南極航空地球物理調(diào)查GPS 數(shù)據(jù)后處理方法試驗(yàn)

王幫兵 王旭琦 孫波 蔚林哲 郭井學(xué) 崔祥斌

(1浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,浙江 杭州 310027;2中國(guó)極地研究中心,上海 200136)

0 引言

極地冰蓋在全球氣候系統(tǒng)中扮演著重要角色,其冰量變化和物質(zhì)平衡狀態(tài)對(duì)于全球海平面變化具有決定性影響,進(jìn)而影響全球氣候系統(tǒng)[1-2]。在全球氣候變暖的大背景下,對(duì)極地冰蓋的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)具有重要的科學(xué)意義,地球物理探測(cè)是極地現(xiàn)場(chǎng)考察中最重要的技術(shù)手段,并已取得巨大成功[3]。然而極地嚴(yán)酷的自然環(huán)境(低溫、冰雪覆蓋、夏季時(shí)間短等不利條件)嚴(yán)重制約著地面科考測(cè)量工作的開(kāi)展,使得極地航空地球物理考察成為最有優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿Φ难芯糠较騕4]。但是航空測(cè)量的裝備投入、運(yùn)行維護(hù)成本、技術(shù)支持保障等費(fèi)用驚人,非一般國(guó)家國(guó)力能夠承擔(dān)。隨著我國(guó)綜合國(guó)力的增強(qiáng),經(jīng)過(guò)多年努力,中國(guó)成為繼美、英、德之后,第 4個(gè)擁有極地航空地球物理科學(xué)考察能力的國(guó)家,在 2015—2016年度中國(guó)第 32次南極科學(xué)考察期間,完成東南極伊麗莎白公主地(Princess Elizabeth Land,PEL)區(qū)域18條測(cè)線的飛行探測(cè)任務(wù),獲得一大批珍貴的科學(xué)數(shù)據(jù),吸引了全世界關(guān)注的目光。

極地航空地球物理平臺(tái)搭載了多種探測(cè)設(shè)備,包括高精度航空重力儀、高精度航空磁力儀,大功率航空雷達(dá)以及溫度、照相、激光測(cè)距等設(shè)備;一個(gè)航次飛行可以同時(shí)完成多方法、大范圍探測(cè)任務(wù)。所有測(cè)量設(shè)備中,最為基礎(chǔ)和關(guān)鍵性的配套設(shè)備是GPS定位系統(tǒng),主要用途包括:(1)飛機(jī)上至少安裝一臺(tái)4通道GPS系統(tǒng),與IMB(慣導(dǎo)系統(tǒng))模塊一起提供飛機(jī)飛行姿態(tài)信息,為航空重力儀、航空磁力儀等地球物理設(shè)備提供校正和補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵數(shù)據(jù);(2)為各機(jī)載地球物理設(shè)備提供統(tǒng)一的時(shí)鐘同步和授時(shí),確保所有設(shè)備采集的數(shù)據(jù)按GPS時(shí)鐘同步記錄、存儲(chǔ),便于后期統(tǒng)一處理并得到各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的精確位置。因此,后處理工作的首要目標(biāo)就是解算GPS數(shù)據(jù),為快速飛行的飛機(jī)(對(duì)應(yīng)順序得到地球物理測(cè)點(diǎn)位置)提供精確的定位信息。

航空地球物理數(shù)據(jù)后處理的難點(diǎn)在于:(1)飛機(jī)上集成的探測(cè)設(shè)備眾多,各方法數(shù)據(jù)需要分別處理; 處理后的GPS精確定位數(shù)據(jù)需要分別與各方法對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)探測(cè)數(shù)據(jù)匹配連接,工作量極大。(2)不同設(shè)備的采樣率差異大,導(dǎo)致不同方法數(shù)據(jù)量差異大; 而GPS數(shù)據(jù)按0.5 s時(shí)間采樣,需要通過(guò)插值等處理來(lái)適應(yīng)不同探測(cè)方法的差異性采樣率,確保該方法每個(gè)物理測(cè)點(diǎn)的物理量值都有相應(yīng)的位置坐標(biāo)。由于這是國(guó)內(nèi)首次開(kāi)展極地航空地球物理探測(cè),所有工作都是全新的任務(wù),需要通過(guò)試驗(yàn)不斷摸索、總結(jié)解決問(wèn)題的思路和方案,其中 GPS定位數(shù)據(jù)處理和物探數(shù)據(jù)的匹配連接成為航空地球物理數(shù)據(jù)后處理工作中的一項(xiàng)基礎(chǔ)且關(guān)鍵性的研究?jī)?nèi)容。本文針對(duì)中國(guó)第32次南極科考航空地球物理探測(cè)定位測(cè)量的目標(biāo)需求,通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比方法,評(píng)估GPS后處理方法和軟件的效果,在試驗(yàn)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)相應(yīng)的軟件完成GPS數(shù)據(jù)和各地球物理方法數(shù)據(jù)的匹配連接,進(jìn)而總結(jié)極地航空地球物理GPS后處理流程和方法,對(duì)于極地航空測(cè)量及工程應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

1 方法技術(shù)

