Bernese解算區(qū)域GPS網(wǎng)結(jié)果與IGS站選取關(guān)系探討

符鋼,陳西斌

(1.佛山市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,佛山 528000;2.長(zhǎng)春市測(cè)繪局,長(zhǎng)春 130022)

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Bernese解算區(qū)域GPS網(wǎng)結(jié)果與IGS站選取關(guān)系探討

符鋼1,陳西斌2

(1.佛山市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,佛山 528000;2.長(zhǎng)春市測(cè)繪局,長(zhǎng)春 130022)

利用Bernese軟件進(jìn)行解算,結(jié)合某實(shí)測(cè)GPS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)中的6個(gè)站點(diǎn)解算,討論了IGS基準(zhǔn)站數(shù)量、基準(zhǔn)站分布對(duì)變形監(jiān)測(cè)GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)解算精度的影響．結(jié)果表明,處理區(qū)域GPS網(wǎng)時(shí),最好選取IGS基準(zhǔn)站提供的參考框架,且IGS站空間分布要盡量均勻,個(gè)數(shù)4個(gè)即可．這一結(jié)論可為選取合適的IGS站處理區(qū)域GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)提供依據(jù)．

區(qū)域GPS網(wǎng);BERNESE解算;變形監(jiān)測(cè);IGS基準(zhǔn)站

0　引　言

對(duì)于高精度的GPS數(shù)據(jù)處理,IGS基準(zhǔn)站的選取至關(guān)重要,選取不當(dāng),對(duì)處理結(jié)果的影響將是系統(tǒng)性的[1-2]．精密解算軟件Bernese軟件處理數(shù)據(jù)時(shí),一般選擇精度較高的地心坐標(biāo)IGS基準(zhǔn)站。因此,國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)GPS站點(diǎn)選擇進(jìn)行探討[3-6],但目前主要還是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取IGS基準(zhǔn)站,并沒有明確的選取原則。本文基于美國(guó)地基GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)中6個(gè)站點(diǎn)的計(jì)算對(duì)其進(jìn)行深入研究;并以中國(guó)香港IGS站數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,得出了在我國(guó)內(nèi)陸也適用的結(jié)論。

1　數(shù)據(jù)資料與計(jì)算參數(shù)

1.1數(shù)據(jù)資料

選取美國(guó)地基GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)中的6個(gè)站組成區(qū)域網(wǎng)進(jìn)行分析;該實(shí)驗(yàn)中6個(gè)站點(diǎn)，如圖1所示，站間距離在60～270 km之間,SG01站與SG04站間距離最短為61.74 km; SG16站與SG72站間距離最長(zhǎng)為264.76 km．為找到該區(qū)域GPS網(wǎng)解算時(shí)較為理想的IGS站選取方案,在IGS站數(shù)據(jù)和區(qū)域監(jiān)測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)較為理想的前提下,討論IGS基準(zhǔn)站數(shù)量、南北半球分布對(duì)解算精度的影響。

圖1　選用監(jiān)測(cè)網(wǎng)站點(diǎn)的分布圖

1.2Bernese參數(shù)選擇

利用Bernese軟件進(jìn)行解算,主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1　軟件參數(shù)設(shè)置

1.3數(shù)據(jù)預(yù)處理

選用監(jiān)測(cè)網(wǎng)6個(gè)站的數(shù)據(jù),為了保證計(jì)算結(jié)果的可靠性,選取觀測(cè)質(zhì)量好、數(shù)據(jù)量大的2009年第091～097(年積日)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算,時(shí)間為1周。首先利用TEQC數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件對(duì)上述各站點(diǎn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行檢核,結(jié)果表明上述數(shù)據(jù)的缺數(shù)率、偽距的多路徑效應(yīng)的影響(MP1、MP2)、信噪比等參數(shù)均較為理想。結(jié)果如表2所示。

表2　TEQC 預(yù)處理結(jié)果

2　IGS基準(zhǔn)站數(shù)量對(duì)解算結(jié)果的影響

2.1IGS基準(zhǔn)站選取方案

為討論IGS基準(zhǔn)站數(shù)量對(duì)結(jié)果精度的影響,選取0～6個(gè)IGS基準(zhǔn)站共七種方案,這6個(gè)IGS站代碼分別為GODE、NLIB、GOLD、NIST、PIE1和INEG。解算時(shí)區(qū)域網(wǎng)中6個(gè)站點(diǎn)保持不變,同時(shí)也考慮GPS網(wǎng)邊緣IGS站的影響。

2.2計(jì)算結(jié)果比較

1) 基線重復(fù)率比較

基線重復(fù)率是一個(gè)衡量數(shù)據(jù)處理質(zhì)量的重要指標(biāo)?；€分量重復(fù)率是GPS相對(duì)定位結(jié)果的重要指標(biāo)之一,反映了時(shí)段解間的內(nèi)符合精度,并提供了衛(wèi)星軌道、大氣效應(yīng)、多路徑效應(yīng)和天線相位中心不定時(shí)期等的變化,其計(jì)算公式為[7]

