GPS精密水準(zhǔn)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理優(yōu)化策略

林振通

(深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司,廣東 深圳 518109)

0 引 言

以GPS(全球定位系統(tǒng))為核心的衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)應(yīng)用在中國已經(jīng)有近20a的發(fā)展歷程,正向更高層次、更廣闊領(lǐng)域發(fā)展[1]。目前,GPS在監(jiān)測地殼形變方面具有重要作用,這些形變是由自然力量和人類活動的影響所引起的[2]。有研究人員開展了利用GPS確定地表變形參數(shù)的研究,孫英翔等基于GPS靜態(tài)測量與水準(zhǔn)測量相結(jié)合的方法獲得了一定周期內(nèi)的礦山地表沉降位移數(shù)據(jù)[3]。段成寶等對某煤炭基地采空區(qū)地表變形進行GPS數(shù)據(jù)分析,實現(xiàn)對地表變形量進行有效預(yù)測[4]。一些研究結(jié)果表明,可以用精確的GPS(全球定位系統(tǒng))/GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))測量取代經(jīng)典的水準(zhǔn)測量。然而,這需要最先進的設(shè)備和數(shù)據(jù)處理軟件和算法,且需要消除或大幅減少系統(tǒng)誤差。因此,必須應(yīng)用先進的信號傳播模型來減少電離層和對流層延遲,還需要消除硬件偏差[5-6]。

文章對衛(wèi)星精密水準(zhǔn)中GPS數(shù)據(jù)的優(yōu)化處理策略進行了研究,所有數(shù)值試驗均采用BERNESE 5.0軟件進行處理。研究的重點是優(yōu)化參數(shù)選擇,包括觀測時長、控制網(wǎng)幾何形狀、電離層延遲等。

1 測試數(shù)據(jù)

為了進行分析,選擇了一個20km×60km的礦區(qū)作為試驗區(qū),假設(shè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的距離在510 km范圍內(nèi)。

在2條經(jīng)典水準(zhǔn)線上同時進行了經(jīng)典幾何水準(zhǔn)和衛(wèi)星水準(zhǔn)測量,其中包括19個監(jiān)測點(記作PP和LL)和5個控制點(第一類基準(zhǔn),記作RR)。2個監(jiān)測點(LL01和LL02)用于連接2條水平線。使用了GBAS地基增強系統(tǒng)的幾個參考站的全球定位系統(tǒng)數(shù)據(jù),控制點的正常高度范圍為88.596～178.560m,監(jiān)測點的正常高度范圍為90.725～175.918m。中間基準(zhǔn)允許在GPS天線強制定心的情況下實現(xiàn)衛(wèi)星測量。

在第1條水準(zhǔn)線上,進行了2次8 h的同步觀測,每個點總共要測量16 h。在第2條水準(zhǔn)線上,進行了1次8 h的同步觀測?？刂泣c(RR)觀測5個階段,每次8 h。衛(wèi)星測量在以下假設(shè)條件下進行:GPS接收機:16套,控制點觀測時間:8 h;監(jiān)測點的觀測時間:8 h;控制點觀測次數(shù):5次;監(jiān)測點觀測次數(shù):1次或2次;GPS頻率:L1和L2;GPS測量值:偽距和載波相位;觀測間隔:5 s;截止高度角:0°;點位幾何圖形強度因子PDOP最大值:6;用專用裝置將衛(wèi)星天線強制定心在水準(zhǔn)基準(zhǔn)上。

2 數(shù)值試驗和處理策略

本研究使用BERNESE 5.0軟件處理數(shù)據(jù)。由于垂直地面變形監(jiān)測中最重要的參數(shù)是監(jiān)測點的高度坐標(biāo),因此了解天線參考點的平均相位中心偏移(PCO)和相位中心變化(PCV)至關(guān)重要。此外,天線相位中心的主要誤差源是垂直偏移。用于大地測量的GPS天線在形狀、結(jié)構(gòu)和制造它們的材料方面有很大的不同。因此,需要應(yīng)用精確的天線PCO和PCV校準(zhǔn)。在本研究中,使用了IGS(國際GNSS服務(wù))導(dǎo)出的絕對天線PCV校準(zhǔn),還應(yīng)用了GPS衛(wèi)星天線的IGS PCV模型、IGS最終衛(wèi)星軌道和時鐘、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)以及行星星歷表。