1.1 研究區(qū)域及現(xiàn)場(chǎng)工作布置

2015年11月—2016年4月中國(guó)第32次南極考察期間,以中山站附近的俄羅斯冰蓋機(jī)場(chǎng)為起點(diǎn),完成18個(gè)航次的航空地球物理探測(cè)任務(wù)。飛行范圍覆蓋東南極伊麗莎白公主地(PEL)區(qū)域,項(xiàng)目命名為ICECAP2。為了最大程度地優(yōu)化飛行測(cè)線布置,經(jīng)過(guò)多輪國(guó)際專家論證,采用扇形飛行測(cè)線布置。圖1為設(shè)計(jì)飛行測(cè)線,項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中,根據(jù)科研目標(biāo)調(diào)整了部分飛行計(jì)劃,包括飛越Dome A、連接Vostok冰下湖、與ICECAP測(cè)線對(duì)接等更長(zhǎng)距離的目標(biāo)探測(cè),驗(yàn)證了雪鷹601良好的機(jī)械性能和優(yōu)異的極地探測(cè)適應(yīng)能力,并獲得了一大批珍貴的航空探測(cè)數(shù)據(jù)。在飛機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)過(guò)程中也同時(shí)進(jìn)行不間斷測(cè)量,使得ICECAP2航空探測(cè)數(shù)據(jù)與整個(gè)南極探測(cè)數(shù)據(jù)連接成一個(gè)有機(jī)整體,可以充分利用國(guó)際前期探測(cè)成果和深冰芯資料,大大提升了本次航空探測(cè)數(shù)據(jù)的科研價(jià)值。

圖1 中國(guó)第 32次南極科考航空測(cè)量計(jì)劃飛行測(cè)線(ICECAP2)Fig.1.The designed survey line of ICECAP2 in 32nd CHINARE

雪鷹601機(jī)載航空地球物理平臺(tái)分為兩大部分:GT-2A航空重力測(cè)量系統(tǒng)和美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校地球物理研究所(UTIG)開(kāi)發(fā)的ELSA系統(tǒng)(主控測(cè)量系統(tǒng))。GT-2A重力測(cè)量系統(tǒng)獨(dú)立工作,ELSA系統(tǒng)將航空雷達(dá)、航空磁力儀以及IMB、溫度、照相、激光測(cè)距等設(shè)備通過(guò) National Instruments(NI) PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行集成,通過(guò)統(tǒng)一的軟件操控界面同時(shí)控制各傳感器數(shù)據(jù)采集過(guò)程,包括采集參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集過(guò)程操控和數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份等。為了配合航空地球物理設(shè)備協(xié)同工作,雪鷹 601飛機(jī)上安裝了一臺(tái) JAVAD DELTA 4通道GPS測(cè)量系統(tǒng),提供飛機(jī)位置以及飛行姿態(tài)(俯仰和側(cè)轉(zhuǎn))信息(圖2a)。所有4路GPS數(shù)據(jù)直接合并存儲(chǔ)到 GT-2A數(shù)據(jù)文件中用于航空重力儀數(shù)據(jù)后期處理; 另分流其中1路GPS數(shù)據(jù)連接到主控測(cè)量系統(tǒng)(ELSA),為航空雷達(dá)、航空磁力儀、激光測(cè)距儀、照相、溫度測(cè)量等集成設(shè)備提供統(tǒng)一的定位、授時(shí)信息。該通道GPS數(shù)據(jù)以及各傳感器探測(cè)數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)文件形式分別獨(dú)立存儲(chǔ),需要通過(guò)后期處理再將定位信息與各傳感器數(shù)據(jù)連接起來(lái),形成包含物理測(cè)點(diǎn)位置信息的地球物理探測(cè)數(shù)據(jù)集,用于進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)解釋。因此后期數(shù)據(jù)處理的第一步工作是對(duì) GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到精確的位置信息數(shù)據(jù)。

圖2 極地航空探測(cè)系統(tǒng)GPS系統(tǒng)安裝位置.a)飛機(jī)上GPS天線位置,共4個(gè)天線,分別位于機(jī)翼以及機(jī)身頂部位置;b)機(jī)場(chǎng)地面GPS基站,天線及其三腳架置于工作倉(cāng)頂部Fig.2.Mounting site of GPS in polar airborne survey system.a) positions of GPS in plane,which has four antenna,locating in both wings and the top of the fuselage respectively; b) base GPS station on airport,with its antenna and tripod mounted on the top of working cabin

由于 GPS定位數(shù)據(jù)在航空測(cè)量中至為關(guān)鍵,飛機(jī)上另外搭載一臺(tái)Ashtech ProFlex 800高精度GPS同時(shí)工作作為備用。為了配合GT-2A重力測(cè)量,需要設(shè)置地面參考站記錄靜態(tài)GPS數(shù)據(jù)用于后續(xù)重力數(shù)據(jù)處理。地面站也采用雙機(jī)同時(shí)工作模式,其中一臺(tái)數(shù)據(jù)作為備用。在冰蓋機(jī)場(chǎng)設(shè)置了2臺(tái)Ashtech ProFlex 800高精度GPS作為靜態(tài)參考基站(ZGN11和ZGN21)(圖2b),要求參考基站GPS至少保證起飛前15 min開(kāi)機(jī),飛機(jī)降落半小時(shí)后再關(guān)機(jī),在飛機(jī)飛行階段以0.5 s采樣率連續(xù)觀測(cè)。

