連續(xù)運(yùn)行參考站選取對GNSS基線處理精度的影響分析

袁曉妍，秦 童，趙友興

(1.自然資源部第二地理信息制圖院，哈爾濱 150081；2.黑龍江第一測繪工程院，哈爾濱 150025；3.黑龍江省地理信息產(chǎn)業(yè)園有限公司，哈爾濱 150025)

GNSS靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)的處理，通常采用的方式是將坐標(biāo)已知點(diǎn)納入到觀測點(diǎn)當(dāng)中，共同進(jìn)行基線解算，再用已知點(diǎn)坐標(biāo)作為起算點(diǎn)進(jìn)行三維約束平差(必要時還需進(jìn)行二維約束平差)。根據(jù)《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》，各級GPS網(wǎng)按觀測方法可采用基于A級點(diǎn)、區(qū)域衛(wèi)星連續(xù)基準(zhǔn)站網(wǎng)、臨時連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)等點(diǎn)觀測模式[1]。隨著連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)技術(shù)的飛速發(fā)展，多個國家已經(jīng)建設(shè)了一定數(shù)量的連續(xù)基準(zhǔn)站。一些發(fā)達(dá)國家已在各自所在地區(qū)建立了各種連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)(參考)站網(wǎng)，具有代表性的包括美國的CORS系統(tǒng)、歐洲的SAPOS系統(tǒng)、日本的COSMOS系統(tǒng)等[2]。衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)可定義為由一定范圍內(nèi)(甚至全球)的若干個(大于3個)GNSS測站(包括連續(xù)運(yùn)行和不連續(xù)運(yùn)行的基準(zhǔn)站)組成[3]。GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)系統(tǒng)可定義為將基準(zhǔn)站網(wǎng)通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，構(gòu)成以提供位置和時間信息為核心的網(wǎng)絡(luò)化綜合服務(wù)系統(tǒng)。我國最近幾年也基本實(shí)現(xiàn)了CORS網(wǎng)絡(luò)的完全覆蓋。由于連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站是全天候不間斷進(jìn)行觀測，任意未知點(diǎn)在任何觀測時段都可以與它們構(gòu)成結(jié)構(gòu)良好的同步觀測環(huán)，進(jìn)而可以精密地知道未知點(diǎn)的坐標(biāo)，作業(yè)效率高于傳統(tǒng)的同步環(huán)滾動模式[4]。因此在GNSS靜態(tài)觀測和數(shù)據(jù)處理中，基于衛(wèi)星連續(xù)基準(zhǔn)站網(wǎng)的方法得到越來越廣泛的應(yīng)用。

在一些GNSS基線處理的實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)，坐標(biāo)已知的連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站的選取規(guī)則不同，基線處理結(jié)果也不盡相同。隨著基準(zhǔn)站間隔、構(gòu)成的網(wǎng)型發(fā)生變化，基線處理和平差所獲得的數(shù)據(jù)成果也會有一定的區(qū)別。在實(shí)際的GNSS基線處理中經(jīng)常需要通過多次不同處理方式進(jìn)行對比，選取精度和可靠性較好的處理結(jié)果，增加了基線處理中的工作量和不確定性。

隨著國家級連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站、各省級連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站的大量建設(shè)并投入使用，已經(jīng)在實(shí)際測量工作和相關(guān)試驗(yàn)中證實(shí)了在中國大陸范圍內(nèi)，使用連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站作為GNSS基線處理的基準(zhǔn)時，其處理質(zhì)量要優(yōu)于選用IGS站的情況。其主要原因是IGS站構(gòu)成的基線長度較長，且IGS站和觀測站可能不在同一塊體，坐標(biāo)精度和基線精度都因此受到影響[5]。但在同省、同地市范圍內(nèi)的基線處理中，連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站的選取方式暫無明確的方法指導(dǎo)。文中通過對已有GNSS靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對照試驗(yàn)，分析基準(zhǔn)站網(wǎng)型、基準(zhǔn)站間隔距離對靜態(tài)數(shù)據(jù)處理結(jié)果的精度影響情況。

1 理論方法和試驗(yàn)思路

GNSS基線處理的原理是用已知的基準(zhǔn)站作為起算點(diǎn)，將起算點(diǎn)作為已知量。通過基線坐標(biāo)的向量差獲得觀測點(diǎn)的坐標(biāo)[6]。將基線在GNSS相對定位中的兩個端點(diǎn)設(shè)為A1和A2，在空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分量記為X1和X2。A1作為起始點(diǎn)時，基線向量分量為ΔX12。當(dāng)采用雙差方程進(jìn)行基線解算時，如式(1)所示。

(1)

若觀測站的近似坐標(biāo)向量為Xi0，其變化量為δXi，則：

(2)

(3)

且同步觀測衛(wèi)星個數(shù)為n，則有：

(4)

δX12=δX2-δX1=QδX1.

