施建平,樓楠

(西安測繪總站,陜西 西安710054)

0 引 言

美國國家大地測量局負責組織管理GPS連續(xù)運行參考站(CORS)網(wǎng)。連續(xù)運行參考站網(wǎng)支持三維厘米級GPS定位,為美國及其周邊地區(qū)和協(xié)作國家進行GPS定位;為地球物理、地殼運動、氣象和空間氣候研究提供服務(wù)。2001年,美國國家大地測量局基于網(wǎng)絡(luò)開發(fā)了在線定位服務(wù)(OPUS)。在線定位服務(wù)以連續(xù)運行參考站網(wǎng)為基礎(chǔ),用戶只要采集雙頻GPS觀測數(shù)據(jù)并上傳到應(yīng)用模塊,幾分種內(nèi)就能通過電子郵件收到計算點的坐標等。以下介紹美國連續(xù)運行參考站和在線定位服務(wù)。

1 連續(xù)運行參考站網(wǎng)

1.1 連續(xù)運行參考站網(wǎng)的建立情況

美國的連續(xù)運行參考站始建于1994年,2009年3月已建有1540個參考站,其中正常運行的參考站有1203個,其分布如圖1所示。

圖1 美國的連續(xù)運行參考站

參考站主要由政府相關(guān)部門、科研機構(gòu)和私有組織參與建設(shè),參與單位近200個,各單位建立連續(xù)運行參考站的目的是滿足各自不同的需要。美國國家大地測量局擁有和管理的參考站不到總數(shù)的3%。

為實現(xiàn)全球覆蓋,連續(xù)運行參考站網(wǎng)已擴展到多個國家;墨西哥、加拿大建立了永久性GPS觀測站并加入美國的連續(xù)運行參考站網(wǎng),加勒比海、中美、南美州的數(shù)十個國家參與了項目合作,美國國家大地測量局與軍方合作,在伊拉克、阿富汗、埃塞俄比亞也建立了連續(xù)運行參考站。

1.2 站點配置

為支持應(yīng)用的廣泛性,發(fā)揮連續(xù)運行參考站網(wǎng)在國家空間參考系實現(xiàn)中的作用,美國國家大地測量局對進入連續(xù)運行參考站網(wǎng)的站點制定了嚴格的標準和安裝規(guī)范,以優(yōu)化GPS信號采集環(huán)境,使計算站點的坐標和速度具有較高質(zhì)量,提供滿足用戶要求的文檔。站點的確定既要考慮站點本身的質(zhì)量還要顧及網(wǎng)的情況,包括網(wǎng)的覆蓋區(qū)域、結(jié)構(gòu)強大及其它要求。

連續(xù)運行參考站的安裝和運行由各入網(wǎng)單位組織實施,各入網(wǎng)單位根據(jù)自身的要求進行了調(diào)整,使連續(xù)運行參考站配置不完全相同。入網(wǎng)基本站的安裝要求如下:

?穩(wěn)定、完好的標石和天線設(shè)置;

?最小限度的視線阻擋(仰角10°以上無遮擋);

?良好的信號采集環(huán)境(無干涉和多路徑);

?L1/L2雙頻GPS接收機跟蹤的衛(wèi)星大于10顆;

?經(jīng)美國國家大地測量局校準的L1/L2雙頻GPS天線;

?L1頻率C/A碼或P碼偽距觀測;

?L1和L2全波長載波相位觀測;

?歷元間隔小于或等于30 s;

?數(shù)據(jù)日志記錄可為每小時、每天或?qū)崟r;

?不間斷供電。

連續(xù)運行參考站網(wǎng)分為國家連續(xù)運行參考站網(wǎng)和合作連續(xù)運行參考站網(wǎng)兩個子網(wǎng),到目前為止,國家連續(xù)運行參考站網(wǎng)是主要部分。

1.3 獲取數(shù)據(jù)

系統(tǒng)發(fā)展的十幾年來,多個學科的研究人員對連續(xù)運行參考站網(wǎng)進行了大量具有重要意義的創(chuàng)造性應(yīng)用研究,但從建網(wǎng)起,主要是為地理空間數(shù)據(jù)用戶提供GPS觀測數(shù)據(jù)后處理定位服務(wù),用于測繪及相關(guān)學科。