1.2 GPS數(shù)據(jù)后處理方法

GPS系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用極大地提高了地球物理測(cè)量定位效率,然而常規(guī)單點(diǎn)定位(偽距測(cè)量)難以滿足航空地球物理定位精度要求,RTK技術(shù)的高探測(cè)精度僅局限于幾十公里范圍內(nèi),難以滿足大范圍航空測(cè)量的定位要求。精密單點(diǎn)定位技術(shù)(Precise Point Positioning,PPP)是繼RTK技術(shù)后又一次技術(shù)革命[5-18]。精密單點(diǎn)定位技術(shù)只需要精密軌道和鐘差信息(IGS等組織提供的實(shí)時(shí)或事后數(shù)據(jù))[19-22],可在全球任何地點(diǎn)獲得全球ITRF框架下一致的厘米級(jí)定位精度。另外,PPP采用單向通訊、獨(dú)立定位的模式,具有不受基線長(zhǎng)度限制,作業(yè)方便自由,數(shù)據(jù)處理相對(duì)簡(jiǎn)單、可靈活選用實(shí)時(shí)處理或事后處理等優(yōu)點(diǎn),大大提高了 GNSS精確定位的靈活性,是目前極地航空地球物理考察首選的GPS后處理方法。

PPP后處理主要有兩種途徑: 在線處理和軟件處理兩種方式。國(guó)際上一些著名研究機(jī)構(gòu)如美國(guó)NASA噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室(JPL)的APPS[23]、澳大利亞Geoscience Australia的AUSPOS[24]、加拿大Natural Resources Canada的Precise Point Positioning(CSRS-PPP)[25]、美國(guó) NGS 的 OPUS[26]等提供GPS數(shù)據(jù)在線處理(online)服務(wù),用戶通過(guò)網(wǎng)頁(yè)界面(或 FTP)直接提交 GPS測(cè)量數(shù)據(jù),網(wǎng)站完成處理后以報(bào)告形式將處理結(jié)果返回用戶指定的郵箱。在線處理的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)用戶要求低,不要求用戶必須具有GPS和PPP背景知識(shí),只需要用戶按要求的文件格式提交待處理的GPS數(shù)據(jù)即可。缺點(diǎn)是處理過(guò)程和處理方法不透明,用戶只能被動(dòng)接受處理結(jié)果。

軟件處理是指用戶自己安裝相應(yīng)的PPP軟件并處理GPS數(shù)據(jù)。優(yōu)點(diǎn)是用戶全程參與并掌控處理過(guò)程?？梢园醋约旱脑O(shè)想和需求選擇處理方法、修改參數(shù)設(shè)置,以期得到最佳處理效果。缺點(diǎn)是要求用戶具有較好的測(cè)繪知識(shí)背景,熟悉GPS和PPP原理。另外需要用戶自己提前準(zhǔn)備與待處理GPS數(shù)據(jù)日期對(duì)應(yīng)的精密軌道和鐘差數(shù)據(jù)。PPP數(shù)據(jù)處理軟件主要分為 3類(lèi):(1)研究型,主要用于PPP技術(shù)研究和開(kāi)發(fā)。如NASA Jet Propulsion Laboratory(JPL)開(kāi)發(fā)的 GIPSY,Massachusetts Institute of Technology(MIT)開(kāi)發(fā)的 GAMIT/GLOBK/TRACK等。(2)商業(yè)軟件,主要由測(cè)繪或GPS廠商隨儀器銷(xiāo)售的商業(yè)軟件,如Bernese、Trimble Business Center、RTNet、GrafNav/GrafNet等。(3)開(kāi)源軟件,是指源代碼公開(kāi)的 PPP處理軟件,適合于用戶學(xué)習(xí)和二次開(kāi)發(fā),如日本東京海洋大學(xué)Tomoji Takasu開(kāi)發(fā)的RTKLIB[27]、德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Applied Research Laboratories開(kāi)發(fā)的GPSTk[28]都是很好的PPP開(kāi)源軟件。

PPP技術(shù)的巨大優(yōu)勢(shì)使其成為航空測(cè)量首選GPS后處理方法,然而PPP應(yīng)用于極地航空地球物理測(cè)量還處于試驗(yàn)探索階段:(1)極地特殊的地理和自然環(huán)境以及航空探測(cè)的特殊性決定了極地航空地球物理考察具有自身的特點(diǎn)。極地冰蓋探測(cè)目前首選的方法組合是大功率深冰探測(cè)雷達(dá),與航空磁力儀和航空重力儀組成極地冰蓋探測(cè)“三劍客”。以后隨著探測(cè)目標(biāo)差異和研究對(duì)象不同,飛機(jī)上搭載的航空探測(cè)設(shè)備也會(huì)有所差異,方法和儀器差異會(huì)要求處理技術(shù)和處理軟件不斷地調(diào)整和更新。另外,PPP技術(shù)應(yīng)用于極地航空地球物理探測(cè)時(shí)間較短,處理技術(shù)方案還沒(méi)有完全定型,需要通過(guò)大量試驗(yàn)來(lái)摸索、優(yōu)化解決方案。(2)對(duì)航空地球物理探測(cè)而言,進(jìn)行PPP處理得到精確的定位數(shù)據(jù)只是航空地球物理數(shù)據(jù)處理工作的一小步。由于搭載的探測(cè)設(shè)備較多,各種方法設(shè)備的采樣率差異大。如何將GPS后處理結(jié)果與各種不同采樣率的地球物理數(shù)據(jù)連接并形成帶定位信息的地球物理數(shù)據(jù)集是最為困難和繁瑣的工作,這將直接影響極地航空地球物理數(shù)據(jù)后處理工作的效率和效果。因此本文主要針對(duì)以上兩個(gè)方面進(jìn)行方法試驗(yàn),通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比和軟件開(kāi)發(fā)實(shí)踐,探索和總結(jié)極地航空地球物理GPS后處理的優(yōu)化解決方案。

