基于GNSS數(shù)據(jù)處理中基線解算及分析提高基線解算質(zhì)量

王鵬飛 王子燁 楊能榜

（石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院 河北省石家莊市 050043）

1 基線解算介紹

基線的選取和解算過程是解決精度不夠問題的核心步驟，它的選取對保證最終數(shù)據(jù)質(zhì)量和精密度起著至關(guān)重要的作用。在此過程中，無論是衛(wèi)星還是接收機(jī)，它們在信號傳輸過程中還有地面位置偏差方面都可能產(chǎn)生誤差，解算的主要誤差來源主要包含三個：衛(wèi)星的星歷誤差、電離層對傳播過程產(chǎn)生的誤差影響、對流層折射相對誤差。下面講解的基線解算，其步驟大致包括原始數(shù)據(jù)的讀入；外業(yè)數(shù)據(jù)的檢查與改正：基線解算參數(shù)的設(shè)定這三個主要步驟。

2 基線解算模式

（1）基線的向量解算。

完成基線的解算先要對接收機(jī)之間建立起聯(lián)系，完成這個聯(lián)系的建立需要利用兩臺或兩臺以上的接收機(jī)，接收機(jī)通過接收到的衛(wèi)星發(fā)射回的數(shù)據(jù)信息，對收集到的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，處理后的數(shù)據(jù)會形成不同的差分，最后引入?yún)?shù)估計(jì)的數(shù)學(xué)方法，對接收到的數(shù)據(jù)引入算法進(jìn)行解算，以此來解算出接收機(jī)之間X,Y,Z 的坐標(biāo)差，通過建立起坐標(biāo)系統(tǒng)，最終得到我們通過GNSS 測量所想獲取的坐標(biāo)點(diǎn)位置信息，這就是我們通常所說的獲取的地面上的相對坐標(biāo)。如圖1、圖2、圖3 所示。

（2）單基線解算，基線向量估值：

（3）多基線解算。

如圖4 和圖5 所示。

（4）基線向量估值：含有 m - 1 條函數(shù)獨(dú)立的基線向量：

3 GPS基線解算過程中誤差分析

影響基線解算質(zhì)量的主要因素有：

（1）衛(wèi)星在上方的位置不準(zhǔn)確存在偏差；

（2）電離層使得傳播的過程存在延遲，導(dǎo)致了誤差產(chǎn)生，以及對流層延遲可能造成的誤差；

（3）多路徑效應(yīng)和接收機(jī)噪聲。

主要介紹以下幾種常見導(dǎo)致誤差存在的原因：

3.1 衛(wèi)星星歷誤差

衛(wèi)星在太空運(yùn)行中會受到不同作用力的影響，我們稱這種力為攝動力。但由于這攝動力規(guī)律性較差，地面監(jiān)測站對其很難實(shí)現(xiàn)有效的監(jiān)測，對其受到作用力的規(guī)律也難以做出判定分析，導(dǎo)致其對星歷的預(yù)報(bào)存在誤差。

3.2 電離層折射誤差

我們所說的電離層是指在距地表100km 以上1000km 以下的高度，由于太陽的輻射作用，大氣會在電離層中發(fā)生電離，從而產(chǎn)生不同種類的離子，與此相似的是衛(wèi)星和接收機(jī)之間發(fā)射、傳遞的信號，它們在通過電離層時，會發(fā)生相同的情況，導(dǎo)致信號原路徑與傳播速度發(fā)生變化，直接導(dǎo)致信號的傳播產(chǎn)生誤差。

圖1：基線邊長（AB 間距離代表邊長）

圖2：基線的向量表示方式

圖3：具有共同端點(diǎn)同步觀測基線法

圖4：射線法

圖5：（方向：B-O-A-D-C）導(dǎo)線法進(jìn)行解算

3.3 對流層折射誤差

對流層是高度大約為40km 范圍的大氣底層，由于受到地面輻射的影響較大，當(dāng)衛(wèi)星的信號在穿越對流層時會有一定量損失，這是折射現(xiàn)象產(chǎn)生的根本因素，我們對傳播過程中產(chǎn)生的誤差稱為對流層的信號延遲，在信號傳遞過程中傳播路徑會因此改變，導(dǎo)致最終測量結(jié)果產(chǎn)生誤差。