用戶通過FTP(ftp://www.ngs.noaa.gov/cors/)或萬維網(wǎng)(http://www.ngs.noaa.gov/CORS)可直接讀取美國國家測繪局直接收集的國家連續(xù)運行參考站的GPS觀測數(shù)據(jù);由網(wǎng)頁(http://www.ngs.noaa.gov/CORS/Coop/)讀取合作連續(xù)運行參考站網(wǎng)的GPS的觀測數(shù)據(jù),該網(wǎng)頁提供了與所有合作單位網(wǎng)站的連接。連續(xù)運行參考站觀測數(shù)據(jù)文件有GPS碼和載波相位觀測數(shù)據(jù)組成,以通用的RINEX格式提供。

連續(xù)運行參考站項目的重點是參考站位置和速度的計算、監(jiān)測和質(zhì)量控制。為滿足不同用戶對連續(xù)運行參考站的需要,美國國家大地測量局計算并提供參考站在ITRF和NAD83系統(tǒng)中的坐標和速度,兩個系統(tǒng)的主要區(qū)別是NAD83的定義將北美板塊固定,而IT RF滿足全球所有板塊凈旋轉(zhuǎn)為零的條件,這一差別形成的結(jié)果是北美板塊的多數(shù)穩(wěn)定部分(美國的大多數(shù)地區(qū),不包括加州、俄勒岡州、華盛頓、阿拉斯加州和夏威夷)NAD83系統(tǒng)坐標的速度為零或可忽略,ITRF系統(tǒng)的平面坐標年變化率為1～2 cm/年,因此,聲明坐標的歷元和速度是必要的。

連續(xù)運行參考站的坐標和速度以ITRF和NAD83兩個大地坐標系的空間直角坐標和大地坐標的形式提供。坐標點是連續(xù)運行參考站 L1相位中心和GPS天線參考點,天線參考點通常位于天線的物理底部;某些用戶和應(yīng)用要求以L1電子相位中心作為參考點,所以,國家測繪局提供了兩組坐標。

一個進入連續(xù)運行參考站網(wǎng)的新站,需要計算并公布其坐標;開始時,利用至少兩周的GPS觀測數(shù)據(jù)計算站點的IT RF坐標,利用美國國家測繪局的H TDP軟件計算站點的速度,再用Helmert轉(zhuǎn)換方法將ITRF的坐標和速度轉(zhuǎn)換為NAD83的坐標和速度;多年觀測后,ITRF和NAD83的速度用GPS測量值代替。

美國國家測繪局由通過計算各站的單日解和網(wǎng)的嚴密最小二乘平差解監(jiān)測連續(xù)運行參考站的精度和一致性。平差由3個完好的連續(xù)運行參考站和2個國際全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)合作網(wǎng)中的點約束,因而建立了連續(xù)運行參考站網(wǎng)和GPS網(wǎng)之間的聯(lián)系。可以查看各站60天內(nèi)坐標系列圖,該圖顯示了每天IT RF解的差別。

美國國家大地測量局幾乎每年都利用連續(xù)運行參考站每3天的GPS觀測值計算一組站點坐標,目的是分析各站過去的情況、監(jiān)測公布坐標的質(zhì)量。一個站的公布坐標與利用60天或幾年觀測值計算的某個時期的坐標之間的差值,若ITRF坐標水平方向超過 1 cm或高程方向超過2 cm,NAD83坐標水平方向超過2cm或高程方向超過4 cm,美國國家大地測量局將重新公布點在響應(yīng)參考框架內(nèi)的坐標和速度;這一規(guī)定體現(xiàn)了保持坐標時間的一致性和提供最精確坐標可能性之間的平衡。

監(jiān)測并不定期重新公布連續(xù)運行參考站點坐標及變化情況,可以保證連續(xù)運行參考站點坐標的質(zhì)量。因此,連續(xù)運行參考站點的精度優(yōu)于靜態(tài)的地面控制點。從一定意義上說,連續(xù)運行參考站的坐標隨觀測時間增加,精度逐步提高。即使因地質(zhì)構(gòu)造、火山、固體潮等影響存在地面運動的地區(qū),連續(xù)運行參考站提供的坐標及其變化也是最精確的。

1.4 CORS的應(yīng)用

美國國家測繪局建立連續(xù)運行參考站網(wǎng)的主要目的是基于連續(xù)運行參考站和相對定位技術(shù),為地理空間數(shù)據(jù)用戶通過GPS測量采集同步觀測數(shù)據(jù)得到高精度定位結(jié)果提供基本條件。用戶的定位方法包括長時間觀測大地控制點(厘米級精度)的靜態(tài)定位和確定移動平臺運動路線的動態(tài)定位(幾厘米的精度)以及采集GIS數(shù)據(jù)的專題制圖(小于或等于米的精度)等。