2 GPS后處理試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 ICECAP2數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)和命名規(guī)則

雪鷹601一次飛行可以完成約2 000 km的多地球物理方法測(cè)量任務(wù),采集得到幾十 GB的海量數(shù)據(jù)。ICECAP2航空測(cè)量原始數(shù)據(jù)是按方法和飛行航次分別存儲(chǔ): 首先按方法建立相應(yīng)的文件夾,然后在每種方法文件夾中再按飛行航次建立子目錄。其中,CMG目錄存儲(chǔ)重力數(shù)據(jù),HICARS2存儲(chǔ)航空雷達(dá)數(shù)據(jù),ELSA目錄存儲(chǔ)了除重力和雷達(dá)數(shù)據(jù)外所有ELSA得到的數(shù)據(jù)(包括磁力儀、溫度、光學(xué)照相、激光測(cè)距等),MAG_ZGN為冰蓋機(jī)場(chǎng)磁力儀日變站數(shù)據(jù),MAG_ZHS為中山站磁臺(tái)站數(shù)據(jù)(備用)。

由于 GPS定位數(shù)據(jù)在航空測(cè)量中至為關(guān)鍵,無(wú)論機(jī)載還是地面站都采用雙機(jī)工作模式,其中一臺(tái)作為備份(數(shù)據(jù)備用)。JVD 用于存儲(chǔ)機(jī)載JAVAD得到的4路GPS數(shù)據(jù),PFX用于存儲(chǔ)冰蓋機(jī)場(chǎng)兩個(gè)靜態(tài)參考基站的GPS數(shù)據(jù),ASH用于存儲(chǔ)飛機(jī)上備用GPS的測(cè)量數(shù)據(jù)。在每種方法的子目錄中按航次命名飛行測(cè)線,如F04表示第4次正式飛行測(cè)線,TF03表示測(cè)試飛行03線(用于儀器狀態(tài)測(cè)試和采集參數(shù)試驗(yàn))。GPS數(shù)據(jù)后處理主要面向PFX目錄的靜態(tài)基站數(shù)據(jù)和JVD目錄的飛行測(cè)量數(shù)據(jù)。

2.2 參考站位置坐標(biāo)確定

GT-2A航空重力儀測(cè)量重力值高度依賴于GPS系統(tǒng),除了飛機(jī)上不同部位安裝的4個(gè)GPS天線和 IMB慣導(dǎo)系統(tǒng)測(cè)量飛行姿態(tài),還需要在航測(cè)過(guò)程中同時(shí)開(kāi)啟兩臺(tái)靜態(tài)參考站(reference station)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)。重力數(shù)據(jù)后處理時(shí)需要導(dǎo)入其中一臺(tái)參考站 GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理。GT-2A航空重力數(shù)據(jù)后處理工作前,需要提前獲得參考站的準(zhǔn)確位置坐標(biāo)并輸入到 GT-2A數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中。

獲取參考站準(zhǔn)確位置坐標(biāo)有多種途徑,比較簡(jiǎn)便有效的方法是架設(shè)好兩臺(tái)靜態(tài)參考站后,啟動(dòng)GPS連續(xù)觀測(cè)超過(guò)6 h以上,然后處理GPS數(shù)據(jù)得到參考站準(zhǔn)確位置坐標(biāo)。采用GT-2A數(shù)據(jù)處理軟件推薦的AUSPOS網(wǎng)站在線處理方式處理。AUSPOS是Geoscience Australia提供的免費(fèi)在線GPS數(shù)據(jù)處理網(wǎng)站,AUSPOS基于IGS全球網(wǎng)絡(luò)及其數(shù)據(jù)產(chǎn)品。AUSPOS只處理靜態(tài) GPS數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、采集時(shí)間有限制。用戶只需通過(guò)網(wǎng)頁(yè)提交RINEX文件和聯(lián)系郵箱,不太長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi),處理結(jié)果報(bào)告會(huì)返回用戶指定的郵箱。

選擇 F04和 F09兩個(gè)航次的 ZGN11和ZGN21參考站GPS數(shù)據(jù)提交到AUSPOS網(wǎng)站進(jìn)行坐標(biāo)解算,從表1可看出,F04測(cè)量時(shí)間超過(guò)14 h,F09測(cè)量時(shí)間超過(guò)11 h,都遠(yuǎn)超過(guò)6 h。表1還顯示出AUSPOS用到的南半球15個(gè)衛(wèi)星參考站及其站名,主要分布在南極洲、南大洋和澳大利亞。精密軌道和鐘差信息使用的是IGS事后數(shù)據(jù)(IGS final)。

表2給出的是 ZGN11和 ZGN21參考站用AUSPOS處理得到的精確位置坐標(biāo),精度誤差精確到毫米,經(jīng)緯度誤差最大6 mm,高程誤差稍大,最大在15 mm左右,能夠滿足航空重力測(cè)量參考站的位置坐標(biāo)定位精度要求。

表1 參考站坐標(biāo)解算用到的飛行測(cè)線以及衛(wèi)星參考站信息Table 1.The information of flight lines and reference stations in coordinate calculating for static base stations

表2 AUSPOS解算的參考站坐標(biāo)及其精度誤差Table 2.The coordinates and position uncertainty of base stations calculated by AUSPOS

