魏 峰，張 健，彭 偉

（長江三峽勘測研究院有限公司（武漢），湖北 武漢 430074）

1 基線向量解算簡介

基線向量解算（baseline vector solution）是指在衛(wèi)星定位中，利用載波相位觀測值或其差分觀測值，求解兩個同步觀測的測站之間的基線向量坐標(biāo)差的過程，是GPS網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)處理過程的重要環(huán)節(jié)?；€解算質(zhì)量的好壞直接影響到整個控制網(wǎng)的精度。Trimble Business Center（TBC）是美國Trimble公司推出的一整套測繪內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件，是專為管理、分析、處理外業(yè)測繪數(shù)據(jù)而設(shè)計，支持導(dǎo)入多種數(shù)據(jù)格式，可以導(dǎo)自動識別GNSS文件格式，直接從接收機(jī)或手簿快速導(dǎo)入文件，也可以導(dǎo)入非標(biāo)準(zhǔn)格式的ASCII格式數(shù)據(jù)。TBC集成了功能強(qiáng)大的可視工具和建模工具，可以利用多種視圖全面反映數(shù)據(jù)信息，具有高效基線處理和網(wǎng)平差的能力。

2 基于TBC軟件的基線解算步驟

TBC軟件基線解算的流程如圖1所示。

2.1 新建工程及工程設(shè)置

（1）新建工程，在工程設(shè)置中進(jìn)行工程所在地區(qū)的坐標(biāo)系統(tǒng)和投影帶、大地水準(zhǔn)模型、單位、基線處理－質(zhì)量精度的限差以及衛(wèi)星及高度角的設(shè)定。設(shè)置頁面如圖2所示。

（2）工程設(shè)定完成后，導(dǎo)入GNSS靜態(tài)外業(yè)觀測數(shù)。可選擇導(dǎo)入天寶DAT格式數(shù)據(jù)和接收機(jī)內(nèi)的T1、T2文件，也可以導(dǎo)入其他品牌接收機(jī)生成的RINEX文件。

選擇文件＞導(dǎo)入，找到并選擇要導(dǎo)入的數(shù)據(jù)文件。導(dǎo)入數(shù)據(jù)后，程序自動打開“接收機(jī)原始數(shù)據(jù)檢查”對話框，可對照外業(yè)記錄檢查點名稱、天線類型、量高方法和天線高度等，確認(rèn)信息是否正確，必要時進(jìn)行編輯更改，檢查無誤后確定導(dǎo)入。成功導(dǎo)入GNSS靜態(tài)數(shù)據(jù)后的程序界面如圖3所示。

2.2 基線解算

圖1 TBC軟件基線解算的流程

圖2 工程設(shè)置

處理基線之前，需對基線的數(shù)據(jù)間隔時間進(jìn)行設(shè)定。設(shè)定的間隔時間越短，需處理的數(shù)據(jù)越多，處理時間越長，精度越高。如果選擇的間隔時間比外業(yè)數(shù)據(jù)采集間隔時間短，則使用外業(yè)數(shù)據(jù)采集間隔時間。提供時段數(shù)據(jù)的衛(wèi)星包括時間界限上的黑線和灰線。黑線表示在基線第一個點采集的數(shù)據(jù)，灰線表示在基線第二個點采集的數(shù)據(jù)。

選擇測量＞基線處理，基線處理對話框中顯示基線處理進(jìn)度，處理完成后表格列出處理的所有基線，并自動勾選滿足精度限差的基線。選中任一條基線，可以查看基線處理的詳細(xì)報告。確定處理的基線滿足精度要求，保存處理結(jié)果。

圖3 數(shù)據(jù)導(dǎo)入完成

若處理基線對話框顯示基線錯誤標(biāo)志，則應(yīng)對測量數(shù)據(jù)中天線類型、天線高度和點名稱進(jìn)行檢查。檢查無錯誤后，對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波檢驗，剔除觀測值中的粗差，刪除無用觀測值。用時段編輯器對所選時段采集的衛(wèi)星數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行檢查，選擇所需編輯的基線，右鍵選擇“時段編輯器”，選定衛(wèi)星編號可以決定是否禁用該顆衛(wèi)星的時段觀測值，左鍵框選時段數(shù)據(jù)中不連續(xù)的觀測值，可以進(jìn)行局部刪除（圖4）。