隨著連續(xù)運行參考站網(wǎng)的擴大,數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域也逐步擴展。高精度連續(xù)運行參考站坐標和速度與可靠、實用的GPS觀測數(shù)據(jù)結(jié)合能支持多種應(yīng)用,其中許多應(yīng)用在十幾年前連續(xù)運行參考站系統(tǒng)建立初期是無法想象的。

美國國家海洋與大氣管理局全球系統(tǒng)部的地基GPS氣象學項目基于數(shù)百個連續(xù)運行參考站數(shù)據(jù),通過計算對流層GPS信號延遲確定大氣層水汽成份,提高了氣象預(yù)報能力;美國國家海洋與大氣管理局空間環(huán)境中心基于連續(xù)運行參考站觀測數(shù)據(jù),通過分析電離層的色散和GPS信號延遲計算電離層的整體情況,導(dǎo)出的美國全國電子情況圖已在互聯(lián)網(wǎng)上公布,每15 min更新一次;改進GPS測量,需要建立對流層和電離層模型,量化大氣層的GPS信號延遲對解決GPS數(shù)據(jù)處理的整周模糊度有重要意義,可以減少觀測時間;對單頻GPS接收機用戶來說,連續(xù)運行參考站導(dǎo)出的大氣數(shù)據(jù)可以使同步觀測接收機之間的距離更遠;連續(xù)運行參考站的基站數(shù)據(jù)為飛行器提供差分GPS觀測改正,為空間攝影影像定位提供服務(wù);美國國家大地測量局和其他組織利用連續(xù)運行參考站網(wǎng)和其它永久GPS網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)精確確定GPS衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù);GPS已經(jīng)成為地殼運動研究單位選擇的工具之一,在連續(xù)運行參考站網(wǎng)及其它連續(xù)GPS觀測網(wǎng)支持下,能夠檢測地殼的水平和垂直運動;美國國家大地測量局依靠連續(xù)運行參考站網(wǎng)滿足聯(lián)邦政府對國家空間參考系統(tǒng)的需求,連續(xù)運行參考站代表了國家空間參考系統(tǒng)的最高精度和層次,連續(xù)運行參考站在國家大地測量局進行的現(xiàn)有GPS地面控制點平差、計算NAD83坐標中發(fā)揮了重要作用,提高了點位精度和一致性。

2 在線定位服務(wù)

美國國家大地測量局分別于2001年、2005年推出了OPUS-S和OPUS-RS提供在線定位服務(wù),兩個版本的主要差別是內(nèi)部處理方法不同?，F(xiàn)主要介紹OPUS-S,最后簡要介紹兩個版本的差別。

2.1 功能介紹

2001年,美國國家大地測量局依托國際互聯(lián)網(wǎng)提供在線定位服務(wù)(OPUS),為GPS用戶使用國家空間參考系統(tǒng)(NSRS)提供了一個途徑。只要通過一個簡單的Web接口將GPS觀測數(shù)據(jù)和少量必要信息提供給OPUS,幾分鐘內(nèi),用戶就可收到包含GPS測量點坐標和其它信息的電子郵件,這一服務(wù)由美國國家大地測量局免費提供。

2.2 用戶接口

OPUS的 Web網(wǎng)頁(www.ngs.noaa.gov/OPUS)可以由國家測繪局網(wǎng)站的主頁、連續(xù)運行參考站主頁和大地測量工具主頁進入,頁面要求用戶輸入下列基本信息:

?接收數(shù)據(jù)的電子郵件地址;

?RINEX格式或所選接收機格式的觀測文件,文件可以是壓縮或不壓縮;

?天線類型,從下拉菜單中選擇;

?天線高,以m為單位。

以下信息為可選:

?強制指定州平面坐標系投影帶;

?指定解算中使用的連續(xù)運行參考站,最多3個;

?指定解算中不使用的連續(xù)運行參考站;

?指定是否輸出擴展信息;

?指定是否輸出用戶的設(shè)置信息。

要求用戶數(shù)據(jù)滿足以下條件:

?靜態(tài)GPS觀測;

?雙頻(L1/L2)GPS觀測;

?建議最少兩小時的觀測數(shù)據(jù);

