)基準(zhǔn)站中的任意5個(gè)（共6種子方案）；

方案3:整網(wǎng)平差時(shí)強(qiáng)約束選取的6個(gè)基準(zhǔn)站中任意相鄰3個(gè)與剩下一個(gè)（共6種子方案）。

方案4:整網(wǎng)平差時(shí)強(qiáng)約束選取的6個(gè)基準(zhǔn)站中任意相鄰的4個(gè)（共6種子方案）。

圖1:待定點(diǎn)及基準(zhǔn)站點(diǎn)位分布圖

對(duì)以上4種方案中所得的3個(gè)待定點(diǎn)坐標(biāo)與已知的 3個(gè)待定點(diǎn)坐標(biāo)求差，及各點(diǎn)解的中誤差統(tǒng)計(jì)如表1至表4，其中表2至表4為各方案中6種子方案的坐標(biāo)差及各點(diǎn)中誤差的平均值。

通過(guò)上圖可以得出如下結(jié)論:

（1）若以方案1中6個(gè)基準(zhǔn)站的平差結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，由表1和表2、表1和表3對(duì)比，可以看出，方案1、方案2、方案3中待定點(diǎn)的點(diǎn)位都位于所選基準(zhǔn)站構(gòu)成的多邊形行中，基準(zhǔn)站各個(gè)方向上幾何分布較為均勻，且三種方案中待定點(diǎn)的點(diǎn)位精度基本一致。由表1、表2、表3中待定點(diǎn)DD01、DD02、DD03結(jié)果比較可以看，在基準(zhǔn)站幾何分布較為均勻的情況下基準(zhǔn)站的數(shù)目從4個(gè)增加到6個(gè)，待定點(diǎn)精度基本一致，且方案2與方案3中的6種子方案相互之間進(jìn)行了驗(yàn)證。待定點(diǎn)的精度一致，這是因?yàn)樵?個(gè)基準(zhǔn)站的情況下定位精度已經(jīng)達(dá)到1cm以內(nèi)，若要求所建立的GPS網(wǎng)成果與現(xiàn)有成果吻合最好，則起算點(diǎn)（基準(zhǔn)站）數(shù)量越多越好，但選擇過(guò)多的基準(zhǔn)站對(duì)解算結(jié)果精度的提高影響不大，而且會(huì)降低運(yùn)算速度。

（2）比較方案3和方案4，方案4由于選取了相鄰的4個(gè)基準(zhǔn)站，所選基準(zhǔn)站分布在待定點(diǎn)一側(cè)，這種網(wǎng)型結(jié)構(gòu)對(duì)待定點(diǎn)的包圍并不好，而方案 3依然能夠保證待定點(diǎn)各個(gè)方向都有基準(zhǔn)站。比較表3和表4，可以看出，方案4的定位精度達(dá)到了4cm，遠(yuǎn)低于方案 3的精度。這說(shuō)明基準(zhǔn)站的網(wǎng)型結(jié)構(gòu)對(duì)待定點(diǎn)定位的精度影響比較大。所選基準(zhǔn)站幾何分布均勻，較之基準(zhǔn)站在待定點(diǎn)一側(cè)的方案網(wǎng)型結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，并有助于提高待定點(diǎn)精度。

表1:方案1中待定點(diǎn)的解算結(jié)果統(tǒng)計(jì)（m）

表2:方案2中待定點(diǎn)6種子方案的解算結(jié)果平均值統(tǒng)計(jì)（m）

表3:方案3中待定點(diǎn)6種子方案的解算結(jié)果平均值統(tǒng)計(jì)（m）

表4:方案4中待定點(diǎn)6種子方案的解算結(jié)果平均值統(tǒng)計(jì)（m）

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)基準(zhǔn)站建設(shè)數(shù)量的增加，基準(zhǔn)站覆蓋范圍增大，GNSS網(wǎng)約束平差時(shí)可選基準(zhǔn)站的數(shù)量和方案也隨之增加，加之基準(zhǔn)站的選取并沒(méi)有準(zhǔn)確的理論依據(jù)，在選取時(shí)具有一定的隨意性和盲目性。對(duì)于網(wǎng)平差計(jì)算來(lái)說(shuō)，基準(zhǔn)站的選取要適量，且網(wǎng)型結(jié)構(gòu)應(yīng)該均勻分布，太多的基準(zhǔn)站對(duì)于定位精度的提高并不大，而且會(huì)明顯增加基線解算和網(wǎng)平差計(jì)算的時(shí)間、降低效率。較差的網(wǎng)型結(jié)構(gòu)則無(wú)法較好地控制待定點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)和平移，導(dǎo)致定位結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差。在基準(zhǔn)站適量的情況下，選擇基準(zhǔn)站幾何結(jié)構(gòu)分布較為均勻的網(wǎng)型有助于提高 GNSS網(wǎng)平差的精度。

[1]李征航，黃勁松.GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理[M]武漢:武漢大學(xué)出版社，2013.

[2]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（08）:5-8.

[3]程廣義，張海東，張英利，萬(wàn)鑫，趙淑芬.利用高等級(jí)點(diǎn)加強(qiáng)三級(jí)GPS網(wǎng)的處理分析[J]大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2012,32（2）:96-99.

[4]隋立芬.高精度GPS網(wǎng)的統(tǒng)一與數(shù)據(jù)處理若干問(wèn)題研究[D]鄭州.中國(guó)人民解放軍信息工程大學(xué).2001.