(1)

對(duì)2009年第091～097日區(qū)域GPS網(wǎng)基線重復(fù)率計(jì)算得出:七種方案中小于200 km的基線邊的基線重復(fù)率小于3.0 mm,大于200 km的基線邊的相對(duì)重復(fù)率優(yōu)于10-8,和GAMIT軟件解算長(zhǎng)基線的相對(duì)精度所能達(dá)到的10-9量級(jí)[8]的精度相當(dāng)。圖2是基線重復(fù)率的平均值比較圖。由圖2可得出,不選擇IGS站的基線重復(fù)率平均值較大,隨著IGS站個(gè)數(shù)增加,基線重復(fù)率平均值逐漸變小,方案7選取6個(gè)IGS基準(zhǔn)站的基線重復(fù)率的平均值最小且IGS基準(zhǔn)站個(gè)數(shù)超過4個(gè)后趨于穩(wěn)定。

2) 坐標(biāo)重復(fù)性比較

通過每一個(gè)觀測(cè)時(shí)段解算出來一個(gè)坐標(biāo)分量的序列,再通過這些坐標(biāo)分量計(jì)算出站點(diǎn)坐標(biāo)的算數(shù)平均值;坐標(biāo)重復(fù)性是指每一觀測(cè)時(shí)段解算的坐標(biāo)與這個(gè)算數(shù)平均值的差值。通過這個(gè)殘差的大小可以分析每個(gè)觀測(cè)時(shí)段的解算結(jié)果是否出現(xiàn)異常[9]．

通過計(jì)算得到各方案在N、E和U三個(gè)方向的坐標(biāo)重復(fù)性對(duì)比結(jié)果(單位:mm),分別如圖2、圖3和圖4所示。圖5示出了各方案坐標(biāo)平均重復(fù)性比較結(jié)果。

由圖2、3、4可得出:隨IGS站個(gè)數(shù)的增加,在N、E、U方向上的重復(fù)性逐漸變小,當(dāng)IGS站個(gè)數(shù)超過4個(gè)時(shí)趨于穩(wěn)定，由7種方案坐標(biāo)平均重復(fù)性比較可得:坐標(biāo)平均重復(fù)性隨個(gè)數(shù)的增加逐漸降低且趨于穩(wěn)定，在N、E、U方向上,方案5～7精度相當(dāng)。

圖2　各站N方向坐標(biāo)重復(fù)性比較

圖3　各站E方向重復(fù)性比較

圖4　各站U方向重復(fù)性比較

圖5　各方案坐標(biāo)平均重復(fù)性比較

通過以上結(jié)果分析可得:隨著IGS站個(gè)數(shù)增加,解算精度逐漸提高,當(dāng)IGS基準(zhǔn)站個(gè)數(shù)達(dá)到4個(gè)時(shí)趨于穩(wěn)定，綜上,選取4個(gè)IGS基準(zhǔn)站能滿足精度要求。

3　南北半球IGS基準(zhǔn)站選取不同對(duì)解算結(jié)果的影響

隋麗芬等曾提出過:Z坐標(biāo)計(jì)算誤差隨著緯度變化在南半球呈現(xiàn)向下凹、北半球向上凸的變化,高程誤差對(duì)Z坐標(biāo)的影響在南北半球具有相互抵消性[10-11]。由此提出了在GPS數(shù)據(jù)處理時(shí)選擇南北半球?qū)ΨQ的IGS基準(zhǔn)站可以使高程誤差對(duì)Z坐標(biāo)的影響相互抵消的說法[7]。但是徐平等[12]通過實(shí)驗(yàn)提出了在處理北京市GPS區(qū)域網(wǎng)數(shù)據(jù)時(shí)可以不考慮Z方向南半球向下凹,北半球向上凸的影響。因此,為了探討這種效應(yīng)是否對(duì)區(qū)域GPS網(wǎng)也存在的問題,并根據(jù)IGS基準(zhǔn)站數(shù)量選取的結(jié)果,提出了兩種實(shí)驗(yàn)方案。

方案1:選取GODE、GOLD 、NIST和BRAZE 4個(gè)IGS基準(zhǔn)站,南北半球各2個(gè),空間分布基本對(duì)稱。

方案2:選取GODE、NLIB、GOLD和NIST 4個(gè)IGS基準(zhǔn)站,全部位于北半球。

表3示出了按照方案1計(jì)算所得到的每個(gè)年積日解算的6個(gè)站點(diǎn)15條基線U分量結(jié)果與方案2對(duì)應(yīng)的結(jié)果之差(單位:mm)。從表中可得出,方案2的其U分量結(jié)果總體上要優(yōu)于方案1的結(jié)果。由此可見,選取IGS基準(zhǔn)站進(jìn)行區(qū)域GPS網(wǎng)解算時(shí),可不考慮Z坐標(biāo)誤差隨緯度變化的影響,即不必必須選擇南半球的IGS基準(zhǔn)站。