?歷元間隔是30 s的約數(shù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

OPUS反饋給用戶的最后坐標是用戶的GPS觀測站和3個連續(xù)運行參考站同步觀測單基線解的平均值。

OPUS計算基線前首先確定利用的連續(xù)運行參考站,這需要進行大量循環(huán)測試、檢查侯選站觀測數(shù)據(jù)的可利用性和質(zhì)量,質(zhì)量檢查包括信號多路徑和周跳。首先測試用戶指定的參考站,若用戶指定的參考站或最近的參考站的GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量或數(shù)量不足,將擴大尋找范圍,檢查其它參考站的數(shù)據(jù),直至找到3個有合適數(shù)據(jù)的站;正常情況下,選擇3個最近的連續(xù)運行參考站,但有時用戶觀測完成后短時間內(nèi)就提交數(shù)據(jù),此時部分連續(xù)運行參考站還沒有向國家大地測量局提交觀測數(shù)據(jù),OPUS就要擴大尋找半徑,尋找較遠的參考站。但不必擔心,許多連續(xù)運行參考站是每小時或?qū)崟r向國家大地測量局提供數(shù)據(jù),即使觀測結(jié)束后需要短時間內(nèi)提供數(shù)據(jù),連續(xù)運行參考站也有足夠有效的數(shù)據(jù)供OPUS使用。

陳慶彩等人[9]研究發(fā)現(xiàn)以鼠李糖乳桿菌和瑞士乳桿菌二者進行共培養(yǎng)和發(fā)酵，在初始酸堿度值6.8，接種量6%，發(fā)酵溫度37℃，鼠李糖乳桿菌與瑞士乳桿菌的接種比例2∶1，除此之外，瑞士乳桿菌提前接種3 h，在這個條件下，得到乳酸菌的活菌數(shù)最高。吳楠等人[10]研究發(fā)現(xiàn)影響德氏乳桿菌活菌數(shù)的主要因素是發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間與接種量，其中發(fā)酵時間為最重要的影響因素。

盡管OPUS計算的站間矢量為IT RF系統(tǒng),但最后坐標的參考框架為IT RF和NAD83。為了計算ITRF坐標,OPUS從國家大地測量局綜合數(shù)據(jù)庫中讀取所選參考站的ITRF坐標,然后將這些坐標轉(zhuǎn)換為用戶GPS平均觀測時間歷元的坐標,目的是使IT RF坐標值符合板塊運動的變化規(guī)律(如北美板塊運動每年接近1～2.5cm),利用計算的IT RF坐標和14參數(shù)Helmert方程轉(zhuǎn)換得到NAD83坐標(觀測日),再利用HTDP軟件預(yù)報的NAD83速度,將NAD83坐標轉(zhuǎn)換為2002.1.1標準歷元。

值得注意的是對ITRF和NAD83坐標來說,每一個解都基于觀測站與3個連續(xù)運行參考站之一的聯(lián)測,3個解并不是相互獨立的,因為3個解都基于用戶提交的同一組觀測數(shù)據(jù),所有解都包含相同的用戶觀測站偏差,包括站點環(huán)境引發(fā)的信號多路徑問題、用戶確定GPS天線和地面標志之間的對中誤差和天線高誤差等造成的水平/垂直誤差,這些偏差不能通過3個不同解的結(jié)合被平均掉或減小,也難以發(fā)現(xiàn)。

2.4 輸出

OPUS輸出頁包括自動處理提交觀測文件結(jié)果簡明總結(jié)。除反饋用戶所有輸入信息外,輸出還包括以下內(nèi)容:

?使用的GPS衛(wèi)星星歷;

?數(shù)據(jù)文件的觀測開始/結(jié)束時間;

?利用和現(xiàn)有的觀測數(shù)量及利用的比例;

?固定和全部整周模糊度的數(shù)量和固定的比例;

?以空間直角坐標和大地坐標表示的NAD83和IT RF坐標;

?基于Geoid03模型的北美高程系統(tǒng)的正高;

?各坐標分量最大值和最小值的差值;

?以m為單位的UTM坐標、所在州的州平面直角坐標系坐標和比例因子及子午線收斂角;

?3個連續(xù)運行參考站的名稱、坐標和距離;

?國家大地測量局公布的最近控制點。

若用戶要求增加輸出可選項,還可包含其它內(nèi)容。

2.5 獲取結(jié)果

OPUS計算的坐標分量的質(zhì)量由比較3個單獨的解、計算的地心坐標或大地坐標的最大值和最小值之間的差值表示。

以下是OPUS幫助用戶判斷計算是否成功的指導(dǎo):

?90%以上的提交數(shù)據(jù)被利用;

?50%以上的整周模糊度被固定;

