顧及江西CORS網(wǎng)的GPS基線聯(lián)合解算可靠性分析

梅 澤，孫喜文，趙旭坤

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院測(cè)繪與檢測(cè)學(xué)院，陜西 渭南 714099) (2.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院城軌工程學(xué)院，陜西 渭南 714099)

隨著全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)(global positioning system，GPS)的迅猛發(fā)展，部分發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)建立完成并在擴(kuò)充省市級(jí)連續(xù)運(yùn)行參考站(continuously operating reference stations,CORS)網(wǎng)系統(tǒng)[1-2]。CORS系統(tǒng)對(duì)于地震帶的監(jiān)測(cè)具有重要作用，我國(guó)香港、四川、江西、河北等地均不斷完善升級(jí)CORS網(wǎng)的建設(shè)[3-4]，其中四川省建立的CORS網(wǎng)在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先水平，其將多個(gè)單獨(dú)的CORS基準(zhǔn)站連接形成CORS網(wǎng)，并將永久基站作為CORS網(wǎng)的控制點(diǎn)，大大提高了城市測(cè)量的速度與效率[5]。因此，如何高效且保持精度地處理城市中CORS網(wǎng)的GPS測(cè)量數(shù)據(jù)，得到高精度的基線解算成果，已成為城市GPS測(cè)量和相對(duì)定位亟待解決的問(wèn)題。張雙成等[6]的研究表明高精度雙頻GPS短基線適合處理不同型號(hào)混合雙頻(L1、L2)GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，L1、L2_INDENT與L1_ONLY分別適合處理雙頻、單頻的GPS短基線，得到的定位精度較高；楊登科等[7]通過(guò)研究分析了4種常用的高精度GPS基線解算類型，證實(shí)了適用于5 km以下精密基線解算的解算類型；薛慧艷等[8]采用GMAIT軟件證實(shí)了基線解算的好壞直接影響GPS的定位精度與工作效率；而GPS接收機(jī)接收的載波相位觀測(cè)量是GPS高精度測(cè)量的基本觀測(cè)量，其中雙差觀測(cè)消除了接收機(jī)鐘差影響[9-10]。因此，本文選擇基于雙差數(shù)學(xué)模型的GPS基線解算江西CORS網(wǎng)的臺(tái)站坐標(biāo)參數(shù)，并聯(lián)合國(guó)際地球力學(xué)服務(wù)組織(International GNSS Service，IGS)全球連續(xù)運(yùn)行參考站進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，為提高GPS高精度基線解算做數(shù)據(jù)支撐。

1 基于雙差模式的GPS基線解算方法

1.1 雙差數(shù)學(xué)模型

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1.2 GPS基線解算

基于雙差模式的GPS基線解算采用GAMIT批處理方式，在LINUX系統(tǒng)中的2019目錄中鍵入命令[12]sh_setup -yr 2019，在tables文件中進(jìn)行各項(xiàng)運(yùn)算，運(yùn)行運(yùn)算命令sh_upd_stnfo -l sd (2019/tables/)，再執(zhí)行批處理命令sh_gamit -expt scal - d 2019 0X0 0X0 0X0-press ELEV -orbit IGSF -copt x k p -dopts c ao (2019/)，在vslon目錄鍵入如下命令(部分)[13]：

ls../????/glbf/h*glx > scal.gdl；

glred 6 globkl_comb.prt globk_comb.log scal.gdl globk_cmb.cmb；

gred ' POS STAT' globl_cmd.org；

在提取出的數(shù)據(jù)中需要確定均方根殘差(RMS)和保留的臺(tái)站數(shù)量是否達(dá)標(biāo)，批處理的數(shù)據(jù)可提前設(shè)置在P文件中，精度指標(biāo)選擇標(biāo)準(zhǔn)化均方根殘差(NRMS)、基線分量誤差及基線長(zhǎng)度的相對(duì)精度，其運(yùn)行界面如圖1所示。

圖1 批處理運(yùn)行界面圖

2 CORS網(wǎng)IGS站基線聯(lián)合解算可靠性分析

江西省連續(xù)運(yùn)行參考站(JXCORS)于2009年4月投入運(yùn)行后，廣泛應(yīng)用于江西省各項(xiàng)大型工程測(cè)繪生產(chǎn)工作中，極大滿足了各測(cè)繪部門的測(cè)量需求，現(xiàn)江西CORS網(wǎng)正逐漸將更多早期控制點(diǎn)轉(zhuǎn)換成2000國(guó)家大地坐標(biāo)系。

本文選取CORS網(wǎng)中的NCAY、NCCH、NCNJ 3個(gè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，臺(tái)站所設(shè)觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)24 h的TRIMBLE NETR9型接收機(jī)[14]，其采樣間隔為15 s。為獲得高精度的基線解算結(jié)果，需引入具有準(zhǔn)確先驗(yàn)坐標(biāo)的IGS全球站參與聯(lián)合解算。本文選取BJFS、SHAO、URUM站進(jìn)行聯(lián)合解算，聯(lián)合解算的3個(gè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)可從武漢大學(xué)IGS數(shù)據(jù)中心下載，也可從ftp://garner.ucsd.edu/pub/網(wǎng)站獲取[15]，然后對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行基線聯(lián)合解算分析。

2.1 IGS站基線聯(lián)合解算結(jié)果分析

對(duì)IGS站基線聯(lián)合解算結(jié)果進(jìn)行分析時(shí)，采用江西省2019年CORS網(wǎng)的NCAY站、NCCH站、NCNJ站第213天至第215天所采集的數(shù)據(jù)，其中第213天IGS站基線聯(lián)合解算結(jié)果見(jiàn)表1(截取部分?jǐn)?shù)據(jù))。

