大規(guī)模GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)快速同步處理方法研究

李志才，張 鵬，孫占義，王 凡

(1. 國家基礎(chǔ)地理信息中心大地測量部，北京 100830； 2. 導(dǎo)航與位置服務(wù)國家測繪地理信息局重點實驗室，北京 100830)

大規(guī)模GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)快速同步處理方法研究

李志才1，2，張 鵬1，2，孫占義1，2，王 凡1，2

(1. 國家基礎(chǔ)地理信息中心大地測量部，北京 100830； 2. 導(dǎo)航與位置服務(wù)國家測繪地理信息局重點實驗室，北京 100830)

目前我國GNSS連續(xù)運行基準(zhǔn)站網(wǎng)已基本建設(shè)完畢，全國范圍內(nèi)建設(shè)完成約2000個GNSS連續(xù)運行基準(zhǔn)站。隨著站點規(guī)模的加大，數(shù)據(jù)計算的效率也迫切需要提高，采用傳統(tǒng)的高精度數(shù)據(jù)處理軟件已適應(yīng)不了大規(guī)模GNSS網(wǎng)的數(shù)據(jù)解算要求。本文基于BERNESE5.2軟件研究了我國“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)工程”260個基準(zhǔn)站的大規(guī)模GNSS網(wǎng)同步數(shù)據(jù)處理方法，通過修改源程序及利用并行計算技術(shù)，成功實現(xiàn)了陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站快速、高效、高精度的數(shù)據(jù)計算能力。實例驗證表明，陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)單天260個站的數(shù)據(jù)在無需分區(qū)的情況下，可在1 h內(nèi)獲得全球框架下的約束解，解算的框架點坐標(biāo)精度在毫米量級，大大提高了國家數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模GNSS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理能力。

參考框架；大規(guī)模GNSS網(wǎng)；并行計算；處理方法

隨著GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的快速發(fā)展，利用地面GNSS基準(zhǔn)站實現(xiàn)高精度實時導(dǎo)航定位的技術(shù)已經(jīng)在中國獲得大范圍的應(yīng)用，從國家到地方建設(shè)了近2000個GNSS連續(xù)運行基準(zhǔn)站，其中國家級基準(zhǔn)站網(wǎng)的規(guī)模在200～300站之間(如“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)工程”260站、國家現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)一期工程360站)，而省級CORS站網(wǎng)一般在100站以下，也有一些省級站規(guī)模超過100站以上(如山東省、甘肅省、黑龍江省CORS網(wǎng)等)，為我國高精度實時定位服務(wù)提供了起算基準(zhǔn)，也為維持我國2000國家坐標(biāo)系提供了更多的框架點[1-5]。這些國家和省級基準(zhǔn)站必須進(jìn)行精密解算，以實現(xiàn)我國坐標(biāo)框架的動態(tài)維護(hù)，建立國家坐標(biāo)框架與國際坐標(biāo)框架、省級坐標(biāo)框架的聯(lián)系，而隨著基準(zhǔn)站網(wǎng)的規(guī)模越來越大，相應(yīng)的高精度數(shù)據(jù)處理的效率問題就迫切需要解決。當(dāng)前對大規(guī)模網(wǎng)的處理策略主流觀點是分區(qū)處理和分布式處理[6-9]。如對于100站網(wǎng)以內(nèi)的省級CORS中心，利用GAMIT的分區(qū)技術(shù)可以解決計算效率的問題[7]，但是隨著基準(zhǔn)站點的大幅增加，如采用GAMIT軟件進(jìn)行日常數(shù)據(jù)處理，即使分區(qū)解算效率仍難以有效解決，必須增加硬件來進(jìn)行彌補。根據(jù)國家數(shù)據(jù)處理中心的分析報告，如果采用GAMIT軟件進(jìn)行單日解的日常數(shù)據(jù)處理，260個國家站的單天數(shù)據(jù)處理大約需分6～7個區(qū)[10]，如果用單臺服務(wù)器總耗時大約24 h。分布式方法可以極大地提高計算效率，但是其方法的提出仍然是基于試驗，并沒有在國內(nèi)大規(guī)模GNSS網(wǎng)中得到應(yīng)用，如何應(yīng)用分布式處理策略，還需盡快從研究轉(zhuǎn)入到實用中來[8]。從當(dāng)前國內(nèi)外的處理策略來看，對于大規(guī)模的GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)，主流仍然是采用了分區(qū)的處理策略，不管是各大分析中心還是國內(nèi)的數(shù)據(jù)處理中心，大都以分區(qū)處理策略為主。那么對于大規(guī)模的GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)，是否可以提出一種非分區(qū)的處理方法？本文正是基于這一想法，研究利用BERNESE 5.2軟件來實現(xiàn)大規(guī)模GNSS基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)處理能力[11]，解決我國陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)日常處理需要分區(qū)的問題，為下一步測繪基準(zhǔn)工程360個站同步處理打下良好基礎(chǔ)。