(5)

GNSS數(shù)據(jù)解算觀測量為雙差觀測量，要求基準(zhǔn)站和未知點(diǎn)有較多的共視衛(wèi)星，以構(gòu)成較多的雙差觀測量。因此位置點(diǎn)最好位于基準(zhǔn)站構(gòu)成的多邊圖形之中[8]。通過實(shí)際數(shù)據(jù)解算的變量控制，可以對基準(zhǔn)站網(wǎng)網(wǎng)型、基準(zhǔn)站間隔在成果精度上的影響情況加以分析。

2 數(shù)據(jù)處理和精度分析

本次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)選取自兩個測區(qū)。其一位于哈爾濱市東部、牡丹江市西部地區(qū)，共有J068、J080、J081計(jì)3座觀測站，測區(qū)的連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站分布較為均勻；其二位于大興安嶺地區(qū)呼瑪縣，共有BM03、BM04兩座觀測站，測區(qū)位于邊境附近，周邊連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站的分布有明顯的方向性。兩測區(qū)的所有試驗(yàn)都保證觀測站位于基準(zhǔn)站構(gòu)成的多邊形范圍內(nèi)。觀測可用的連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站原始數(shù)據(jù)均來自相同型號的南方接收機(jī)。觀測點(diǎn)位環(huán)境較為空曠，附近無明顯遮擋物。連續(xù)觀測時長均達(dá)到90 min以上，數(shù)據(jù)的采樣間隔為5 s。兩個測區(qū)的控制點(diǎn)分布情況如圖1、圖2所示。

圖1 控制點(diǎn)分布圖(1)

圖2 控制點(diǎn)分布圖(2)

在基線處理前，對所有原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查，以檢測周圍物體反射而造成多路徑效應(yīng)的干擾程度[9]，結(jié)果如表1所示。

表1 點(diǎn)位的站名、有效率和多路徑效應(yīng)

質(zhì)量檢查結(jié)果顯示，各點(diǎn)數(shù)據(jù)有效率均高于85%，多路徑效應(yīng)MP1和MP2均小于0.5，滿足基線處理的要求。

下載觀測當(dāng)天的IGS精密星歷。精密星歷可在“武漢大學(xué)IGS中心”網(wǎng)站進(jìn)行下載。為了避免不同衛(wèi)星系統(tǒng)的廣播星歷文件由于精度不同對基線處理結(jié)果產(chǎn)生影響，在本次試驗(yàn)中一律采用統(tǒng)一的IGS精密星歷文件[10]。

準(zhǔn)備連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)和坐標(biāo)數(shù)據(jù)，本次試驗(yàn)選取HLJCORS在哈爾濱市的基準(zhǔn)站4座、牡丹江市的基準(zhǔn)站兩座、大興安嶺地區(qū)的基準(zhǔn)站5座?；鶞?zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)和坐標(biāo)由黑龍江省衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)中心提供。數(shù)據(jù)采樣間隔為30 s。在試驗(yàn)完成后將其刪除銷毀。

用Trimble Business Center(TBC)軟件進(jìn)行本次試驗(yàn)的基線處理，并用COSAGPS進(jìn)行平差計(jì)算。在基線處理前需把所有的外業(yè)觀測數(shù)據(jù)和精密星歷文件一并導(dǎo)入TBC軟件中，為了防止天線高量測方式不統(tǒng)一對基線處理結(jié)果帶來干擾，將天線高統(tǒng)一改為相位中心高，隨后進(jìn)行首次基線處理；在首次處理結(jié)束后，使用TBC軟件自帶的時段編輯功能，通過編輯時段、刪除衛(wèi)星等方式對之前解算中無法固定的基線進(jìn)行處理，使其固定；始終無法固定的基線則予以刪除，保證整體的基線解算結(jié)果處于較為理想的精度和可靠性[11]。在完成以上編輯后，清除所有處理結(jié)果重新進(jìn)行基線處理，直到基線處理結(jié)果符合要求。試驗(yàn)的基準(zhǔn)站選取見表2。

