李宗婉,唐詩華,梁小龍,蒲 倫,肖 陽

(1.桂林理工大學(xué) a.測(cè)繪地理信息學(xué)院;b.廣西空間信息與測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541006;2.廣西壯族自治區(qū)基礎(chǔ)地理信息中心,南寧 530023)

在多余長基線對(duì)CORS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)解算精度方面,相關(guān)的研究還較少。在CORS系統(tǒng)應(yīng)用極廣的當(dāng)下,對(duì)這類研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

0 引 言

隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)技術(shù)與信息技術(shù)的融合與發(fā)展, 孕育出了二者集成的一種新的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)——連續(xù)運(yùn)行參考站(continuously operating reference stations,CORS)[1]。 目前, 全國各省、市、自治區(qū)所建立的CORS系統(tǒng)采用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要是由三大系統(tǒng)構(gòu)成, 即美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)、 俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GLONASS)[2]和我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)[3]。其中，我國建立的CORS系統(tǒng)具有定位精度高且分布均勻、高實(shí)時(shí)性和強(qiáng)穩(wěn)定性等特點(diǎn)。

自全國CORS系統(tǒng)開始提供服務(wù)以來, 大量研究者參與到CORS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)解算方法及影響其精度的各種因素研究當(dāng)中, 如張芯等[4]研究了北斗系統(tǒng)(BDS)連續(xù)運(yùn)行參考站的高精度基線解算及平差方法, 并開發(fā)相應(yīng)處理軟件, 對(duì)不同系統(tǒng)的基線解算精度進(jìn)行了分析; 李兵等[5]分析了影響基線解算精度的諸多因素, 提出了“間距分區(qū)法”基線解算精度方案, 并與一般的分區(qū)方法對(duì)比分析, 驗(yàn)證了間距分區(qū)法相對(duì)于一般的分區(qū)方法具有較高的基線解算精度; 朱啟成等[6]對(duì)比分析了LGO+CosaGPS與HGO對(duì)控制網(wǎng)解算精度的影響, 結(jié)果表明, LGO的基線解算精度高于HGO, 在只有3個(gè)控制點(diǎn)網(wǎng)平差的解算結(jié)果中,CosaGPS的網(wǎng)平差精度略高于HGO, 未知點(diǎn)的平面坐標(biāo)互差值較小; 李曉光等[7]就CORS站數(shù)據(jù)解算中所使用的對(duì)流層映射函數(shù)進(jìn)行比較分析, 討論衛(wèi)星高度截止角變化及處理大量數(shù)據(jù)時(shí)映射函數(shù)的選取, 這對(duì)我國北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)應(yīng)用映射函數(shù)具有參考價(jià)值。

由此,本文立足于生產(chǎn)實(shí)踐,利用不同觀測(cè)時(shí)間段的CORS基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù),分別采用TBC 4.10和GAMIT軟件對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算,所得結(jié)果經(jīng)重復(fù)基線較差和標(biāo)準(zhǔn)化的均方根誤差兩種標(biāo)準(zhǔn)檢核后,再用COSA 6.0平差軟件分別對(duì)兩種處理結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)平差。通過同種平差方法定量分析不同基線解算方法、不同觀測(cè)時(shí)間段下多余長基線對(duì)高精度CORS數(shù)據(jù)解算精度的影響。

1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)方案

1.1 數(shù)據(jù)來源

采用位于廣西境內(nèi)的8個(gè)CORS基準(zhǔn)站2017年344～350共7個(gè)年積日的觀測(cè)數(shù)據(jù)(已有精確的CGCS 2000坐標(biāo)),同時(shí)也選取了同一板塊的8個(gè)IGS站,即BJFS、HKSL、HKWS、LHAZ、PBRI、PIMO、SHAO、TWTF,與8個(gè)CORS基準(zhǔn)站聯(lián)合解算。選取5個(gè)CORS觀測(cè)站JZ07、JZ38、JZ57、JZ62、JZ82作為已知點(diǎn),3個(gè)CORS觀測(cè)站JZ08、JZ21、JZ27作為未知點(diǎn)，所選基準(zhǔn)站的平均間距為170 km,最小間距為72 km,最大間距為340 km。為了比較分析不同觀測(cè)時(shí)長的CORS數(shù)據(jù)解算精度的結(jié)果,每天的數(shù)據(jù)分為7個(gè)觀測(cè)時(shí)間段(02：00、 04：00、 06：00、 08：00、 12：00、 16：00、00：00)。圖1為CORS站分布圖。

