提高GPS基線解算質(zhì)量的方法研究

引文格式： 史仲，吳任洪，王以磊. 提高GPS基線解算質(zhì)量的方法研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2015(4)：69-71.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0113

提高GPS基線解算質(zhì)量的方法研究

史仲1，吳任洪2，王以磊3

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095)

ResearchonImprovingAccuracyofGPSBaselinesProcessing

SHIZhong，WURenhong，WANGYilei

摘要：GPS基線解成果是GPS網(wǎng)平差的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其質(zhì)量直接影響到控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的最終成果。基線解合格后網(wǎng)平差才能順利進(jìn)行。GPS靜態(tài)測(cè)量費(fèi)時(shí)耗力，基線解精度較差時(shí)，往往需要重測(cè)。為了避免重測(cè)，本文重點(diǎn)對(duì)影響GPS基線結(jié)算的主要誤差源進(jìn)行了分析，并給出了提高基線結(jié)算質(zhì)量的方法措施。

關(guān)鍵詞：LGO；雙星；電離層模型；精密星歷；基線解算

中圖分類號(hào)：P228.4

收稿日期：2014-02-12; 修回日期： 2014-05-24

作者簡(jiǎn)介：史仲(1981—)，男，工程師，主要從事電力行業(yè)勘測(cè)工作。E-mail： shizhong@5npdri.com

一、引言

GPS定位測(cè)量是通過(guò)地面接收設(shè)備接收衛(wèi)星傳送的信息來(lái)確定地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)。測(cè)量結(jié)果的誤差源主要有3個(gè)方面：與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差、與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差和與接收機(jī)設(shè)備有關(guān)的誤差。其中衛(wèi)星星歷誤差、電離層折射誤差、對(duì)流層折射誤差是影響GPS定位精度的主要因素。本文重點(diǎn)介紹如何在實(shí)際內(nèi)業(yè)解算過(guò)程中消除以上3種誤差，提高GPS基線解算質(zhì)量。

二、影響GPS基線解算質(zhì)量的主要誤差

1. 衛(wèi)星星歷誤差

由星歷所給出的衛(wèi)星在空間的位置與實(shí)際位置之差稱為衛(wèi)星星歷誤差。由于衛(wèi)星在運(yùn)行中要受到多種攝動(dòng)力的影響，而通過(guò)地面監(jiān)測(cè)站又難以充分可靠地測(cè)定這些作用力并掌握它們的作用規(guī)律，因此在星歷預(yù)報(bào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。在一個(gè)觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)星歷誤差屬系統(tǒng)誤差特征，是一種起算數(shù)據(jù)誤差。它將嚴(yán)重影響單點(diǎn)定位的精度，也是精密相對(duì)定位中的重要誤差源。

2. 電離層折射誤差

電離層是在距地表100~1000km的高度間，環(huán)繞地球并由帶電氣體(等離子體)構(gòu)成的一個(gè)稀薄的大氣層。當(dāng)GPS信號(hào)通過(guò)電離層時(shí)，如同其他電磁波一樣，信號(hào)的路徑會(huì)發(fā)生彎曲，傳播速度也會(huì)發(fā)生變化。因此用信號(hào)的傳播時(shí)間乘以真空光速而得到的距離就會(huì)不等于衛(wèi)星至接收機(jī)間的幾何距離，這種偏差稱為電離層折射誤差。

3. 對(duì)流層折射誤差

對(duì)流層是高度為40km以下的大氣底層，其大氣密度比電離層更大，大氣狀態(tài)也更復(fù)雜。對(duì)流層與地面接觸并從地面得到輻射熱能，其溫度隨高度的上升而降低，GPS信號(hào)通過(guò)對(duì)流層時(shí)，也使傳播的路徑發(fā)生彎曲，從而使測(cè)量距離產(chǎn)生偏差，這種現(xiàn)象產(chǎn)生的誤差稱為對(duì)流層折射誤差。

三、提高基線解算質(zhì)量的措施

1. 加載精密星歷

衛(wèi)星星歷是描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道的信息。GPS衛(wèi)星星歷分為廣播星歷(預(yù)報(bào)星歷)和精密星歷(后處理星歷)。精密星歷是由若干衛(wèi)星跟蹤站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)事后處理向用戶提供的在其觀測(cè)時(shí)間內(nèi)的精密軌道信息。這種星歷要在觀測(cè)后1～2星期才能得到，這對(duì)導(dǎo)航和動(dòng)態(tài)定位無(wú)任何意義，但是在靜態(tài)精密定位中卻具有重要作用。相對(duì)于廣播星歷20~40m的精度而言，精密星歷的精度通常在亞米級(jí)。