表2 各組試驗(yàn)的基準(zhǔn)站

在完成基線處理之后進(jìn)行三維約束平差，對比各組試驗(yàn)的精度情況，第一測區(qū)的對比結(jié)果見表3。通過對平差結(jié)果的檢查，3種處理方式的最弱點(diǎn)一致，均為J081。因此可以通過對比最弱點(diǎn)的精度情況來比較精度，最弱點(diǎn)精度情況見表4。

表3 各組的平差結(jié)果質(zhì)量對比(測區(qū)1)

表4 最弱點(diǎn)精度對比(測區(qū)1) cm

從第一測區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，隨著選用的基準(zhǔn)站數(shù)量增加，GNSS基線處理的質(zhì)量可以得到一定程度的提升。但實(shí)際的生產(chǎn)任務(wù)中，可能會出現(xiàn)邊境地區(qū)的測量，或者部分地區(qū)連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站出現(xiàn)故障等情況，從而導(dǎo)致基準(zhǔn)站的分布并不均勻。為了讓試驗(yàn)更加全面，需要進(jìn)一步驗(yàn)證當(dāng)測區(qū)周圍基準(zhǔn)站分布均勻程度一般時，增加基準(zhǔn)站是否會對GNSS基線處理帶來干擾，因此需要第二測區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對照。數(shù)據(jù)處理的方法大致和第一測區(qū)相同，對比結(jié)果如表5所示。

表5 各組的平差結(jié)果質(zhì)量對比(測區(qū)2)

通過對平差結(jié)果的檢查，3種處理方式的最弱點(diǎn)一致，均為BM04。因此可以通過對比最弱點(diǎn)的精度情況來比較精度，最弱點(diǎn)精度情況見表6。

表6 最弱點(diǎn)精度對比(測區(qū)2) cm

從第二測區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，當(dāng)增加一座基準(zhǔn)站時，GNSS基線處理的精度不及原方法；當(dāng)減少基準(zhǔn)站的數(shù)量時，精度和原方法較為接近。

經(jīng)檢驗(yàn)，各組試驗(yàn)的重復(fù)基線差和異步環(huán)閉合差符合《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》要求，絕對指標(biāo)具有一定可靠性[12]。

需要注意的是，隨著基準(zhǔn)站數(shù)量的增加，參與數(shù)據(jù)處理的基線數(shù)也會成倍增長，可能會出現(xiàn)更多閉合差超限的同步觀測環(huán)，在處理基線的時候須注意加強(qiáng)精化處理[13]，將相關(guān)基線進(jìn)行時段、衛(wèi)星編輯或考慮剔除。在最新的3.02版本Rinex數(shù)據(jù)格式中還加入了北斗衛(wèi)星的星歷[14]，因此增加基準(zhǔn)站后，若基線向量內(nèi)部可靠性明顯影響，建議在原方法選取的基準(zhǔn)站基礎(chǔ)上，增加選用的衛(wèi)星系統(tǒng)(例如GLONASS、北斗等)，兩種方法進(jìn)行對照，以提高可用性、正確性以及可靠性[15]。

3 結(jié)束語

試驗(yàn)結(jié)果表明，在利用連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站作為起算點(diǎn)進(jìn)行GNSS基線處理時，當(dāng)周圍的基準(zhǔn)站分布較為均勻，且構(gòu)成的多邊形能完全包圍觀測站時，通過增加連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站數(shù)量的方法，能夠顯著提高解算、平差后所得的坐標(biāo)精度。從邊精度、點(diǎn)精度、基線向量殘差等方面，選用較多基準(zhǔn)站來進(jìn)行基線處理時，都具備一定的優(yōu)勢。但當(dāng)測區(qū)周圍的基準(zhǔn)站分布有明顯的傾向性，或觀測站靠近基準(zhǔn)站所構(gòu)成的多邊形邊緣時，由于會增加一些較長的基線、基準(zhǔn)站和觀測點(diǎn)成網(wǎng)的點(diǎn)位間隔不均勻等原因，可能會對基線向量內(nèi)部可靠性造成影響，從而使基線處理結(jié)果不夠理想。因此在通過連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)處理靜態(tài)GNSS觀測數(shù)據(jù)時，要盡可能保證基準(zhǔn)站和觀測點(diǎn)成網(wǎng)的相對均勻，避免對數(shù)據(jù)處理造成干擾。