不同解算策略下的GNSS區(qū)域網(wǎng)平差分析

王 健，劉宗強，朱亞兵

(1.山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島 266590；2.中國測繪科學研究院，北京 100830；3.廣東省國土資源測繪院，廣州 510500)

0 引言

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)測量數(shù)據(jù)的處理是GNSS定位技術的一個重要內容[1-2]。在數(shù)據(jù)處理過程中方法的選擇和優(yōu)化對GNSS測量結果影響很大。為了使區(qū)域建立的參考框架與國際地球參考框架更加接近，充分利用國際GNSS服務(International GNSS Service，IGS)觀測數(shù)據(jù)無疑是最佳途徑[3-4]。國內一些專家學者也對此進行了研究。文獻[5]通過對南極中山站GNSS數(shù)據(jù)進行處理，認為為得到國際地球參考框架下精確的坐標，在計算時應加入5個均勻分布在未知點附近的IGS站，其中距離未知點較近的點為必須點且所選點應均在南半球。文獻[6]通過聯(lián)合解算25個分布均勻的中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡基準站和國內及周邊12個IGS站，得出結論：當在X、Y及Z3個方向上約束1 cm時，平差精度較好；單天解平差的均方差能夠達到毫米級，而周解的均方差能達到亞毫米級且周解平差精度高。

本文通過利用陸態(tài)網(wǎng)中新疆地區(qū)GNSS連續(xù)觀測站以及全球IGS觀測站的資料，使用GAMIT解算獲取單日解，并采取不同平差策略對使用GLOBK獲取的定位結果進行分析研究，重點討論IGS站的加入對GNSS網(wǎng)平差的影響。

1 GNSS觀測網(wǎng)資料概況

“中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡”(簡稱“陸態(tài)網(wǎng)”)是我國在“十一五”建設期間成立的國家重大科技基礎建設設施，其中由基準網(wǎng)、區(qū)域網(wǎng)、數(shù)據(jù)系統(tǒng)3類組成。陸態(tài)網(wǎng)共包括260多個連續(xù)觀測站和2 000多個不定期觀測站，該網(wǎng)旨在以全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)等多種現(xiàn)代空間對地觀測技術為主，結合傳統(tǒng)的地面大地測量觀測手段，對中國大陸及其鄰區(qū)巖石圈地殼運動和重力場變化、近地空間圈水汽含量變化和電離層電子密度變化等多圈層、多類型構造環(huán)境因素進行綜合監(jiān)測，以服務于地址預防為主，兼顧軍事測繪、大地測量、天氣預報和科學研究等多領域應用[7-8]。陸態(tài)網(wǎng)的網(wǎng)形較大，本次實驗選取其中數(shù)據(jù)采樣頻率為30 s的28個新疆地區(qū)的連續(xù)觀測站1個月的數(shù)據(jù)，使得該實驗的可靠性和嚴謹性得到保證。新疆地區(qū)連續(xù)觀測站的分布如圖1所示。

2 GAMIT基線解算方案

數(shù)據(jù)處理是研究GNSS領域的一項重要內容，數(shù)據(jù)處理的質量與許多因素息息相關；因此選用優(yōu)秀的GNSS處理軟件顯得至關重要。由美國麻省理工學院和美國SCRIPPS海洋研究所共同開發(fā)的高精度定位和定軌軟件—GAMIT，在處理靜態(tài)定位GNSS數(shù)據(jù)時具有處理結果準確、版本更新周期短、運算速度快、在精度許可范圍內自動化處理程度高等優(yōu)點；因此受到廣大學者的喜愛，在國內應用非常廣泛[9]。本文使用GAMIT10.50獲得了陸態(tài)網(wǎng)新疆地區(qū)28個觀測站和中國大陸地區(qū)及周圍17個IGS站的區(qū)域單日松弛解。其中部分參數(shù)設置如表1所示。

表1 部分參數(shù)設置

3 GAMIT計算結果檢驗與評價

本次實驗采用的是陸態(tài)網(wǎng)新疆地區(qū)分布均勻的28個連續(xù)觀測站在2015-01-01—2015-01-30連續(xù)30 d的觀測數(shù)據(jù)，GAMIT基線解算詳細步驟可參考文獻[10]。在實驗之前，所有數(shù)據(jù)均使用TEQC軟件進行了預處理和質量檢查，最后顯示此次數(shù)據(jù)質量良好。

GAMIT基線處理結果有3個檢驗和評價指標：1)所有測站點是否都參與解算；2)各測站的單天解是否使用了足夠多的測量數(shù)據(jù)；3)測量數(shù)據(jù)的擬合模型是否達到了噪聲水平，這與標準化均方根差(normalized root mean square，NRMS)值有直接關系。NRMS表示單時段解算出的基線值偏離其加權平均值的程度為

(1)

式中：n為單時段數(shù)；Yi為單時段基線分量NS、EW、高程向及基線長估計值；Y為各時段解基線分量或邊長的加權平均值；σi為各分量的中誤差。

如果NRMS值大于0.5，那么此次結算結果是有問題的(原因可能是周跳沒有修復、測站的起算點坐標不正確等等)；如果NRMS值小于0.5，則此次解算成功。一般認為NRMS值越小越好，若小于0.25則視為處理效果較好。此次使用GAMIT基線處理的平均NRMS值均在0.180左右，則基線解算的結果均符合要求。單日解NRMS值如圖2所示。