圖1 CORS站分布示意圖Fig.1 Distribution of CORS stations

1.2 軟件選擇

由美國麻省理工學(xué)院和斯克里普斯海洋研究所等機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)的科研軟件GAMIT/GLOBK應(yīng)用廣泛,用其進(jìn)行基線解算可以使用不同的基線解類型來處理不同長度的基線[8-10]。GAMIT的整個(gè)數(shù)據(jù)處理過程分為兩步:先編輯數(shù)據(jù),得到觀測(cè)文件x-file，再用x-file進(jìn)行各種處理方案的參數(shù)估計(jì)[11]。但由于操作比較復(fù)雜,在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中,更多的是采用操作相對(duì)簡(jiǎn)單的商用軟件[12],如國外Trimble的TGO和TBC軟件、Leica的LGO軟件、Ashtech 的Solution軟件等;國內(nèi)南方測(cè)繪的GNSS數(shù)據(jù)處理軟件、中海達(dá)的HGO軟件、華測(cè)的Compass靜態(tài)處理軟件等。

TBC軟件具有GPS基線處理、測(cè)量網(wǎng)平差、處理GPS和常規(guī)地形測(cè)量數(shù)據(jù)、生成DTM模型、等高線圖等功能,其中基線解算流程可分為:建項(xiàng)并導(dǎo)入數(shù)據(jù)→設(shè)置參數(shù)→基線處理3步。TBC 4.0軟件是舊版TBC軟件的進(jìn)階版,目的是改進(jìn)基線大于200 km的解算結(jié)果,提高了精度,降低了均方根值,模糊度固定率更高,可以實(shí)現(xiàn)更長基線的解算。新版的TBC 4.0軟件支持多系統(tǒng)數(shù)據(jù)聯(lián)合處理,并且可以選擇獨(dú)立于GPS衛(wèi)星系統(tǒng)的其他衛(wèi)星系統(tǒng)[13]。

考慮到實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用,本文選擇TBC軟件進(jìn)行基線處理,所得結(jié)果再與GAMIT軟件處理的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。進(jìn)行整網(wǎng)平差時(shí),把TBC和GAMIT處理得到的基線解算文件分別用COSA平差軟件進(jìn)行平差,以定量分析使用兩種不同類型的軟件時(shí)多余長基線對(duì)CORS數(shù)據(jù)解算的影響。

1.3 試驗(yàn)方案

為研究在不同觀測(cè)時(shí)間下、不同解算軟件時(shí)多余長基線對(duì)CORS數(shù)據(jù)解算精度的影響,采取以下兩種方案對(duì)不同觀測(cè)時(shí)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

方案一:①對(duì)8個(gè)CORS站2017年344～350共7個(gè)年積日的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,將每日觀測(cè)數(shù)據(jù)分為02：00、 04：00、 06：00、 08：00、 12：00、 16：00、00：00共7個(gè)觀測(cè)時(shí)間段,作為數(shù)據(jù)一。②在步驟①的基礎(chǔ)上引入8個(gè)IGS站,對(duì)IGS站數(shù)據(jù)處理方法與CORS站數(shù)據(jù)處理方法相同,作為數(shù)據(jù)二。③使用TBC軟件分別對(duì)數(shù)據(jù)一和數(shù)據(jù)二進(jìn)行基線處理。文獻(xiàn)[14]針對(duì)不同截止高度角對(duì)基線解算結(jié)果的影響,得到當(dāng)截止高度角取10°～15°時(shí),基線解算結(jié)果最佳。解算前檢查天線類型、量高方法、天線高度等是否有誤?；€解算后對(duì)解算失敗的基線進(jìn)行觀測(cè)時(shí)間段編輯,對(duì)觀測(cè)質(zhì)量較差的衛(wèi)星實(shí)行禁用或局部不連續(xù)觀測(cè)值的刪除。④經(jīng)TBC處理后得到的基線處理文件導(dǎo)入COSA平差軟件中進(jìn)行平差,得到平差結(jié)果。