2.1 控制點

在ITRF2008參考系中確定運動周期平均tc=2012.55時的5個控制點坐標(biāo)。選擇了4個EPN參考站——WROC、CLIB、BOR1和GWWL,將測試網(wǎng)絡(luò)連接到ITRF2008。此外,國家全球定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的3個常設(shè)站(GLOG、LEGN和ZARY)也包括在內(nèi),使用ASG-EUPOS站作為額外的高質(zhì)量控制點。

在5個8 h長的時段中對對照點(RR和ASG-EUPOS)進行了觀測,使用以下假定條件進行計算:電離層模型:無電離層線性組合(L3);模糊度分辨率:SIGMA L5和L3;對流層:濕延遲NFM映射模型;高度截止角:10°。

表1給出了獲得的控制點高度坐標(biāo)的平均重復(fù)性。根據(jù)所有觀測獲得的高度的最終調(diào)整,將每個點的重復(fù)性計算為均方根(RMS)?？梢宰⒁獾?ASG-EUPOS站獲得了更好的重復(fù)性,該站的平均高度分量重復(fù)性分別為2.9 mm和4.6 mm,RR點的平均高度分量重復(fù)性為4.6 mm,所有控制點的平均重復(fù)性為4.0mm。

表1 控制點的平均高度重復(fù)性(基于5次8h的處理)

2.2 監(jiān)測點

為了分析處理在監(jiān)測點收集的GPS數(shù)據(jù)得到的高度分量的可實現(xiàn)精度,測試了幾種處理策略和假設(shè)。參數(shù)如下:控制網(wǎng)幾何形狀:“星形”或多邊形;觀測時長:8 h、4 h、2 h;電離層模型:CODE全局模型或無電離層模型;頻率:帶有電離層模型(L1)或無電離層線性組合(L3);對流層:干延遲NFM映射模型;衛(wèi)星截止高度角:5°、10°、15°。

綜上,超過80種策略被測試。然而,文章只介紹了18個選定測試的結(jié)果,以下所有的研究策略均參照:觀測時長:4h;電離層模型:CODE全球電離層模型(L1);對流層建模:濕延遲NFM映射模型;衛(wèi)星截止高度角:5°。

2.2.1 控制網(wǎng)幾何形狀

由于測試網(wǎng)絡(luò)的跨度很大,而且它有兩個目的,一是測量突發(fā)大地構(gòu)造事件區(qū)域內(nèi)選定的幾個監(jiān)測點;二是定期監(jiān)測整個網(wǎng)絡(luò)以進行變形分析。因此我們提出了兩種幾何形狀的控制網(wǎng):(1)“幾何1”:將每個監(jiān)測點分別連接到3個控制點,監(jiān)測點之間沒有任何基線,這是調(diào)查突發(fā)事件影響的情況。(2)“幾何2”:反映了有規(guī)律的水平線與連接相鄰監(jiān)測點的基線,這是對整個網(wǎng)進行定期監(jiān)測的情況。

一方面,“幾何1”中的每一個監(jiān)測點都可以單獨測量,并與參考點直接相連。這樣,一個點的測量誤差就不會傳播到另一個點。另一方面,“幾何2”中處理的基線較短,這可以更好地減少相關(guān)誤差。所有的數(shù)值測試都是針對這兩種情況進行的,得到的結(jié)果不同,這是由于2種情況下的基線長度存在很大差異。

表2展示了獲得的監(jiān)測點的高度分量的可重復(fù)性,這些高度分量是基于2個或4個4h的觀測結(jié)果得出的?？梢宰⒁獾?“幾何1”的平均可重復(fù)性是3.2 mm,而“幾何2”的平均可重復(fù)性略微增加到3.3 mm。