表3　U分量比較結(jié)果　　　　　單位：mm

表4　各測(cè)站加入不同數(shù)目網(wǎng)外輔助站結(jié)算結(jié)果對(duì)比　　單位：mm

4　結(jié)果驗(yàn)證

1) 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

為驗(yàn)證所得結(jié)論不是偶然的,在上述結(jié)論基礎(chǔ)上,對(duì)中國(guó)香港HKWS、HKFN、HKLT、HKSC和HKST連續(xù)運(yùn)行參考站(IGS)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,測(cè)站分布如圖6所示.試驗(yàn)時(shí)間為2009年5月1日、2日兩天的數(shù)據(jù)(年積日:121～122)。

圖6　選用站點(diǎn)的分布圖

2) 輔助站數(shù)量及分布的選擇

本文選取SHAO、KUNM、WUHN、TNML和TCMS五個(gè)IGS永久跟蹤站作為輔助站,其采樣間隔均為30 s,衛(wèi)星截至高度角為10°;通過加入不同數(shù)目的輔助站形成不同的組網(wǎng)方案。分六次處理(加0個(gè)輔助站;加1個(gè)輔助站;加2個(gè)輔助站;加3個(gè)輔助站;加4個(gè)輔助站;加5個(gè)輔助站)。

3) 結(jié)果分析

當(dāng)假定以5個(gè)IGS基準(zhǔn)站解算結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)時(shí),計(jì)算各測(cè)站加入不同數(shù)目輔助站時(shí)的均方根RMS和平均誤差MEAN.由表4可得出,隨IGS站數(shù)目的增加,RMS和MEAN均有不同程度下降,加入1個(gè)輔助站的解算結(jié)果的RMS均在3 mm以內(nèi);加入2～3個(gè)網(wǎng)外輔助站解算結(jié)果的RMS均在2 mm以內(nèi);加入4個(gè)輔助站解算的RMS均在1 mm之內(nèi),且無明顯的差異。

通過對(duì)中國(guó)香港IGS站數(shù)據(jù)處理分析可得,以上得出的結(jié)論不是偶然的,這一結(jié)論也適用于我國(guó)內(nèi)陸。

5　結(jié)束語

使用Bernese軟件進(jìn)行區(qū)域GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理時(shí),最好選取IGS基準(zhǔn)站提供的參考框架;這樣可以消除因?yàn)闆]有準(zhǔn)確基準(zhǔn)造成的系統(tǒng)偏差。本文得出以下結(jié)論:

1) 根據(jù)不同方案基線重復(fù)率和坐標(biāo)重復(fù)性的比較可知,隨IGS站個(gè)數(shù)增加,基線重復(fù)率的平均值逐漸減小;IGS站個(gè)數(shù)達(dá)到4個(gè)以后,其坐標(biāo)重復(fù)性趨于穩(wěn)定;綜合考慮,選擇4個(gè)IGS基準(zhǔn)站作為輔助站能滿足精度要求,同時(shí)可以免增加數(shù)據(jù)處理時(shí)間,提高數(shù)據(jù)處理效率。

2) 通過美國(guó)大陸區(qū)域內(nèi)IGS站數(shù)據(jù)驗(yàn)證表明:區(qū)域GPS網(wǎng)解算時(shí)不用考慮Z方向南半球向下凹,北半球向上凸的影響;為區(qū)域GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理選取IGS基準(zhǔn)站提供依據(jù)。

這些結(jié)論可為選取合適的IGS基準(zhǔn)站處理區(qū)域GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)提供依據(jù)。

[1] BOUCHER C. The international terrestrial reference frame[R].Pasadena California Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, 1998.

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Research on Relationship Between Bernese Processing Result of Regional GPS Net and Determination of IGS Stations

FU Gang1,CHEN Xibin2

(1.InstituteofFoshanUrbanPlanningandSurveying,Foshan528000,China; 2.ChangchunSurveyingandMappingInstitnte,Changchun130022,China)

Based on BERNESE software to resolution, the influence of solution accuracy that the number and distribution of IGS

tations to the GPS net data are discussed, combined with 6 stations of the GPS deformation monitoring network. The results suggest that when processing regional GPS network, it’s the best to select the IGS reference station as the frame of reference, and the IGS station space distribution should be as uniform as possible, and the number reached 4, and there’s no need to select the same side IGS reference, which provides the basis to select suitable IGS stations data when processing the data of GPS network.

Regional GPS net; BERNESE solution; deformation monitoring; IGS base station selection

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.04.017

2015-11-30

P228.4

A

1008-9268(2016)04-0080-05

符鋼(1989-),男,湖南長(zhǎng)沙人,助理工程師,主要研究方向?yàn)楣こ虦y(cè)量技術(shù)。

陳西斌(1988-),男,黑龍江虎林人,碩士,助理工程師,主要從事GNSS數(shù)據(jù)處理與GAMIT、Bernese軟件開發(fā)等工作。

聯(lián)系人： 陳西斌 E-mail: chenxibin1203@126.com