對(duì)于長(zhǎng)基線而言，星歷誤差是影響GPS基線解算精度的重要因素。一般當(dāng)基線距離超過(guò)40~50km時(shí)，加載精密星歷進(jìn)行基線解算時(shí)更容易得到固定解。當(dāng)衛(wèi)星條件不好造成基線解精度較差時(shí)，精密星歷的使用能保證剔除不好衛(wèi)星時(shí)段后具有更多的時(shí)間冗余度，從而保證基線處理器能搜索出整周模糊度的固定解。

精密星歷一般滯后14d左右，且GPS系統(tǒng)和GLONASS系統(tǒng)的精密星歷是相互獨(dú)立的，需要從不同的網(wǎng)址進(jìn)行下載(GPS精密星歷的下載網(wǎng)址為：ftp:∥cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps/products/；GLONASS精密星歷的下載網(wǎng)址為：ftp:∥cddis.gsfc.nasa.gov/pub/glonass/products/)。精密星歷下載后，從基線數(shù)據(jù)處理參數(shù)中就可以設(shè)置使用精密星歷來(lái)處理基線。雖然精密星歷對(duì)于長(zhǎng)基線的處理效果明顯，但對(duì)于一般性的GPS工程控制網(wǎng)來(lái)說(shuō)，其應(yīng)用也可以在廣播星歷通過(guò)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高整網(wǎng)的可靠性及內(nèi)符合精度。

2. 雙星解算

美國(guó)GPS系統(tǒng)由于更新速度緩慢，多顆衛(wèi)星已超出了設(shè)計(jì)年限(一般為8年左右)。目前，在構(gòu)成GPS系統(tǒng)空間部分的32顆衛(wèi)星中，有近17顆衛(wèi)星超期服役。在進(jìn)行靜態(tài)高精度數(shù)據(jù)處理時(shí)，這些“高齡”衛(wèi)星的載波相位數(shù)據(jù)必然會(huì)對(duì)基線解算造成不良影響。很多測(cè)量人員都感覺(jué)到現(xiàn)在做靜態(tài)測(cè)量時(shí)，基線解算不如以前容易通過(guò)，在觀測(cè)環(huán)境不好的地區(qū)，即使提高衛(wèi)星截止高度角、刪除周跳時(shí)段或周跳衛(wèi)星也無(wú)法獲得理想的基線解結(jié)果。如果基線處理質(zhì)量不好，同步環(huán)及異步環(huán)閉合差超出限差，就需要返工。

目前，很多GPS廠家發(fā)布了支持GPS和GLONASS的雙星GNSSRTK系統(tǒng)。毋庸置疑，俄羅斯的GLONASS衛(wèi)星對(duì)于提高RTK初始化速度和精度都起到了重要作用，盡管雙星接收機(jī)要比單星GPS接收機(jī)貴，但其效果也逐漸得到了很多用戶的認(rèn)可，市場(chǎng)占有率在不斷提高。對(duì)于雙星信號(hào)，很多用戶只是在使用RTK模式工作時(shí)才體會(huì)到了明顯的效果。在靜態(tài)數(shù)據(jù)處理時(shí)，由于大部分免費(fèi)的隨機(jī)后處理軟件都不支持GLONASS解算，導(dǎo)致雙星接收機(jī)的使用效果大打折扣。

LGO7.0中文版是目前為數(shù)不多的支持GLONASS靜態(tài)基線解算的免費(fèi)隨機(jī)后處理軟件。如果導(dǎo)入LGO軟件的兩個(gè)站的靜態(tài)數(shù)據(jù)都是雙星的，在解基線時(shí)GLONASS數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)參與解算。如果形成基線的兩臺(tái)接收機(jī)中僅一臺(tái)有GLONASS數(shù)據(jù)，則GLONASS不會(huì)參與解算。

3. 使用電離層改正模型

電離層引起的無(wú)線電信號(hào)的延遲，有時(shí)可達(dá)數(shù)十米。電離層延遲是GPS測(cè)量中最嚴(yán)重、最棘手的誤差源之一。雖然雙頻GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)可以通過(guò)形成電離層無(wú)關(guān)的線性組合觀測(cè)值自行校正電離層延遲影響，但是這不僅增大了觀測(cè)噪聲的影響，也給衛(wèi)星天線相位偏心、衛(wèi)星鐘差及衛(wèi)星儀器偏差的計(jì)算和分離帶來(lái)很多困難，從而間接地影響和限制了雙頻GPS的測(cè)量精度。

精確的電離層延遲信息(電離層模型)，不僅是單頻GPS用戶實(shí)現(xiàn)高精度改正電離層延遲影響的需求，也是雙頻GPS用戶進(jìn)一步提高測(cè)量精度的要求。