?所有中誤差小于3cm;

?各坐標分量的最大值和最小值之間的差值小于5cm;

?確認天線類型和高度輸入正確。

若用戶欲得到更好的結(jié)果,建議增加GPS觀測時間,采集更多的數(shù)據(jù)。研究表明,即使解算中使用的連續(xù)運行參考站距用戶觀測站距離較遠,只要用戶采集、提交一定質(zhì)量和足夠數(shù)量的數(shù)據(jù)就能得到高質(zhì)量的成果;OPUS計算中采用的采樣間隔為30s,縮小GPS觀測的采樣間隔不能提高精度;除觀測時間外,影響精度的另一個因素是數(shù)據(jù)處理中使用的衛(wèi)星軌道,IGS提供的衛(wèi)星軌道有以下3種可使用:

?IGS超快速軌道(無延遲);

?IGS快速軌道(1天延遲);

?IGS精密軌道(10～14天延遲)。

OPUS數(shù)據(jù)處理中總是選擇可使用的、最好的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)。若用戶觀測結(jié)束后幾小時內(nèi)向OPUS提交數(shù)據(jù),OPUS將利用超快速軌道數(shù)據(jù);但若在觀測結(jié)束幾天內(nèi)提交數(shù)據(jù),將采用快速軌道數(shù)據(jù);OPUS將在輸出中報告采用的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)。

2.6 OPUS-RS的特點

2005年8月,國家大地測量局推出了OPUS的新版本(OPUS-RS),目的是可利用15 min的觀測數(shù)據(jù)得到大地測量質(zhì)量的定位結(jié)果,為此,OPUS-RS利用了全新的內(nèi)部處理程序。

在使用方面,OPUS-RS多數(shù)外部接口與OPUS相同,OPUS的多數(shù)信息和解釋也適用于OPUS-RS,OPUS-RS和OPUS的主要差別是:

?OPUS-RS允許用戶指定最多6個參考站,而OPUS允許用戶指定最多3個參考站;

?OPUS-RS對用戶提交的數(shù)據(jù)文件的限制為15min至4 h觀測時段的數(shù)據(jù),而OPUS建議至少2h。

有些數(shù)據(jù)OPUS能處理而OPUS-RS不能處理,原因是:

1)OPUS-RS對可使用的參考站以距用戶站最近為原則選擇,當已選擇6個參考點或距侯選參考站超過250 km時停止選擇參考站,因采用幾何內(nèi)插方法,OPUS-RS僅處理所選擇參考站覆蓋區(qū)域內(nèi)部或區(qū)域外部不超過50 km的定位站的數(shù)據(jù),若找不到至少3個適當?shù)膮⒖颊?OPUS-RS將不解算。

2)OPUS-RS對侯選參考站的數(shù)據(jù)有更嚴格的質(zhì)量測試,要求數(shù)據(jù)剔除率不超過10%;

3)OPUS-RS要求所利用的每個歷元有4種觀測量(L1、L2、P1(或C1)、P2);

在輸出方面,OPUS-RS與OPUS的差別是:

?使用的軟件是rsgps程序而不是pages程序;

?因rsgps程序固定所有模糊度,所以,沒有報告固定模糊度,取而代之的是報告網(wǎng)絡(luò)和流動站的模式解;

?無單位的標準化中誤差代替所有以m表示的中誤差。rsgps程序利用了4種觀測量(L1、L2、P1(或C1)、P2)并賦以不同的權(quán);

?坐標后的數(shù)字不是OPUS中最大和最小值的差值而是坐標的標準偏差;

?利用的參考站的數(shù)量可以多達6個。

3 結(jié) 論

連續(xù)運行參考站網(wǎng)提供支持精確定位的參考框架,通過連續(xù)運行參考站網(wǎng)在線定位服務(wù)能使用戶快速地、便捷地、有效地獲取國家空間參考系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

[1] William Stone.The Evolution of the National Geodetic Survey's Continuously Operation Reference Station Network and Online Positioning User Service[C]//Albuquerque,NM87131 USA,2006,25-27.

[2] Richard Snay.CORS&OPUS WORKSHOP(Continuously Operating Reference Stations)[C/OL].Lansing,MI,National Geodetic Survey,NOAA ,2009.3.7.http://www.ngs.noaa.gov/CORS.

[3] National Geodetic Survey-OPUS Team.Using OPUS[R/OL].Modified 17.Silver Spring,MD:National Geodetic Survey,NOAA,2004.5.http://www.ngs.noaa.gov/OPUS.