2.3 GPS后處理軟件對(duì)比與精度評(píng)價(jià)

PPP處理方法和軟件較多,可從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比。

2.3.1 靜態(tài)對(duì)比

針對(duì)ZGN11參考站F04線靜態(tài)數(shù)據(jù)(2015/12/27),嘗試使用澳大利亞 AUSPOS、加拿大 Natural Resources Canada的 Precise Point Positioning(CSRS-PPP)在線處理以及 RTKLIB軟件處理結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

AUSPOS和CSRS-PPP只需要按照規(guī)定的格式上傳GPS待處理數(shù)據(jù)(RINEX格式),很快處理報(bào)告返回到用戶指定的郵箱中,報(bào)告中包含處理結(jié)果點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程坐標(biāo)以及精度誤差估計(jì)。從表3可看出,AUSPOS和Canada PPP在線處理都達(dá)到毫米級(jí)的處理精度,能夠滿足航空地球物理處理精度要求。

表3 ZGN11(F04)不同方法坐標(biāo)解算結(jié)果及其精度誤差Table 3.The comparison of coordinate calculation results and positional uncertainty in ZGN11(F04) among different processing methods

同時(shí)下載安裝日本東京海洋大學(xué)Tomoji Takasu開(kāi)發(fā)的RTKLIB處理系統(tǒng)。處理前查閱F04線的飛行計(jì)劃和工作日志,將工作日期、開(kāi)始/結(jié)束時(shí)間登記在表中,然后利用工具軟件計(jì)算出DOY(年積日)和GPS week(GPS周),然后到IGS、NGS、JPL、CODE、MIT等網(wǎng)站下載對(duì)應(yīng)時(shí)間的星歷和時(shí)鐘產(chǎn)品備用。RTKLIB處理時(shí)輸入項(xiàng)為待處理的GPS數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)的星歷和時(shí)鐘數(shù)據(jù)。RTKLIB數(shù)據(jù)處理選項(xiàng)較多,其中Setting1選項(xiàng)設(shè)置對(duì)處理精度影響較大。

1.Positioning Mode: Single(單點(diǎn) 定 位)、DGPS/DGNSS(差分方式)、PPP Kinematic(PPP 動(dòng)態(tài)測(cè)量)和PPP Static(PPP靜態(tài)測(cè)量)是4種常用的方式。

2.Frequencies/Filter Type: 濾波類(lèi)型可以選擇Forward、Backward以及Combined,實(shí)踐證明Forward和Backward方式在兩端會(huì)需要一段時(shí)間收斂(精度誤差),Combined可大幅提高定位精度。

3.Rec Dynamics/Earth Tides Correction:固體潮改正 OFF 、Solid、Solid/OTL,建議至少選擇Solid,當(dāng)選擇Solid/OTL則需要在Files頁(yè)面中輸入OTL文件(大洋改正)。

4.Elevation Mask: 該設(shè)置用于屏蔽低角度衛(wèi)星。

表3最后一列是RTKLIB采用Combined和5度Elevation Mask的PPP Static處理結(jié)果,可以看出采用合適的處理參數(shù)RTKLIB具有比在線處理更高的精度。

2.3.2 動(dòng)態(tài)對(duì)比

動(dòng)態(tài)測(cè)量選擇飛往冰蓋內(nèi)陸的F04航次作為試驗(yàn)對(duì)象。仍采用RTKLIB軟件進(jìn)行處理。選擇Single(單點(diǎn)定位)和PPP Kinematic進(jìn)行對(duì)比。由于 F04測(cè)線較長(zhǎng),為了清晰對(duì)比細(xì)節(jié)差異,選擇冰蓋機(jī)場(chǎng)附近的小范圍對(duì)航跡進(jìn)行放大顯示。圖3是F04線用偽距、PPP處理的航跡對(duì)比結(jié)果。其中圖3a是整個(gè)飛行測(cè)線輪廓,圖3b、c是冰蓋機(jī)場(chǎng)附近包含一段起降航跡的偽距和 PPP處理結(jié)果對(duì)比圖,從圖中可看出,在20 m間距的網(wǎng)格中,偽距測(cè)量航跡(圖3b)雖然能看出飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的軌跡,但航跡點(diǎn)有明顯的跳躍。而PPP處理結(jié)果(圖3c)則非常光滑連貫。對(duì)停機(jī)坪位置進(jìn)行局部放大(圖3b、c中藍(lán)框)得到圖3d和圖3e,按照網(wǎng)格間距(網(wǎng)格間距 1 m)對(duì)飛機(jī)?？奎c(diǎn)位置作粗略評(píng)估,偽距測(cè)量(圖3d)的誤差至少在6 m以上,飛機(jī)回停機(jī)坪的軌跡跳躍極大,無(wú)法清晰顯示飛機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡,也無(wú)法分辨飛機(jī)起飛和降落后停靠點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。PPP處理結(jié)果(圖3e)則可明顯分辨出降落后與起飛前?？奎c(diǎn)位置的差異,起飛前精度誤差在50 cm以內(nèi),返回停靠后精度誤差＜20 cm,說(shuō)明PPP處理具有較高的精度,能夠滿足航空地球物理探測(cè)的定位要求,而且隨著觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)度的增加,收斂性越來(lái)越好。