從表1可知，每條基線各坐標(biāo)分量上的分量中誤差均不超過(guò)1 cm；標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差NRMS值的范圍為0.209～0.210，小于0.30；基線長(zhǎng)度的中誤差取值范圍為3～4 mm，由此可知基線解算的相對(duì)精度完全可以達(dá)到要求。

2.2 IGS站基線平差精度分析

本文利用GLOBK平差對(duì)基線進(jìn)行解算分析，每天的平差結(jié)果保存于gsoln文件目錄下的globk_scal(項(xiàng)目名)_19213(日期)文檔中，則聯(lián)合IGS測(cè)站解算的第213天的平差結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 第213天3個(gè)IGS站的基線解算結(jié)果

表2 IGS站最小約束平差結(jié)果(WGS84坐標(biāo)) 單位：m

BJFS站、SHAO站、URUM站作為已知控制點(diǎn)，三坐標(biāo)中誤差為0，WGS84坐標(biāo)下的三坐標(biāo)中，X坐標(biāo)中誤差最大為2.62 mm，Y坐標(biāo)中誤差最大為2.99 mm，Z坐標(biāo)中誤差最大為2.92 mm，中誤差最大不超過(guò)3 mm，符合精度要求。第213、214、215天的平差解算結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可得CORS網(wǎng)三臺(tái)站的平差坐標(biāo)，添加口令 -pres ELEV，生成天空?qǐng)D和殘差圖，進(jìn)一步分析3個(gè)臺(tái)站天空?qǐng)D，質(zhì)量低的測(cè)站會(huì)出現(xiàn)鋸齒現(xiàn)象，即殘差抖動(dòng)。天空?qǐng)D中光滑的細(xì)線表示衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌跡，鋸齒線表示殘差，中間的粗短條狀線表示刻度(10 mm)，以BJFS站2019年第213天的天空?qǐng)D為例，如圖2所示。

表3 NCAY、NCCH、NCNJ臺(tái)站的平差坐標(biāo) 單位:m

由圖2可知，不同時(shí)間、同一地點(diǎn)的高殘差代表有多路徑效應(yīng)，對(duì)比圖2中0—4 h的天空?qǐng)D與4—8 h的天空?qǐng)D，在某一時(shí)段所有測(cè)站都出現(xiàn)鋸齒狀，說(shuō)明在這個(gè)時(shí)段IGS測(cè)站有多路徑效應(yīng)，對(duì)觀測(cè)效果影響較大，其中SHAO站2019年第213天16—20 h的天空?qǐng)D如圖3所示。

圖2 BJFS站2019年第213天的天空?qǐng)D

圖3 SHAO站2019年第213天的天空?qǐng)D

由圖2、圖3可得，RMS值為9.6 mm，接近10 mm。在天空?qǐng)D中出現(xiàn)的規(guī)整鋸齒形狀較多，說(shuō)明在對(duì)流層和電離層某一個(gè)位置上接收機(jī)受到影響，所采集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤估計(jì)，造成基線的錯(cuò)誤解算。進(jìn)一步對(duì)CORS網(wǎng)中NCNJ站、NCAY站做對(duì)比殘差圖，如圖4(a)、(b)所示。

圖4 NCNJ站與NCAY站殘差圖

由圖4(a)、(b)可知，殘差圖中橫坐標(biāo)為仰角，縱坐標(biāo)為相位殘差，圖中中間的波動(dòng)線型代表平均值，圖中上下兩條曲線代表進(jìn)行相位觀測(cè)值周跳和粗差自動(dòng)修復(fù)(autcln)的衛(wèi)星高度角噪聲。對(duì)比兩圖可得，圖(a)信號(hào)較為穩(wěn)定，其中波動(dòng)曲線整體趨勢(shì)平緩，中間部分可能是受大氣延遲誤差影響；圖(b)的波動(dòng)曲線波動(dòng)較大，說(shuō)明天線相位模型較差，也有可能是station.info中的天線信息錯(cuò)誤，導(dǎo)致接收機(jī)接收到的是錯(cuò)誤信息。殘差圖可為下一次基線運(yùn)算選擇合適的衛(wèi)星高度角，為更好地做GPS基線解算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

3 結(jié)論

本文選取江西CORS網(wǎng)中的3個(gè)GPS臺(tái)站，利用GAMIT軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)批處理，同時(shí)聯(lián)合現(xiàn)有全球GNSS跟蹤站，對(duì)GPS基線聯(lián)合解算進(jìn)行可靠性分析，得出以下結(jié)論：

1)GAMIT批處理結(jié)果滿足高精度的基線解算要求，每條基線的各坐標(biāo)分量上的分量中誤差不超過(guò)1 cm，NRMS值小于0.3 mm，整周模糊度解算小于90%；

2)通過(guò)對(duì)已知控制點(diǎn)的GLOBK平差，能得到較精確的空間坐標(biāo)，CORS網(wǎng)中3個(gè)臺(tái)站的各項(xiàng)坐標(biāo)中誤差最大不超過(guò)3 mm；

3)通過(guò)對(duì)天空?qǐng)D、殘差圖的探討，可知?dú)埐顖D曲線隨著觀測(cè)時(shí)間增加而增長(zhǎng)，觀測(cè)精度隨之越來(lái)越高，其中波動(dòng)曲線波動(dòng)越來(lái)越小，因此在采集數(shù)據(jù)時(shí)觀測(cè)時(shí)間應(yīng)盡量延長(zhǎng)，從而使精度更高。