4 GLOBK解算方案比較分析

4.1 GLOBK平差計算方案

GLOBK(Global Kalman filter VLBI and GNSS analysis program)為采用卡爾曼濾波技術進行網(wǎng)平差的軟件，利用前期處理得到的松弛解向量和協(xié)方差陣對多期觀測數(shù)據(jù)進行綜合平差，融合出測站的精確坐標、變化速率及軌道參數(shù)等[11-12]。本次實驗使用GLOBK軟件進行網(wǎng)平差的具體步驟可參考文獻[13]。對于最后得到的H文件，采取GLOBK軟件進行網(wǎng)平差計算；并采取ITRF2008作為參考框架，依據(jù)采用IGS站的H文件的選取不同分成以下3個方案：

方案1：只采用本次計算得到的30 d H文件，平差時不加入IGS站進行約束；

方案2：只采用本次計算得到的30 d H文件，平差時加入中國及周邊17個IGS站進行約束；

方案3：采用本次計算得到的30 d H文件以及斯克里普斯軌道和常駐陣列中心(Scripps Orbit and Permanent Array Center，SOPAC)提供的全球解H文件，平差時加入中國及周邊17個IGS站進行約束。

4.2 GLOBK平差結果比較分析

完成3種方案的GLOBK平差之后，可以得到陸態(tài)網(wǎng)新疆地區(qū)28個連續(xù)觀測站坐標和速度的精度，下面從這2方面進行研究分析。

4.2.1 測站坐標分析

由于測站較多，限于篇幅，表中只列出10個測站的坐標精度。具體結果見表2～表4。

表2 E方向坐標解算結果

表3 N方向坐標解算結果

表4 U方向坐標解算結果

為了使解算結果更加直觀，圖3、圖4和圖5分別給出每個測站在E、N、U方向上的精度折線圖。其中折線圖橫坐標1～28分別表示陸態(tài)網(wǎng)新疆地區(qū)連續(xù)觀測站XJJJ、XJQH、XJML、XJSS、XJFY、XJRQ、XJAL、XJBE、XJWL、XJKE、XJSH、XJQM、XJKL、XJDS、XJBY、XJTZ、XJXY、XJKC、XJTC、XJYT、XJYN、XJWQ、XJZS、XJHT、XJBC、XJYC、XJWU、XJBL，下同。

由圖可以看出：測站基于方案1在E、N、U方向上的精度大約為2.38、2.26、3.44 mm；隨著17個IGS站的加入，測站在E、N、U方向上的精度提升至0.66、0.70、2.34 mm；當使用全球H文件一起平差時，相比之下測站在E、N、U方向上的精度最高，大約為0.39、0.41、1.31 mm。對于3個方案，E、N方向上的精度結果相差不大且比U方向上高出很多，原因可能是加入的IGS站在南北和東西方向上分布比較均勻。各測站在E、N、U方向上：方案2比方案1精度有了明顯提升，分別提高了72.27 %、68.72 %、31.98 %左右；方案3比方案2精度又有了提升，分別提高了41.79 %、42.25 %、44.02 %左右；方案3比方案1精度提高了83.61 %、81.94 %、61.92 %左右。所以方案1的解算精度最差，方案2次之，方案3精度最高。

由此可以看出在使用GLOBK軟件進行陸態(tài)網(wǎng)新疆地區(qū)網(wǎng)平差時，加入中國及周邊的17個IGS站進行約束就能大幅度提高坐標精度；當聯(lián)合SOPAC提供的全球解H文件一起平差時，坐標精度最高、結果最好。

4.2.2 測站速度分析

同樣，限于篇幅，表5～表7只列出了10個測站在E、N、U方向上的速度解算結果。

表5 E方向速度解算結果

表6 N方向速度解算結果

表7 U方向速度解算結果

圖6～圖8直觀反映出3個方案分別在E、N、U方向上的速度解算精度。不難看出，各測站在E、N、U方向上，3個方案的速度精度均比坐標精度要低。而且3個方案在E、N方向上的精度比U方向上高出很多。3個方案在E方向上的精度為18.07、13.14、12.73 毫米·年-1；在N方向上的精度為18.97、14.12、13.85 毫米·年-1；在U方向上的精度為52.04、49.84、47.89 毫米·年-1。所以在3個方向上：方案2比方案1精度有了明顯提升，分別提高了26.35 %、29.82 %、4.04 %

左右；方案3比方案2精度又有了提升，分別提高了11.23 %、9.95 %、4.10 %左右；方案3比方案1精度提高了34.62 %、34.80 %、7.97 %左右。因此在進行陸態(tài)網(wǎng)新疆地區(qū)GLOBK平差時，加入中國及周邊的17個IGS站進行約束就能大幅度提高測站速度精度；當聯(lián)合SOPAC提供的全球解H文件一起平差時，精度最高。

5 結束語

本文依據(jù)IGS站的選取不同對比分析了GLOBK平差時3種解算方案的測站坐標和速度精度結果，得到以下結論：

1)測站在E、N方向上的坐標精度結果相差不大，且都比U方向上坐標精度高出很多；

2)測站的速度精度均比坐標精度要低；

3)在本文的GAMIT/GLOBK參數(shù)設置下，進行陸態(tài)網(wǎng)新疆地區(qū)網(wǎng)平差時，加入中國及周邊的17個IGS站進行約束就能大幅度提高測站坐標和速度的精度，當聯(lián)合SOPAC提供的全球解H文件一起平差時得到的測站坐標和速度的精度最高且明顯提升。

當然，在進行GAMIT基線解算和GLOBK平差時，參數(shù)設置的不同得到的結果也有一定的差異；該實驗得到的結論只在一定情況下適用。IGS站點的選取對連續(xù)觀測數(shù)據(jù)網(wǎng)平差具有很重要的意義，今后仍需不斷研究，進一步完善方案。

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