2.4 定位數(shù)據(jù)與地球物理數(shù)據(jù)的匹配連接

如2.1節(jié)所述,ICECAP2不同方法數(shù)據(jù)分散在不同的目錄文件中,處理后的GPS精確定位數(shù)據(jù)需要分別和不同的目錄下、分散在多個(gè)文件中的地球物理探測(cè)數(shù)據(jù)連接才能形成有位置信息的地球物理測(cè)量數(shù)據(jù)集。匹配連接的難點(diǎn)在于:(1)ICECAP2的 GPS數(shù)據(jù)和不同物探方法的數(shù)據(jù)分散在不同的目錄中,而且每種方法數(shù)據(jù)的屬性信息(如測(cè)線號(hào)、日期、采集時(shí)間、記錄順序號(hào)、物理測(cè)量值等)分散在多個(gè)數(shù)據(jù)文件中。UTIG約定了非常復(fù)雜的文件格式,有些是文本文件,有些是二進(jìn)制文件,要與GPS點(diǎn)匹配必須同時(shí)打開(kāi)多個(gè)文件讀取信息。(2)雖然UTIG為了處理方便,定義了ct、xds、bxds等一系列標(biāo)準(zhǔn)文件格式,不同方法采樣率差異極大; 而GPS采用統(tǒng)一的0.5 s采樣。后處理工作的最大困難就是如何讓 0.5 s采樣的 GPS數(shù)據(jù)和采樣率差異極大的各種地球物理數(shù)據(jù)匹配連接。

為了解決 GPS數(shù)據(jù)與航空物探測(cè)量數(shù)據(jù)匹配連接的難題,在閱讀大量?jī)x器說(shuō)明文檔的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的極地航空地球物理數(shù)據(jù)后處理接口軟件,用來(lái)解決ICECAP2數(shù)據(jù)后處理工作中GPS數(shù)據(jù)和各種地球物理測(cè)量數(shù)據(jù)連接的問(wèn)題。軟件設(shè)計(jì)思路如下。

1.設(shè)計(jì) GPS文件輸入接口,用以讀取經(jīng)過(guò)PPP處理的GPS數(shù)據(jù)文件。接口支持文本文件或GPS標(biāo)準(zhǔn)格式(如RINEX格式)。

2.設(shè)計(jì)物探數(shù)據(jù)文件輸入接口,能夠同時(shí)打開(kāi)bxds數(shù)據(jù)文件以及ct、xds等配置文件。這一過(guò)程采用智能匹配,通過(guò) UTIG標(biāo)準(zhǔn)約定關(guān)鍵字智能識(shí)別儀器型號(hào)和采集參數(shù)。

3.匹配連接 GPS和物探方法數(shù)據(jù),輸出帶定位信息的地球物理數(shù)據(jù)文件。這一過(guò)程相對(duì)復(fù)雜,針對(duì)不同的物理方法采用不同處理和輸出方法。

航空磁力儀、溫度、激光測(cè)距儀等一個(gè)測(cè)點(diǎn)只有一個(gè)物理數(shù)據(jù)。首先從物理測(cè)點(diǎn)的多個(gè)配置文件中找到測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的采集時(shí)間,然后搜索 GPS數(shù)據(jù)文件,找到與該點(diǎn)時(shí)間最近的 6個(gè)樣點(diǎn),采用插值處理得到物理點(diǎn)對(duì)應(yīng)的經(jīng)緯度坐標(biāo)。最后將測(cè)線號(hào)、測(cè)點(diǎn)順序號(hào)、日期、采集時(shí)間、經(jīng)緯度、高程和物理測(cè)量值等列按測(cè)點(diǎn)順序以文本文件輸出。

圖3 F04線不同方法處理結(jié)果對(duì)比.a) F04線飛行航跡; b)—e)冰蓋機(jī)場(chǎng)附近局部放大航跡(圖b、c分別是偽距和PPP處理的航跡;圖d、e是停機(jī)坪位置放大圖,分別對(duì)應(yīng)圖b和圖c中的藍(lán)框部分)Fig.3.Comparison of processing results in flight line F04.a) flight track of line F04; b)—e) zoom-in track map from Fig.a;b),c) track maps of pseudo-range and PPP respectively; d),e) zoomed map of parking apron,which limited by the blue box in Fig.b and Fig.c

相機(jī)是每個(gè)測(cè)點(diǎn)生成一張照片(圖像文件)。采用磁力儀等設(shè)備得到測(cè)點(diǎn)處的經(jīng)緯度坐標(biāo)。然后將測(cè)線號(hào)、測(cè)點(diǎn)順序號(hào)、日期、采集時(shí)間、經(jīng)緯度、高程、相片圖像文件的路徑及文件名等以文本文件輸出。其中相片路徑及文件名提供一個(gè)地址索引,用于引導(dǎo)相關(guān)軟件直接讀取照片圖像。