1 大規(guī)模GNSS網(wǎng)快速同步處理方法

(2) 利用并行處理算法實現(xiàn)了計算效率的大幅度提升。BERNESE5.2內(nèi)核采用并行處理算法實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的讀取、轉(zhuǎn)換、單點定位、基線模糊度固定、法方程計算等過程的并行計算，根據(jù)服務(wù)器的硬件性能，在分配任務(wù)時可進(jìn)行多時段、多任務(wù)并行處理，使得計算效率大大提高，大幅提高了數(shù)據(jù)處理速度。在實際解算過程中，采用了8 CPU、4核的計算服務(wù)器，可同時進(jìn)行32個并行任務(wù)，大大提高了計算效率。

(3) 采用了與GAMIT不同的平差處理策略。GAMIT軟件僅提供各單天解的自由網(wǎng)平差結(jié)果，而不是一個精密的數(shù)據(jù)處理成果，其單天解成果仍需要利用GLOBK軟件進(jìn)行約束來獲得多天解的網(wǎng)平差結(jié)果，這一步驟也非常消耗時間。根據(jù)BERNESE5.2的平差模塊，完善了BERNESE的單天解平差策略，解決了該軟件在平差過程中只能實現(xiàn)區(qū)域小網(wǎng)的平差，而不能進(jìn)行全球解的聯(lián)合平差問題。將其單天解的SINEX文件與全球IGS分析中心的SINEX進(jìn)行合并，以全球框架站為約束，實現(xiàn)了全球框架下單天解與全球網(wǎng)的平差，從而大大節(jié)約了網(wǎng)平差的計算時間，獲得了相對精確的單天解的精密成果。

2 陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)工程GNSS網(wǎng)同步處理方法驗證

上述方法需采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)解算進(jìn)行驗證，當(dāng)前國內(nèi)已建成的最大規(guī)模的國家級基準(zhǔn)站網(wǎng)是由地震局牽頭組織6個部委建設(shè)而成的陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)工程，總設(shè)計點數(shù)260個，一般日常運行的點數(shù)約為255個左右。主要應(yīng)用于地震監(jiān)測研究，可滿足測繪、導(dǎo)航、氣象、科研等需要，所有數(shù)據(jù)處理均為事后精密處理[4]。采用陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)2015年整年的數(shù)據(jù)驗證本文提出的整網(wǎng)快速同步處理計算方案。選擇中國大陸周邊6個IGS站進(jìn)行區(qū)域框架約束，在單天解平差過程中，下載了CODE分析中心的每天全球解SINEX文件進(jìn)行聯(lián)合平差，以全球框架站為約束，獲得單天解在全球基準(zhǔn)框架的平差結(jié)果。

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

必要的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備是進(jìn)行GNSS精密數(shù)據(jù)處理的必要步驟，陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)工程的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備主要包括如下幾項工作：

(1) 準(zhǔn)備相關(guān)測站文件，包括測站信息表、測站代碼縮略表、測站所屬板塊表；測站信息表主要為測站代碼、測站接收機、天線型號、天線高。

(2) 原始數(shù)據(jù)，為節(jié)省空間，選擇壓縮的原始觀測D文件，利用CRX2RNX模塊將原始數(shù)據(jù)解壓成標(biāo)準(zhǔn)的RINEX O文件。

(3) 精密星歷文件，主要包括精密星歷文件EPH、精密鐘文件CLK、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)文件ERP、全球電離層模型文件ION及CODE全球解的SNX文件。

(4) 基準(zhǔn)控制文件，根據(jù)不同年代的全球框架下載不同的框架文件，當(dāng)前國際主要框架為ITRF2008框架[12]，下載IGB08_R.CRD，IGB08_R.VEL文件，分別為全球框架下IGS站的坐標(biāo)和速度場，IGB08.FIX文件包括全球框架下的基準(zhǔn)點，這些文件可以將陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)點的單天解由區(qū)域框架轉(zhuǎn)換到全球框架下。