方案二: 步驟①、 ②同方案一。 ③使用GAMIT軟件分別對(duì)數(shù)據(jù)一和數(shù)據(jù)二進(jìn)行基線處理。 使用GAMIT進(jìn)行高精度基線解算時(shí), 由于數(shù)據(jù)的處理方式不同, 所得到的結(jié)果也不盡相同。 文獻(xiàn)[15]分析得出, 進(jìn)行長基線解算時(shí)BASELINE解算效果較好。 該軟件提供了兩種長基線解算模型(LC-AUTCLN和LC-HELP), 文獻(xiàn)[10]研究表明, 在電離層活躍的赤道附近采用LC-AUTCLN基線解較好。 ④經(jīng)GAMIT處理后得到的基線處理文件導(dǎo)入COSA平差軟件中進(jìn)行平差, 得到平差結(jié)果。

本文進(jìn)行基線解算時(shí)選擇的參數(shù)見表1。

表1 基線解算控制參數(shù)的選擇Table 1 Selection of control parameters for baseline sulotion

2 各解算方案的基線處理與精度分析

2.1 基于TBC+COSA(方案一)的基線解算

表2 CORS站2017年7個(gè)年積日(344～350)不同觀測(cè)時(shí)段下重復(fù)基線較差Table 2 Difference of repeated baselines in different observation periods at CORS station for 7 doys in 2017 mm

可見,各個(gè)觀測(cè)時(shí)間段的重復(fù)基線差較小,滿足國家D級(jí)GNSS控制網(wǎng)規(guī)范要求。 經(jīng)TBC處理后得到的CORS和CORS+IGS基線解算文件分別進(jìn)行網(wǎng)平差,即可得到7個(gè)年積日不同觀測(cè)時(shí)間段下的未知點(diǎn)的坐標(biāo)。對(duì)平差結(jié)果再作進(jìn)一步處理即可得到未知點(diǎn)高程。

2.2 基于GAMIT+COSA(方案二)的基線解算

方案二中預(yù)處理的數(shù)據(jù)經(jīng)GAMIT基線處理后可得到基線解算文件, 為評(píng)估基線解算質(zhì)量, 選擇標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差(NRMS)對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。NRMS是衡量GAMIT基線解算質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。 CORS、CORS+IGS站2017年7個(gè)年積日不同觀測(cè)時(shí)間段的NRMS值如圖2所示。各個(gè)區(qū)間的NRMS值均在0.2以下,符合高精度基線解算的要求。

圖2 2017年7個(gè)年積日不同觀測(cè)時(shí)間CORS(a)和 CORS+IGS(b)基線解算的NRMS值統(tǒng)計(jì)Fig.2 NRMS statistics of CORS(a) and CORS+IGS(b) baseline solution in different observation periods of 7 doys in 2017

與方案一平差過程類似,對(duì)CORS和CORS+IGS基線解算文件分別進(jìn)行網(wǎng)平差,即可得到7個(gè)年積日不同觀測(cè)時(shí)間段下的未知點(diǎn)的坐標(biāo)。對(duì)平差結(jié)果作進(jìn)一步處理可得到未知點(diǎn)高程。

2.3 精度分析

利用COSA軟件進(jìn)行網(wǎng)平差計(jì)算時(shí), 導(dǎo)入基線解算文件, 控制網(wǎng)等級(jí)選擇D級(jí)。 輸入已知點(diǎn)的大地坐標(biāo)后, 分別進(jìn)行三維無約束平差及三維約束平差, 經(jīng)平差后可得到未知點(diǎn)坐標(biāo)等信息。 為了解兩種方案不同觀測(cè)時(shí)間段下的多余長基線對(duì)CORS數(shù)據(jù)解算精度的影響, 本文將對(duì)平差結(jié)果進(jìn)行分析。