如果某衛(wèi)星在所有基線測量中的觀測質(zhì)量均較差，需在所有基線中禁用此衛(wèi)星，可在工程設(shè)置中，選擇基線處理＞衛(wèi)星，取消要禁用的衛(wèi)星對應(yīng)的復(fù)選框。

圖4 時段編輯器

編輯完成后，關(guān)閉時段編輯器，重新處理基線，完成GNSS基線的處理。

3 基線質(zhì)量的檢驗

解算后的基線結(jié)果并不能馬上用于后續(xù)的處理，還必須對基線的質(zhì)量進(jìn)行檢驗，只有質(zhì)量合格的基線才能用于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。如果不合格，則需要對基線進(jìn)行重新解算或重新測量。基線的質(zhì)量檢驗需要通過RATIO、RMS、同步環(huán)閉和差、異步環(huán)閉和差和重復(fù)基線較差來進(jìn)行。

3.1 觀測值的均方根誤差RMS

觀測值均方根誤差（Root Mean Square），反映了觀測值與參數(shù)估值間的符合程度，與觀測條件（觀測期間衛(wèi)星分布圖形）好壞無關(guān)，在一定程度地反映了觀測值質(zhì)量的優(yōu)劣，一般認(rèn)為RMS越小，觀測值質(zhì)量越好。

式中：V為觀測值的殘差；n為觀測值的總數(shù)。

3.2 RATIO

RATIO值為在采用搜索算法確定整周未知數(shù)參數(shù)的整數(shù)值時，產(chǎn)生次最小的單位權(quán)方差與最小的單位權(quán)方差的比值，反映了所確定出的整周未知數(shù)參數(shù)的可靠性，該值總大于等于1，值越大，可靠性越高。這一指標(biāo)取決于多種因素，既與觀測值的質(zhì)量有關(guān)，也與觀測條件的好壞有關(guān)：

3.3 數(shù)據(jù)刪除率

在基線解算時，如果觀測值的改正數(shù)大于某一個閾值時，則認(rèn)為該觀測值含有粗差，需要將其刪除。被刪除觀測值的數(shù)量與觀測值的總數(shù)的比值，就是所謂的數(shù)據(jù)刪除率。數(shù)據(jù)刪除率從某一方面反映出了GPS原始觀測值的質(zhì)量。數(shù)據(jù)刪除率越高，說明觀測值的質(zhì)量越差。《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》（GB／T 18314－2009）規(guī)定：同一時段觀測值的數(shù)據(jù)剔除率不宜大于10%。

3.4 同步環(huán)閉合差

三邊同步環(huán)中只有兩個同步邊成果可以視為獨立的成果，第三邊成果就為其余兩邊的代數(shù)和。由于模型誤差和處理軟件的內(nèi)在缺陷，第三邊處理結(jié)果與前兩邊的代數(shù)和常不為零。對于四站以上同步觀測時段，在處理完各邊觀測值后，應(yīng)檢查一切可能的三邊閉合差。如果同步環(huán)閉合差超限，則說明組成同步環(huán)的基線中至少存在一條基線向量是錯誤的，但反過來，如果同步環(huán)閉合差沒有超限，還不能說明組成同步環(huán)的所有基線在質(zhì)量上均合格：

3.5 異步環(huán)閉合差

由獨立觀測的基線所組成的閉合環(huán)稱為異步環(huán)，異步環(huán)的閉合差稱為異步環(huán)閉合差。當(dāng)異步環(huán)閉合差滿足限差要求時，則表明組成異步環(huán)的基線向量的質(zhì)量是合格的；當(dāng)異步環(huán)閉合差不滿足限差要求時，則表明組成異步環(huán)的基線向量中至少有一條基線向量的質(zhì)量不合格。要確定出哪些基線向量的質(zhì)量不合格，可以通過多個相鄰的異步環(huán)或重復(fù)基線來進(jìn)行：

3.6 重復(fù)基線較差

同一基線邊觀測了多個時段得到的多個基線邊稱為重復(fù)基線邊。這些觀測結(jié)果之間的差異，就是重復(fù)基線較差?！度蚨ㄎ幌到y(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》（GB／T 18314－2009）規(guī)定：B級GPS網(wǎng)基線外業(yè)預(yù)處理和C、D、E級GPS網(wǎng)基線處理，復(fù)測基線的長度較差ds應(yīng)滿足：