4 提高基線解算質(zhì)量的措施及解決效果分析

（1）為保證好基線質(zhì)量的控制工作，在通過衛(wèi)星和接收機(jī)獲得的最終數(shù)據(jù)剔除率需滿足精度要求，為避免組成的同步環(huán)中存在帶有誤差的基線向量，應(yīng)保證基線中坐標(biāo)分量同步環(huán)閉合差滿足以下條件：

（2）“摘星”的處理（剔除誤差較大的衛(wèi)星）從衛(wèi)星中獲取的數(shù)據(jù)信息來看，所得數(shù)據(jù)質(zhì)量與衛(wèi)星觀測的時間有很大關(guān)系。為解算出衛(wèi)星的觀測參數(shù)，需要保證衛(wèi)星的觀測時長不可以過短，由于觀測時間短的衛(wèi)星，其觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不足，不可將其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)參與基線結(jié)算，最終解算的質(zhì)量無法保證，數(shù)據(jù)不具有參考的意義。同樣道理，在某一觀測時段中，若“周跳”這種現(xiàn)象頻繁的發(fā)生，將會導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法準(zhǔn)確修復(fù)，根據(jù)此情況，可對衛(wèi)星周跳發(fā)生嚴(yán)重的衛(wèi)星進(jìn)行刪除，剔除相應(yīng)衛(wèi)星所測得的數(shù)據(jù)，其中大致包括以下兩種情況：①同一時間段內(nèi)多個衛(wèi)星存在周跳現(xiàn)象，衛(wèi)星群的數(shù)據(jù)信息極不穩(wěn)定；②單個衛(wèi)星在某時間段中頻繁發(fā)生周跳現(xiàn)象，單位時間內(nèi)發(fā)生“周跳”情況嚴(yán)重的衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)給予剔除。

（3）電離層通過改正模型減少誤差。在理想狀態(tài)下，接收機(jī)接收衛(wèi)星信號的路徑是從衛(wèi)星直接到接收機(jī)天線。但這種只是非常理想的狀態(tài)，在真實(shí)的傳播中信號的傳播一定會發(fā)生一些延遲，產(chǎn)生誤差，但這種誤差并不是無法解決，對于電離層對無線電信號的延遲，可通過確定精確的電離層延遲信息(電離層模型)，對于單頻GPS 用戶可以滿足高精度改正電離層延遲影響的需求，便于GPS 用戶進(jìn)一步提高測量精度的要求。

（4）改正模型的引入。當(dāng)兩觀測站間距離較小，在不受地球曲率的影響下，衛(wèi)星信號在電離層中的傳播效果與在對流層中的傳播效果較為相似，我們可以將電離層中信號的傳播近似的認(rèn)為成衛(wèi)星信號在對流層中的傳播。在我們將這種理想狀態(tài)下的情況引進(jìn)改正模型時候，根據(jù)這一項(xiàng)特征可求出衛(wèi)星的同步觀測值之差，通過差值間的比較分析找到誤差的來源和解決方式，能較好削弱對流層折射產(chǎn)生的影響。

（5）案例情況分析：我們采用8 條基線，4 個同步的閉合環(huán)，在不同時間段進(jìn)行多次觀測，采用雙星解算+電離層模型+精密星歷共同組合處理的效果，我們可以得到廣播星歷下解算和精密星歷下解算這兩種解算的結(jié)果，我們不難發(fā)現(xiàn)GPS+電離層模型的效果要優(yōu)于僅用GPS 解算，但是超限同步中有些情況不是可以通過電離層的模型進(jìn)行解決的，當(dāng)我們對數(shù)據(jù)的處理使用雙星來解算時，對所有基線中存在問題的基線可和 同步閉合差的改善有著明顯的效果，因此我們可以認(rèn)為，在雙星解算的基礎(chǔ)上加上電離層模型的解算效果并不明顯，對數(shù)據(jù)的改善并不大。