(5) 各類地球物理模型及其他輔助文件，如大地水準(zhǔn)面模型文件EGM2008、章動模型文件IAU2000R06.nut、IERS常量文件IERS2010XY.sub、海潮模型FES2004、地球固體潮模型TIDE2000、行星星歷等文件，以及接收機文件、天線文件、衛(wèi)星狀態(tài)文件。其中衛(wèi)星狀態(tài)文件需及時更新。

2.2 單天解數(shù)據(jù)計算方案

在拷貝必要的文件后，開始進(jìn)行單天解的數(shù)據(jù)處理，主要包括軌道文件生成、數(shù)據(jù)預(yù)處理、轉(zhuǎn)換和同步觀測數(shù)據(jù)、基線組合及相位數(shù)據(jù)預(yù)處理；整周模糊度消除、計算模糊度固定后的網(wǎng)解等。在基線解算時，主要采用的參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站單天解數(shù)據(jù)解算方案

整周模糊度消除策略中采用了偽距、相位兩種基線處理模式，分別采用了基于偽距的寬巷(WL)、基于相位的寬巷(L5)、準(zhǔn)無電離層影響(quasi-ionosphere-free，QIF)等模糊度消除方法，經(jīng)過多種模糊度處理策略，可大幅降低模糊度解，實現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)處理結(jié)果。將這些模糊度消除后，單天解的RMS大部分在1 mm左右。在單天解計算過程中，為確保中國大陸的區(qū)域框架，并建立與全球框架的聯(lián)系，采用了中國大陸B(tài)JFS及周邊的DAEJ、IISC、POL2、TCMS、ULAB等6個國際IGS站進(jìn)行約束。

2.3 單天網(wǎng)解平差方案

陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)工程作為中國目前一個較大的區(qū)域網(wǎng)，必須將其單天解結(jié)果轉(zhuǎn)換到全球框架下。下載了CODE數(shù)據(jù)處理分析中心的全球單日解的SINEX文件，通過相應(yīng)模塊將其轉(zhuǎn)換成法方程文件，然后與陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)單天解的法方程疊加，通過固定前述6個IGS站及全球框架站，進(jìn)行區(qū)域單天解與全球框架單天解的融合來獲得單天網(wǎng)解。在基準(zhǔn)約束時，采用了IGB08框架下所有站作為基準(zhǔn)框架點，所有基準(zhǔn)點的先驗σ0設(shè)為0.001 m，以進(jìn)行基準(zhǔn)約束，最小二乘約束采用全球七參數(shù)轉(zhuǎn)換方法，而不是區(qū)域網(wǎng)平差的三參數(shù)轉(zhuǎn)換方法。區(qū)域網(wǎng)的單天解通過6個固定的IGS站與IGB08框架進(jìn)行關(guān)聯(lián)并約束，最終得到陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)全球IGB08框架下的單天網(wǎng)解及單天解法方程，其中單天解法方程可作為多天解的輸入值，最后進(jìn)行多天解的聯(lián)合平差，以獲得速度場結(jié)果。

2.4 單天網(wǎng)解質(zhì)量檢核

基線解算是GNSS數(shù)據(jù)處理中占用時間最長、工作量最大的一部分，也是進(jìn)行網(wǎng)平差的基礎(chǔ)，基線解算質(zhì)量的好壞將直接影響GNSS網(wǎng)的定位精度和工作效率。而基線的解算質(zhì)量影響數(shù)據(jù)解算工作的結(jié)果和使用。NRMS值是衡量數(shù)據(jù)處理解算結(jié)果的一個重要指標(biāo)，用來表示單時段解算出的基線值偏離其加權(quán)平均值的程度，是從歷元的模糊度解算中得出的殘差。其計算公式如下

(1)

一般說來，NRMS值越小，基線估算精度越高；反之精度越低。根據(jù)國內(nèi)外GNSS數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗，其值一般應(yīng)小于3mm，若NRMS太大，則說明處理過程中周跳可能未得到完全修復(fù)。BERNESE的NRMS來自模糊度最終固定后的輸出文件驗后單位權(quán)均方差(AposterioriRMSofunitweight)值。圖1給出了BERNESE解算陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)觀測數(shù)據(jù)的NRMS值。其中NRMS的最大值為1.52mm)，最小值為1.37mm，平均值為1.42mm。從圖中可以很明顯地看出，2015年全年解的總體穩(wěn)定性較好，NRMS值全部都在1.5mm以內(nèi)，完全符合高精度數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量要求。