式中：σ為基線測量中誤差，單位為mm。B、C、D、E級GPS網(wǎng)基線測量中誤差σ采用外業(yè)測量時使用的GPS接收機(jī)的標(biāo)稱精度。計算時邊長按實際平均邊長計算。

4 影響基線解算精度的因素及在TBC中的應(yīng)對方法

影響GPS基線解算精度的因素有很多，如衛(wèi)星觀測時間太短、周跳太多、多路徑效應(yīng)嚴(yán)重、對流層或電離層折射影響過大、起點坐標(biāo)不準(zhǔn)確等。其中一些因素可以通過對TBC軟件的設(shè)置及數(shù)據(jù)的處理，進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

（1）基線解算時所設(shè)定的起點坐標(biāo)不準(zhǔn)確。起點坐標(biāo)不準(zhǔn)確，會導(dǎo)致基線出現(xiàn)尺度和方向上的偏差。只能設(shè)定較準(zhǔn)確的起點坐標(biāo)，盡量提高起算點坐標(biāo)的精度，以避免這種情況的發(fā)生。

（2）少數(shù)衛(wèi)星的觀測時間太短。當(dāng)衛(wèi)星的觀測時間太短時，會導(dǎo)致與該顆衛(wèi)星有關(guān)的整周未知數(shù)無法準(zhǔn)確確定，將影響整個解算結(jié)果的質(zhì)量。在TBC軟件中可使用時段編輯器將觀測時間太短的衛(wèi)星禁用，使其不參與基線的解算，保證基線解算結(jié)果的質(zhì)量。

（3）周跳太多。在整個觀測時段里，個別時間段或個別衛(wèi)星周跳太多，致使周跳無法完全修復(fù)，導(dǎo)致解算時整周未知數(shù)固定困難。利用TBC軟件中基線處理報告內(nèi)的觀測值殘差上來進(jìn)行分析，若多顆衛(wèi)星在相同的時間段內(nèi)經(jīng)常發(fā)生周跳時，可刪除周跳嚴(yán)重的時間段，以改善基線解算結(jié)果的質(zhì)量；若只是個別衛(wèi)星經(jīng)常發(fā)生周跳，則刪除發(fā)生周跳的衛(wèi)星的觀測值，嘗試改善基線解算的質(zhì)量。

（4）多路徑效應(yīng)影響。多路徑效應(yīng)是GPS測量中干擾測量質(zhì)量的主要原因之一，多路徑效應(yīng)對GPS接收機(jī)中的碼捕獲和跟蹤將造成干擾，從而影響碼和相位的量測。為減少其影響 ，在選點時應(yīng)盡量避開如水面、平坦光滑的地面、平整的建筑物等強(qiáng)反射物，并選用防多路徑效應(yīng)的天線 。由于多路徑效應(yīng)往往造成觀測值殘差較大，可以通過基線解算后的基線處理報告中的觀測值殘差分析判斷。確定受影響的觀測值，采用刪除多路徑效應(yīng)嚴(yán)重的時間段或衛(wèi)星的方法。

（5）對流層或電離層折射影響過大。當(dāng)GPS信號通過電離層時，因受到帶電離子的非線性散射的影響，信號的路徑會發(fā)生彎曲，傳播速度也會發(fā)生變化，使得光速乘以信號傳播時間不等于衛(wèi)星到接收機(jī)的實際距離。可在TBC軟件中將衛(wèi)星高度截止角提高或是采用模型對對流層或電離層折射延遲進(jìn)行改正，也可使用消除了電離層的折射影響的雙頻觀測值進(jìn)行基線解算。

5 結(jié)語

GPS基線解算是GPS數(shù)據(jù)后處理的一項重要內(nèi)容，是為了向后續(xù)的數(shù)據(jù)處理分析提供合格的基線向量，對于基線的質(zhì)量控制主要是在基線解算過程中通過一系列的質(zhì)量控制指標(biāo)來進(jìn)行檢核和控制。本文結(jié)合TBC軟件的靈活配置方案和對觀測數(shù)據(jù)的適當(dāng)處理，給出了解決影響基線解算質(zhì)量因素的方法。

[1]徐紹銓，張華海，楊志強(qiáng)，等.GPS測量原理與應(yīng)用[M].3版.武漢：武漢大學(xué)出版社，2008.

[2]張紅斌.GPS基線處理應(yīng)注意的幾個問題[J].物探裝備，2003，13（4）：271～273.