當(dāng)我們將精密星歷引入解算中時，我們可以發(fā)現(xiàn)其解算處理的結(jié)果與廣播星歷解算的結(jié)果大致相同，這就可以證明出當(dāng)我們引入精密解算星歷，即使對精度的提高并沒有起到很大的改善作用，但是對結(jié)果不會產(chǎn)生不良影響，并且會隨著基線長度增加，對解算結(jié)果產(chǎn)生的影響也更明顯。

5 解決提高質(zhì)量方法的總結(jié)

在測量中，目前我們用到的主要是精確測定基線的長度或水平控制網(wǎng)中的起始邊長的技術(shù)和方法，一般我們所講的基線是指在測量工作中作為起始標(biāo)準(zhǔn)的線段，對于GNSS 基線解算中產(chǎn)生誤差的因素包含很多，首先要對解算的過程進(jìn)行分析，基線向量是GPS控制網(wǎng)的基本單位，GPS 控制網(wǎng)的優(yōu)劣主要依賴基線精度的高低。綜上述內(nèi)容所敘述，大致可采用以下幾種方式來解決基線精度不夠的問題：

（1）通過增加高度截止角（一般默認(rèn)的角度為15 度），可使接收機(jī)接收到質(zhì)量更好的信號，使得衛(wèi)星與地面之間的信息輸送更準(zhǔn)確。

（2）對衛(wèi)星觀測組合方案進(jìn)行調(diào)整，衛(wèi)星群中的“子衛(wèi)星”位于不同的空間坐標(biāo)位置，我們可以對其原有的位置進(jìn)行改變與重新組合，選擇不同的觀測組合方案可提高精度。我們目前所講的GNSS 衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)包含著多個國家的不同系統(tǒng)，因此衛(wèi)星之間的不同組合，不同位置勢必會對觀測數(shù)據(jù)誤差帶來相應(yīng)的影響。因此合理的位置和組合方式對測得數(shù)據(jù)的精度提高具有很強(qiáng)意義。

（3）通過改變衛(wèi)星組合中衛(wèi)星的數(shù)量或重新選定新的參考衛(wèi)星，對不同衛(wèi)星數(shù)量獲取到的數(shù)據(jù)做出分析比較，從而確定出最佳觀測衛(wèi)星的數(shù)。

（4）進(jìn)行“摘星”處理，將參差較大或某時間段內(nèi)發(fā)生“整周跳變”的衛(wèi)星取消使用，參考使用參數(shù)變化小且穩(wěn)定的衛(wèi)星。由于在不同的時間段內(nèi)進(jìn)行觀測，衛(wèi)星隨著位置的移動會對所測得數(shù)據(jù)帶來一定的影響，我們需要綜合考慮不同時間段、不同的觀測位置以及不同型號衛(wèi)星所測得的數(shù)據(jù)差異，進(jìn)行一個“取舍”，使得我們最終使用的衛(wèi)星精度要求最高。

對于平常的基線解散過程中，先對基線產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行系統(tǒng)的分析，一般產(chǎn)生誤差的原因來源于接收機(jī)和衛(wèi)星，因此為了解決問題和提高精度，我們應(yīng)該綜合分析多種可能存在的因素，針對于衛(wèi)星之前所得到的數(shù)據(jù)，再根據(jù)實(shí)際情況采用改變觀測組合，選擇性刪除衛(wèi)星等不同的方法來提高基線的精度；在提高基線的精度后需嚴(yán)格依據(jù)相關(guān)規(guī)范，對基線的質(zhì)量控制進(jìn)行分析，包括數(shù)據(jù)剔除率，同步環(huán)、獨(dú)立環(huán)閉合差等要求，最終得到滿足精度和各項(xiàng)要求的高質(zhì)量高精度基線。