與磁力儀、重力儀等一個(gè)測(cè)點(diǎn)只有一個(gè)物理數(shù)據(jù)不同,航空雷達(dá)每一測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)3 439樣點(diǎn)數(shù)據(jù)(從淺到深),雷達(dá)數(shù)據(jù)還需要進(jìn)行濾波、偏移、疊加等處理來(lái)突出有效信號(hào)并壓制干擾以及可視化等。因此采用標(biāo)準(zhǔn)格式輸出有利于導(dǎo)入到其他專業(yè)軟件進(jìn)行進(jìn)一步處理。為此,選擇地震、雷達(dá)軟件常用的SEG Y格式作為航空雷達(dá)數(shù)據(jù)輸出的標(biāo)準(zhǔn)格式。首先從物理測(cè)點(diǎn)(道)的多個(gè)配置文件中將測(cè)線號(hào)、日期等信息寫(xiě)入SEG Y卷頭對(duì)應(yīng)的位置,然后從輸入文件中找到測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的采集時(shí)間,搜索GPS數(shù)據(jù)文件,通過(guò)插值處理得到該道集的經(jīng)緯度坐標(biāo),并寫(xiě)入到對(duì)應(yīng)道頭的坐標(biāo)信息字節(jié)中。再?gòu)睦走_(dá)數(shù)據(jù)文件中復(fù)制該道數(shù)據(jù)(3 439樣點(diǎn)數(shù)據(jù))放在道頭后面。依次重復(fù)寫(xiě)入道頭坐標(biāo)信息、復(fù)制道數(shù)據(jù),直至將所有道都寫(xiě)入到SEG Y文件中。輸出的SEG Y文件包含完整的設(shè)備信息、采集參數(shù)、測(cè)點(diǎn)(記錄道)坐標(biāo)信息以及道數(shù)據(jù),可以使用其他軟件進(jìn)行進(jìn)一步處理和解釋。

3 結(jié)論和討論

GPS數(shù)據(jù)后處理是航空地球物理數(shù)據(jù)后處理過(guò)程中首要和關(guān)鍵性的環(huán)節(jié),直接決定了測(cè)量數(shù)據(jù)的位置精度。ICECAP2是中國(guó)首次開(kāi)展的極區(qū)大范圍航空地球物理科學(xué)考察,機(jī)載設(shè)備眾多,多設(shè)備協(xié)同工作成為后期數(shù)據(jù)處理難點(diǎn)所在。本課題針對(duì)現(xiàn)狀和目標(biāo)需求,通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比評(píng)價(jià)不同GPS數(shù)據(jù)處理方法效果,并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的處理軟件,用以解決GPS數(shù)據(jù)和多種地球物理數(shù)據(jù)的匹配連接問(wèn)題。主要結(jié)論如下。

1.試驗(yàn)結(jié)果表明: 無(wú)論就野外施工還是后期資料處理而言,PPP都是極地航空地球物理GPS數(shù)據(jù)處理最理想的方法。在線處理和軟件處理都能滿足極地航空地球物理測(cè)量的精度要求,用軟件自處理精度更高?？梢愿鶕?jù)需要選擇合適的處理方法或處理軟件。

2.GPS數(shù)據(jù)和地球物理測(cè)量數(shù)據(jù)連接是極地航空地球物理數(shù)據(jù)后處理工作中難度較大且繁瑣的工作,通過(guò)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的處理轉(zhuǎn)換接口軟件,可大大減少工作量。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的輸出接口,擴(kuò)展了數(shù)據(jù)的通用性,便于進(jìn)一步處理和解釋。

由于這是首次處理中國(guó)極地航空地球物理數(shù)據(jù),碰到了很多困難和障礙,只能通過(guò)大量試驗(yàn)摸索經(jīng)驗(yàn),尋找合適的方案和技術(shù)。在試驗(yàn)基礎(chǔ)上,對(duì) ICECAP2項(xiàng)目GPS后處理過(guò)程和方法進(jìn)行總結(jié),GPS數(shù)據(jù)后處理過(guò)程可分為兩個(gè)關(guān)鍵步驟: GPS數(shù)據(jù)的 PPP處理(包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)處理)以及GPS數(shù)據(jù)和地球物理數(shù)據(jù)的匹配連接。PPP處理是得到精確位置坐標(biāo)的基礎(chǔ),GPS數(shù)據(jù)和地球物理數(shù)據(jù)的匹配連接是極地航空地球物理數(shù)據(jù)后處理工作的關(guān)鍵性步驟。

圖4 極地航空地球物理GPS后處理工作流程圖Fig.4.Flow diagram of GPS post processing in polar airborne geophysical expedition

根據(jù)后處理過(guò)程和方法總結(jié)形成初步的工作流程(圖4)。流程圖只是針對(duì)ICECAP2項(xiàng)目所搭載的幾種設(shè)備后處理工作流程和處理方法進(jìn)行概括,列出關(guān)鍵步驟以及所使用的處理方法。未來(lái)根據(jù)工作需要可能會(huì)增加更多的探測(cè)設(shè)備,工作流程也需要不斷地完善和補(bǔ)充,但總體處理思路和框架的搭建,對(duì)后續(xù)工作具有指導(dǎo)意義。

試驗(yàn)前期大量數(shù)據(jù)處理工作都是手工完成,工作量極大。為了提高效率,減小數(shù)據(jù)處理的工作量,迫使我們開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件,并極大地節(jié)省了人力、提高了效率。但目前軟件功能還相對(duì)單一(只針對(duì) GPS數(shù)據(jù)和地球物理數(shù)據(jù)的匹配連接問(wèn)題)。希望在未來(lái)的工作中不斷補(bǔ)充、完善和擴(kuò)展功能,并最終推出集GPS數(shù)據(jù)和多地球物理數(shù)據(jù)處理一體化的平臺(tái),形成多功能、可擴(kuò)充、標(biāo)準(zhǔn)化的中國(guó)極地航空地球物理數(shù)據(jù)處理解決方案。

致謝項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中得到中國(guó)第 32次南極考察隊(duì)全體隊(duì)員,特別是固定翼飛機(jī)作業(yè)隊(duì)張?bào)w軍處長(zhǎng)及全體同仁的支持和幫助,也得到美國(guó)UTIG的Jamin Greenbaum,Laura Lindzey,以及CMG公司的 Helen Tuckett博士的熱心幫助,在此一并表示感謝。

1 Alley R B,Clark P U,Huybrechts P,et al.Ice-sheet and Sea-level Changes[J].Science,2005,310(5747): 456—460.

2 Budd W F,Jacka T H.A review of ice rheology for ice sheet modelling[J].Cold Regions Science and Technology,1989,16(2): 107—144.