圖1 陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站單天解NRMS值

2.5 單天網(wǎng)解時間序列圖

BERNESE單天網(wǎng)解計算給出的坐標(biāo)為全球地心坐標(biāo)框架下當(dāng)日歷元的X、Y、Z值，一般需轉(zhuǎn)換到站心坐標(biāo)系下進(jìn)行時間序列的展示，利用黃立人等的方法[15]，將所有單天解的結(jié)果轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的站心坐標(biāo)系下，并用GMT畫出各測站的E、N、U方向時間序列圖。圖2給出中國區(qū)域東北(吉林延吉JLYJ)、西北(新疆庫爾勒XJKE)、華北(北京十三陵BJSH)、華南(廣東湛江GDZJ)、華中(湖南瀏陽HNLY)、西南(四川爐霍SCLH)共6個站作為典型性代表，從各圖時間序列結(jié)果來看，單天網(wǎng)解在2015年呈現(xiàn)自西向東、自北向南的運動，與其他數(shù)據(jù)處理軟件結(jié)果基本一致，說明單天網(wǎng)解的計算結(jié)果比較可靠。水平方向呈現(xiàn)明顯的趨勢項，垂向上能顯示一定季節(jié)性變化，但規(guī)律并不明顯，可能與數(shù)據(jù)解算時間較短有關(guān)系，需要根據(jù)長時間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。

圖2 中國大陸部分典型測站時間序列

2.6 時間效率

經(jīng)計算驗證，采用單臺8 CPU、4核服務(wù)器同步并行5個時段的數(shù)據(jù)解算，CPU最大并行計算設(shè)置為32組，則一天約260站的數(shù)據(jù)處理過程大概需要1 h，并可獲得各單天在全球ITRF2008框架下的精密坐標(biāo)解，其解算精度在1 mm左右，而相同情況的GAMIT軟件如不分區(qū)處理至少需要24 h，本文方法時間效率大大提高，且完全避免了分區(qū)帶來的基準(zhǔn)不一致的問題。

3 結(jié)束語

目前我國GNSS連續(xù)運行基準(zhǔn)站網(wǎng)已基本建設(shè)完畢，隨著站點規(guī)模的加大，數(shù)據(jù)計算的效率也迫切需要提高，采用傳統(tǒng)的高精度數(shù)據(jù)處理軟件已適應(yīng)不了大規(guī)模GNSS網(wǎng)的數(shù)據(jù)快速解算要求。本文基于BERNESE5.2軟件研究了陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)工程260個站的大規(guī)模GNSS網(wǎng)同步數(shù)據(jù)快速處理方法，通過修改源程序及利用并行技術(shù)，實現(xiàn)國家級基準(zhǔn)站快速、高效、高精度的數(shù)據(jù)計算能力，通過實例驗證，單天260個站的數(shù)據(jù)無需分區(qū)就可同步進(jìn)行解算，完全避免了分區(qū)帶來的問題；通過并行計算快速獲得全球框架下高精度的單天約束解，解算時間可控制在1 h以內(nèi)，極大地提高了國家數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模GNSS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理能力。

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Study on Fast Processing Method for Large Scale GNSS Network

LI Zhicai1,2，ZHANG Peng1,2，SUN Zhanyi1,2，WANG Fan1,2

(1. Geodesy Department, National Geomatics Center of China, Beijing 100830, China; 2. Key Laboratory of Navigation & Location Based Service,National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation, Beijing 100830, China)

At present, there are almost 2000 GNSS CORS stations across China as the construction of GNSS continuous operation reference station network nearly completed. With the increase of the amount of the sites, the efficiency of GNSS data processing urgently need to improve, while the traditional high precision data processing software represent the deficiency to compute so many more data. Based on BERNESE5.2 software, the data processing method of large scale GNSS network amount to 260 stations by CMONOC project is studied. The fast, efficient and high precision data computing capability had been got by modifying source program and utilizing the parallel computation technology. The experiment shows that the data of 260 stations in a single day can be processed within 1 hour without divided into sub-net to get the daily constrained coordinate in ITRF2008 frame with a millimeter scale accuracy, which highly improves the data processing capability of large scale GNSS network for national data center.

reference frame；large scale GNSS network; parallel computation; processing method

李志才，張鵬，孫占義，等.大規(guī)模GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)快速同步處理方法研究[J].測繪通報，2017(2)：65-69.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0050.

2016-06-28

國家863計劃(2013AA122501)；國家測繪地理信息局公益性行業(yè)專項(201512001；201512004)；國家自然科學(xué)基金(41274030)

李志才(1976—)，男，博士，高級工程師，主要從事衛(wèi)星大地測量研究。E-mail：zcli@nsdi.gov.cn

P228.4

A

0494-0911(2017)02-0065-05