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].測繪通報，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?；€解合格后網(wǎng)平差才能順利進(jìn)行。GPS靜態(tài)測量費(fèi)時耗力，基線解精度較差時，往往需要重測。為了避免重測，本文重點(diǎn)對影響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：P228.4

收稿日期：2014-02-12; 修回日期： 2014-05-24

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

一、引言

GPS定位測量是通過地面接收設(shè)備接收衛(wèi)星傳送的信息來確定地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)。測量結(jié)果的誤差源主要有3個方面：與GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差、與信號傳播有關(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力的影響，而通過地面監(jiān)測站又難以充分可靠地測定這些作用力并掌握它們的作用規(guī)律，因此在星歷預(yù)報時會產(chǎn)生較大的誤差。在一個觀測時間段內(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)成的一個稀薄的大氣層。當(dāng)GPS信號通過電離層時，如同其他電磁波一樣，信號的路徑會發(fā)生彎曲，傳播速度也會發(fā)生變化。因此用信號的傳播時間乘以真空光速而得到的距離就會不等于衛(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. 對流層折射誤差

對流層是高度為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信號通過對流層時，也使傳播的路徑發(fā)生彎曲，從而使測量距離產(chǎn)生偏差，這種現(xiàn)象產(chǎn)生的誤差稱為對流層折射誤差。

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)動軌道的信息。GPS衛(wèi)星星歷分為廣播星歷(預(yù)報星歷)和精密星歷(后處理星歷)。精密星歷是由若干衛(wèi)星跟蹤站的觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)事后處理向用戶提供的在其觀測時間內(nèi)的精密軌道信息。這種星歷要在觀測后1～2星期才能得到，這對導(dǎo)航和動態(tài)定位無任何意義，但是在靜態(tài)精密定位中卻具有重要作用。相對于廣播星歷20~40m的精度而言，精密星歷的精度通常在亞米級。

對于長基線而言，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40~50km時，加載精密星歷進(jìn)行基線解算時更容易得到固定解。當(dāng)衛(wèi)星條件不好造成基線解精度較差時，精密星歷的使用能保證剔除不好衛(wèi)星時段后具有更多的時間冗余度，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)置使用精密星歷來處理基線。雖然精密星歷對于長基線的處理效果明顯，但對于一般性的GPS工程控制網(wǎng)來說，其應(yīng)用也可以在廣播星歷通過的基礎(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，這些“高齡”衛(wèi)星的載波相位數(shù)據(jù)必然會對基線解算造成不良影響。很多測量人員都感覺到現(xiàn)在做靜態(tài)測量時，基線解算不如以前容易通過，在觀測環(huán)境不好的地區(qū)，即使提高衛(wèi)星截止高度角、刪除周跳時段或周跳衛(wèi)星也無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，市場占有率在不斷提高。對于雙星信號，很多用戶只是在使用RTK模式工作時才體會到了明顯的效果。在靜態(tài)數(shù)據(jù)處理時，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軟件的兩個站的靜態(tài)數(shù)據(jù)都是雙星的，在解基線時GLONASS數(shù)據(jù)會自動參與解算。如果形成基線的兩臺接收機(jī)中僅一臺有GLONASS數(shù)據(jù)，則GLONASS不會參與解算。

3. 使用電離層改正模型

電離層引起的無線電信號的延遲，有時可達(dá)數(shù)十米。電離層延遲是GPS測量中最嚴(yán)重、最棘手的誤差源之一。雖然雙頻GPS觀測數(shù)據(jù)可以通過形成電離層無關(guān)的線性組合觀測值自行校正電離層延遲影響，但是這不僅增大了觀測噪聲的影響，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)算和分離帶來很多困難，從而間接地影響和限制了雙頻GPS的測量精度。

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，就可以用精確的電離層模型來減小電離層不確定性對基線解算的影響，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，把下載的電離層文件(*.ion)手動拷貝到需要的LGO項(xiàng)目下，然后即可進(jìn)行正常的基線解算。

4. 使用對流層折射改正模型

由于對流層折射對GPS信號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)觀測站相距不太遠(yuǎn)時(如小于20km)，由于信號通過對流層的路徑相似，因此對同一衛(wèi)星的同步觀測值求差，可以明顯地減弱對流層折射的影響。因此，這一方法在精密相對定位中廣泛被應(yīng)用；但是，隨著同步觀測站之間距離的增大，求差法的有效性也將隨之降低。當(dāng)距離大于100km時，對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，通過以下實(shí)測的GPS控制網(wǎng)的觀測數(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)，對處理結(jié)果進(jìn)行比較。該控制網(wǎng)的平均邊長小于20km，按照C級網(wǎng)的精度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行觀測。

圖1　某地區(qū)6個GPS點(diǎn)的網(wǎng)形圖

表1、表2為對圖1中10條基線5個同步環(huán)4h的觀測數(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，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，超限的閉合環(huán)亦合格，說明雙星對問題基線及同步環(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)行對比可以看出，精密星歷的引入對數(shù)據(jù)解算結(jié)果的影響有限，與廣播星歷解算的對應(yīng)值基本一致，這也說明精密星歷雖然不一定能明顯改善解算結(jié)果，但也不會對結(jié)果產(chǎn)生負(fù)面影響。精密星歷對提高基線解質(zhì)量來說并非毫無用處，只是由于該網(wǎng)的基線長度不算太長(都在20km以內(nèi))，而精密星歷往往對長基線(50~80km左右)的解算會有比較明顯的效果。

五、結(jié)束語

當(dāng)靜態(tài)觀測時間較長時，是否用精密星歷或電離層模型模型都對結(jié)果影響不大。但對于觀測時段較短或則存在外部干擾時，以上辦法對于提高基線解算質(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)對于提高基線解算效果最為顯著，電離層模型在觀測時長小于45min或電離層較活躍時會有一定的效果。精密星歷對提高解算短基線的精度影響不大，對于長基線效果會有一定效果。當(dāng)在GPS靜態(tài)網(wǎng)基線解算出現(xiàn)“問題”基線時，往往需要把以上幾種方法結(jié)合起來，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，對于處理“問題基線”同樣很有效果，深入了解、靈活應(yīng)用LGO軟件的各種功能，對于提高GPS外業(yè)工作效率，減少重測和返工，都具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。

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