在LGO軟件的數(shù)據(jù)處理參數(shù)里，當(dāng)電離層模型選擇“全球 / 區(qū)域模型”時(shí)，就可以用精確的電離層模型來(lái)減小電離層不確定性對(duì)基線解算的影響，從而提高基線解算的精度。數(shù)據(jù)采集時(shí)每天的電離層模型均可從瑞士波恩大學(xué)的FTP網(wǎng)站下載(網(wǎng)址：ftp:∥ftp.unibe.ch/aiub/CODE/YYYY/CODwwwwd.ION.Z)。

在使用時(shí)，把下載的電離層文件(*.ion)手動(dòng)拷貝到需要的LGO項(xiàng)目下，然后即可進(jìn)行正常的基線解算。

4. 使用對(duì)流層折射改正模型

由于對(duì)流層折射對(duì)GPS信號(hào)傳播的影響情況比較復(fù)雜，一般采用改正模型進(jìn)行削弱。當(dāng)觀測(cè)站相距不太遠(yuǎn)時(shí)(如小于20km)，由于信號(hào)通過(guò)對(duì)流層的路徑相似，因此對(duì)同一衛(wèi)星的同步觀測(cè)值求差，可以明顯地減弱對(duì)流層折射的影響。因此，這一方法在精密相對(duì)定位中廣泛被應(yīng)用；但是，隨著同步觀測(cè)站之間距離的增大，求差法的有效性也將隨之降低。當(dāng)距離大于100km時(shí)，對(duì)流層折射的影響就制約著GPS定位精度的提高。

四、算例

為驗(yàn)證上述幾種措施的實(shí)際效果，通過(guò)以下實(shí)測(cè)的GPS控制網(wǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，分別按不同的方式處理基線，并將同步環(huán)閉合差作為檢驗(yàn)指標(biāo)，對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行比較。該控制網(wǎng)的平均邊長(zhǎng)小于20km，按照C級(jí)網(wǎng)的精度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行觀測(cè)。

圖1　某地區(qū)6個(gè)GPS點(diǎn)的網(wǎng)形圖

表1、表2為對(duì)圖1中10條基線5個(gè)同步環(huán)4h的觀測(cè)數(shù)據(jù)綜合使用上述3種措施(雙星+電離層模型+精密星歷)處理的閉合差結(jié)果。

表1　廣播星歷下4種解算的結(jié)果　 m

表1中的4組數(shù)據(jù)表明，在使用廣播星歷時(shí)，GPS+電離層模型的效果要優(yōu)于僅用GPS解算，但電離層模型不一定能解決所有的超限同步環(huán)(如環(huán)5)；而用雙星數(shù)據(jù)解算時(shí)，超限的閉合環(huán)亦合格，說(shuō)明雙星對(duì)問(wèn)題基線及同步環(huán)閉合差的改善效果最為明顯，雙星+電離層模型的組合效果與僅用雙星解算的效果差別不大，兩者閉合差的變化量在4mm左右。

表2　精密星歷下4種解算的結(jié)果　 m

將表2與表1進(jìn)行對(duì)比可以看出，精密星歷的引入對(duì)數(shù)據(jù)解算結(jié)果的影響有限，與廣播星歷解算的對(duì)應(yīng)值基本一致，這也說(shuō)明精密星歷雖然不一定能明顯改善解算結(jié)果，但也不會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生負(fù)面影響。精密星歷對(duì)提高基線解質(zhì)量來(lái)說(shuō)并非毫無(wú)用處，只是由于該網(wǎng)的基線長(zhǎng)度不算太長(zhǎng)(都在20km以內(nèi))，而精密星歷往往對(duì)長(zhǎng)基線(50~80km左右)的解算會(huì)有比較明顯的效果。

五、結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)靜態(tài)觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，是否用精密星歷或電離層模型模型都對(duì)結(jié)果影響不大。但對(duì)于觀測(cè)時(shí)段較短或則存在外部干擾時(shí)，以上辦法對(duì)于提高基線解算質(zhì)量都有比較明顯的效果。相比較而言，雙星的靜態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)于提高基線解算效果最為顯著，電離層模型在觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)小于45min或電離層較活躍時(shí)會(huì)有一定的效果。精密星歷對(duì)提高解算短基線的精度影響不大，對(duì)于長(zhǎng)基線效果會(huì)有一定效果。當(dāng)在GPS靜態(tài)網(wǎng)基線解算出現(xiàn)“問(wèn)題”基線時(shí)，往往需要把以上幾種方法結(jié)合起來(lái)，才能得到精度和可靠性都符合要求的結(jié)果。

除此之外，LGO軟件還提供了很多的基線解算分析工具，功能強(qiáng)大，對(duì)于處理“問(wèn)題基線”同樣很有效果，深入了解、靈活應(yīng)用LGO軟件的各種功能，對(duì)于提高GPS外業(yè)工作效率，減少重測(cè)和返工，都具有非常現(xiàn)實(shí)的意義。

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