3 Plewes L A,Hubbard B.A review of the use of radio-echo sounding in glaciology[J].Progress in Physical Geography,2001,25(2):203—236.

4 Fretwell P,Pritchard H D,Vaughan D G,et al.Bedmap2: improved ice bed,surface and thickness datasets for Antarctica[J].The Cryosphere,2013,7(1): 375—393.

5 Zumberge J F,Heflin M B,Jefferson D C,et al.Precise point positioning for the efficient and robust analysis of GPS data from large networks[J].Journal of Geophysical Research: Solid Earth,1997,102(B3): 5005—5017.

6 李征航,黃勁松.GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理[M].2版.武漢: 武漢大學(xué)出版社,2010.

7 李征航,張小紅.衛(wèi)星導(dǎo)航定位新技術(shù)及高精度數(shù)據(jù)處理方法[M].武漢: 武漢大學(xué)出版社,2009.

8 趙興旺,王勝利,劉超.GNSS精密單點(diǎn)定位理論與方法[M].合肥: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2015.

9 張小紅,劉經(jīng)南,Forsberg R.亞分米級(jí)精度的動(dòng)態(tài)單點(diǎn)定位在航空測(cè)量中的應(yīng)用[C]//中國(guó)全球定位系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用協(xié)會(huì)第八次年會(huì)論文集.北京: 中國(guó)全球定位系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用協(xié)會(huì),2005.

10 張小紅.動(dòng)態(tài)精度單點(diǎn)定位(PPP)的精度分析[J].全球定位系統(tǒng),2006,31(1): 7—11,22.

11 Ge M,Gendt G,Rothacher M,et al.Resolution of GPS carrier-phase ambiguities in Precise Point Positioning(PPP) with daily observations[J].Journal of Geodesy,2008,82(7): 389—399.

12 羅海英,李強(qiáng),于海亮.基于Waypoint8的GPS精密單點(diǎn)定位研究[J].全球定位系統(tǒng),2009,34(3): 21—25.

13 邱中軍,陳景平,房穎,等.精密單點(diǎn)定位及其精度分析[J].測(cè)繪工程,2011,20(6): 35—37.

14 范士杰,劉焱雄,張健.PPP與GAMIT/TRACK在地震監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪科學(xué),2013,38(2): 184—186.

15 張建龍,徐愛(ài)功,張兆南,等.RTKLIB軟件靜態(tài)精密單點(diǎn)定位精度測(cè)試與分析[J].全球定位系統(tǒng),2014,39(1): 37—41.

16 丁慧君,羅端,盧兵.基于RTKLIB的精密單點(diǎn)定位研究[J].城市勘測(cè),2014,(5): 22—25.

17 Héroux P,Kouba J.GPS precise point positioning using IGS orbit products[J].Physics and Chemistry of the Earth,Part A: Solid Earth and Geodesy,2001,26(6—8): 573—578.

18 Gao Y,Chen K Z.Performance analysis of precise point positioning using Rea-time orbit and clock products[J].Journal of Global Positioning Systems,2004,3(1—2): 95—100.

19 Teferle F N,Orliac E J,Bingley R M.An assessment of Bernese GPS software precise point positioning using IGS final products for global site velocities[J].GPS Solutions,2007,11(3): 205—213.

20 Kouba J,Héroux P.Precise point positioning using IGS orbit and clock products[J].GPS Solutions,2001,5(2): 12—28.

21 Bertiger W,Desai S D,Haines B,et al.Single receiver phase ambiguity resolution with GPS data[J].Journal of Geodesy,2010,84(5):327—337.

22 李輝,李建文,朱建華,等.星歷精度對(duì)動(dòng)態(tài)GPS精密單點(diǎn)定位的精度影響分析[J].測(cè)繪科學(xué),2012,37(3): 186—187.

23 APPS.Free online GPS data processing from NASA Jet Propulsion Laboratory[EB/OL].http://apps.gdgps.net/.

24 AUSPOS.Free online GPS data processing from Geoscience Australia[EB/OL].http://www.ga.gov.au/scientific-topics/positioningnavigation/geodesy/auspos.

25 Precise Point Positioning,free online GPS data processing from Natural Resources Canada[EB/OL].(2016-12-13).http://www.nrcan.gc.ca/earth-sciences/geomatics/geodetic-refernce-systems/tools-applications/10925#ppp.

26 OPUS.OPUS: Online Positioning User Service[EB/OL].(2017-10-10).https://www.ngs.noaa.gov/OPUS/.

27 Takasu T,Yasuda A.Evaluation of RTK-GPS Performance with Low-cost Single-frequency GPS Receivers[C]//International Symposium on GPS/GNSS 2008.Tokyo,Japan: Tokyo International Exchange Center,2008.

28 GPSTk web site[EB/OL].(2017-10-04).http://www.gpstk.org/bin/view/Documentation/WebHome.