表2 橢球高度分量的可重復(fù)性與參考策略和兩個網(wǎng)絡(luò)幾何形狀 mm

結(jié)果表明,當(dāng)使用“參考”策略處理兩種情況時,會得到相似的結(jié)果,并且也證實了“幾何1”不會降低精度,可以用于整個控制網(wǎng)的定期監(jiān)測情況。其主要優(yōu)點之一是影響一個監(jiān)測點的測量誤差不會傳播到相鄰點。

2.2.2 觀測時長

觀測時間的長短會影響測量的成本,因為在1天中可以進行1次8 h的測量,2次4 h的測量或4次2 h的測量。假設(shè)縮短觀測時間可以使我們同時測量更多的監(jiān)測點,顯然降低成本的同時,也會導(dǎo)致結(jié)果準(zhǔn)確性的降低。

文章在2 h、4 h和8 h使用“參考”策略,其他參數(shù)保持不變。值得注意的是,PP01-PP08點是在8 h的觀測結(jié)果中調(diào)查的,因此,在處理8 h觀測時長的情況下,不可能保證它們的重復(fù)性。不同觀測時長處理得到的監(jiān)測點橢球高的重復(fù)性如表3所示。

表3 不同時段得到的橢球高度分量的重復(fù)性 mm

表3給出的結(jié)果證實了一個假設(shè),即較短的觀測時間導(dǎo)致較不準(zhǔn)確的結(jié)果?！皫缀?”中從8 h獲得的高度分量的平均重復(fù)性達到2.8 mm,而2 h的平均重復(fù)性超過4.5 mm。結(jié)果顯示,在8 h和4 h中,“幾何1”比“幾何2”更有優(yōu)勢。然而,2 h時“幾何2”提供了更好的結(jié)果。這是由于在“幾何1”處理更長的基線需要更長的觀測時間。結(jié)果表明,使用GPS調(diào)平,可以得到優(yōu)于3 mm的精確橢球高度,建議將觀測時間設(shè)為4 h是測量成本和結(jié)果準(zhǔn)確性之間的最佳選擇。

2.2.3 電離層模型

電離層延遲對GNSS觀測有明顯的影響,由于精確定位主要是在相對模式下進行的,因此大大降低了10～20 km以上基線上電離層延遲的影響?！皫缀?”的情況下,其最長基線為10 km。然而,在“幾何1”下處理的基線長度通常超過40 km(最大46 km)。

有電離或無電離層模型獲得的橢球高度分量的重復(fù)性結(jié)果見表4,發(fā)現(xiàn)“幾何1”中電離層模型的應(yīng)用提高了結(jié)果的準(zhǔn)確性。高度分量的重復(fù)性從3.6 mm提高到3.2 mm,這可以用處理較長的基線(46 km)來解釋。與在“幾何2”的較短基線(10 km)相比,這些基線受電離層延遲剩殘差的影響較大。因此,在后者中并無改善。

表4 有電離或無電離層模型獲得的橢球高度分量的重復(fù)性 mm

根據(jù)表4給出的結(jié)果,建議應(yīng)用電離層模型,特別是在“幾何1”的情況下。注意到應(yīng)用CODE電離層模型時,如果出現(xiàn)區(qū)域性電離層擾動,該模型可能不夠。因此,建議盡可能使用區(qū)域或本地的模型。

3 結(jié) 論

本研究分析了基線在50 km以下的精密衛(wèi)星水準(zhǔn)網(wǎng)的處理問題。根據(jù)上述數(shù)值試驗,提出了以下結(jié)論和建議:①處理后的控制網(wǎng)的幾何形狀對結(jié)果影響不大;②無論網(wǎng)絡(luò)幾何形狀如何,可采用通用的數(shù)據(jù)處理策略;③4h的觀測時間允許高度分量的重復(fù)性約為3mm;④建議使用具有電離層模型的單頻數(shù)據(jù)來降低電離層延遲殘差。

所得結(jié)果的精度證實,衛(wèi)星測量可以有效地取代經(jīng)典的幾何精密水準(zhǔn)測量,特別是在不需要正交測量或標(biāo)準(zhǔn)高度系統(tǒng)的高度應(yīng)用中(地面變形研究)。