2.3.1 坐標(biāo)精度分析 未知點(diǎn)坐標(biāo)精度絕對(duì)值在兩種方案不同觀測(cè)時(shí)間段下的最大值和平均值統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 兩種軟件不同解算方案各觀測(cè)時(shí)間段下未知點(diǎn)坐標(biāo)精度Table 3 Coordinate accuracy of unknown points at each observation periods under different baseline solution of the two softwares mm

可知,從整體上看,無論是TBC還是GAMIT處理的基線解算,在CORS站的基礎(chǔ)上引入IGS站,所得未知點(diǎn)坐標(biāo)精度的最大值和平均值均劣于CORS站,表明多余長基線會(huì)影響CORS站數(shù)據(jù)解算精度,觀測(cè)時(shí)長較短時(shí),其影響尤為突出;隨著觀測(cè)時(shí)長的增加,多余長基線的影響呈減小的趨勢(shì)。對(duì)兩種方案解算質(zhì)量分析可知,GAMIT的基線解算質(zhì)量優(yōu)于TBC,在僅解算CORS站的情況下,同一觀測(cè)時(shí)間段兩種方案的未知點(diǎn)坐標(biāo)精度平均值最大差值為0.5 mm;引入IGS站后,平均值最大差值為1.2 mm,TBC基線解算所得精度與GAMIT差異不明顯。

2.3.2 高程精度分析 未知點(diǎn)高程平差結(jié)果與真值之差在兩種方案不同觀測(cè)時(shí)間段下的最大值和平均值統(tǒng)計(jì)見表4。

表4 兩種軟件不同解算方案各觀測(cè)時(shí)間段下未知點(diǎn)高程精度Table 4 Elevation accuracy of unknown points at each observation periods under different baseline solution of the two softwares mm

可知,由TBC或GAMIT處理的基線解算,經(jīng)過平差后進(jìn)一步處理得到的高程,其精度是CORS站優(yōu)于CORS+IGS站,說明多余長基線會(huì)影響CORS數(shù)據(jù)解算精度。除個(gè)別數(shù)值外,未知點(diǎn)高程平差結(jié)果與真值之差隨著觀測(cè)時(shí)長的增加而減小。對(duì)兩種方案的解算質(zhì)量進(jìn)行分析可知,不同觀測(cè)時(shí)間段下由GAMIT參與基線解算經(jīng)平差后得到的高程優(yōu)于由TBC參與基線解算經(jīng)平差后得到的高程。在僅解算CORS站的情況下,同一觀測(cè)時(shí)間段兩種方案的未知點(diǎn)高程平差結(jié)果與真值之差最大為1.3 mm,平均值最大差值為0.4 mm;引入IGS站后,高程平差結(jié)果與真值最大差值為4.9 mm,平均值最大差值為1.1 mm。TBC的解算精度與GAMIT相比有一定的差距。

3 結(jié) 論

本文通過兩種方案對(duì)2017年344～350共7個(gè)連續(xù)年積日不同觀測(cè)時(shí)間段的CORS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,引入了IGS站以研究多余長基線對(duì)CORS站數(shù)據(jù)解算精度的影響。通過實(shí)驗(yàn)得知,無論基線解算過程采用的是TBC或是GAMIT,多余長基線都對(duì)CORS站數(shù)據(jù)解算精度產(chǎn)生影響,且觀測(cè)時(shí)長較短時(shí),影響尤為明顯。隨著觀測(cè)時(shí)間增加,影響逐漸減小。在軟件解算質(zhì)量方面,TBC的解算精度雖遜色于GAMIT的解算精度,但兩者的解算結(jié)果差異不大。TBC作為一款商用軟件,其操作簡(jiǎn)便且界面實(shí)體化,在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用方面有一定的優(yōu)勢(shì)。本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行網(wǎng)平差時(shí)采用的控制網(wǎng)級(jí)別是D級(jí),經(jīng)平差后得到的未知點(diǎn)坐標(biāo)和高程皆滿足國家標(biāo)準(zhǔn),符合實(shí)際生產(chǎn)要求。