孫國鵬,李建勝,郝向陽,張小東

(1.信息工程大學(xué),導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院,河南 鄭州 45000; 2.北斗導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 鄭州 45000)

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國產(chǎn)GNSS數(shù)據(jù)處理軟件的比較和分析

孫國鵬1,2,李建勝1,2,郝向陽1,2,張小東1,2

(1.信息工程大學(xué),導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院,河南 鄭州 45000; 2.北斗導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 鄭州 45000)

本文針對國內(nèi)常用的三款商業(yè)軟件中海達(dá)HGO軟件、華測CGO軟件、和南方GNSS數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行研究,在截止高度角和采樣頻率等參數(shù)相同的情況下,對三種軟件基線解算的質(zhì)量、網(wǎng)平差后的點(diǎn)位精度、以及相同基線在GPS系統(tǒng)和北斗系統(tǒng)下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比和分析。實(shí)驗(yàn)表明,三種軟件都較為成熟,并滿足D級GPS控制網(wǎng)工程的精度要求;HGO軟件對基線向量和網(wǎng)平差的處理結(jié)果要略優(yōu)于另兩種軟件。

GNSS;數(shù)據(jù)處理;基線解算;網(wǎng)平差

0 引 言

21世紀(jì)以來,各國爭相發(fā)展全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng),GNSS技術(shù)成為體現(xiàn)大國地位和國家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。其中以美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)發(fā)展最為迅速,GPS測量技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程測量、大地測量以及海洋測繪、航空攝影測量、地籍測量等各個領(lǐng)域[1]。GPS數(shù)據(jù)處理是GPS研究的一個重要內(nèi)容,GPS測量定位理論和軟件科學(xué)的進(jìn)步促進(jìn)了不同GPS數(shù)據(jù)處理軟件的發(fā)展。GPS數(shù)據(jù)處理軟件可分為科研軟件和商用軟件[2]。國際上應(yīng)用較為廣泛的主要有:美國麻省理工學(xué)院和加州大學(xué)圣地亞哥分校Scripps海洋研究所研制的GAMIT/GLOBK,美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制的GIPSY/OASIS軟件和瑞士BERNE大學(xué)研制的Bernese軟件;而一般的商用軟件主要有美國天寶公司TGO、TBC和TTC等軟件。近年來,國內(nèi)的各大公司也紛紛自主開發(fā)和研制各種商用軟件。本文主要針對國內(nèi)的三種GPS數(shù)據(jù)處理軟件——中海達(dá)HGO數(shù)據(jù)后處理軟件、華測CGO靜態(tài)處理軟件和南方GNSS數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行介紹,并通過實(shí)測數(shù)據(jù)對三種軟件進(jìn)行比較和分析,為工程人員選取合適的軟件提供一些參考。

1 國產(chǎn)三種軟件簡單介紹

Hi-Target Geomatics Office(HGO)是中海達(dá)繼HDS2003軟件后推出的第二代靜態(tài)解算軟件。該軟件設(shè)計(jì)支持GPS、GLONASS、BDS多系統(tǒng)解算,支持靜態(tài)、動態(tài)(走走停停,后處理RTK)等多種作業(yè)模式,用于高精度測量用戶的基線數(shù)據(jù)處理,網(wǎng)平差和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,能夠解算超長時間的靜態(tài)數(shù)據(jù),并能智能剔除粗差數(shù)據(jù);同時配套完整的解決軟件工具,包括全新的RINEX轉(zhuǎn)換軟件、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件、精密星歷下載軟件等。

CHC Geomatics Office(CGO)是華測公司完全自主研發(fā)的第二代全功能后處理軟件。其主要特點(diǎn)概括為:高效的解算引擎,優(yōu)越的自動化及長時間解算,自由組合的BDS、GPS、GLONASS數(shù)據(jù)解算;靜態(tài)、快速靜態(tài)、動態(tài)后處理(PPK)等多種作業(yè)方式,兼容天寶、科傻基線解算文件;國內(nèi)外多種NGS天線認(rèn)證與自動化識別;多種報(bào)告輸出(平差報(bào)告、基線報(bào)告、網(wǎng)圖報(bào)告、閉合環(huán)報(bào)告、項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告等),自我配置的平差檢驗(yàn)報(bào)告,符合國際化、行業(yè)化標(biāo)準(zhǔn);具有精細(xì)的操作日志記錄,以便實(shí)時了解當(dāng)前操作與后期回放。

南方GNSS數(shù)據(jù)處理軟件采用全中文操作環(huán)境、流程化管理與操作,具有更出色的圖形操作界面和良好的圖形服務(wù)功能,可進(jìn)行包括基線網(wǎng)圖、誤差橢圓等各種圖形的輸出、打印;采用建立項(xiàng)目文件的管理方式,用戶可方便地自定義橢球投影參數(shù)和選擇不同的坐標(biāo)系統(tǒng),增加了軟件的可操作性;在功能方面,具有比以往版本功能更強(qiáng)大、自動化程度更高、操作更方便的基線向量解算、閉合環(huán)搜索、網(wǎng)平差處理等功能[3]。

2 實(shí)測數(shù)據(jù)對比與分析

2.1 實(shí)測數(shù)據(jù)說明

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)主要分為兩部分,一部分來源于十堰國土、武當(dāng)國土和鄖縣國土的靜態(tài)觀測數(shù)據(jù),其數(shù)據(jù)為RINEX文件;另一部分為校園內(nèi)的GPS控制網(wǎng)數(shù)據(jù),該控制網(wǎng)的精度等級為國家D級[4],平均點(diǎn)間距0.4 km,布設(shè)站點(diǎn)數(shù)為12個。六個小組采用翻轉(zhuǎn)式的方法進(jìn)行靜態(tài)數(shù)據(jù)的采集測量,每個點(diǎn)的平均測段數(shù)為2,每測段時間為1 h,基線長度為0.5～1.5 km,采用華測公司的CHCX91B型號接收機(jī),原始數(shù)據(jù)為“.HCN”文件。

評定基線解算結(jié)果質(zhì)量的指標(biāo)有兩類,一類是基于測量規(guī)范的控制指標(biāo),另一類是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理的參考指標(biāo)。在工程應(yīng)用中,控制指標(biāo)必須滿足,而參考指標(biāo)則不作為判別質(zhì)量是否合格的依據(jù)[5]。判斷基線解算結(jié)果的質(zhì)量一般有三個參數(shù):比率、參考方差和均方根誤差RMS。一般情況下,比率應(yīng)大于3,參考方差應(yīng)為1左右,RMS值越小越好[6]。

RMS表明了觀測值的質(zhì)量。RMS越小,觀測值質(zhì)量越好;反之,則表明觀測值質(zhì)量越差。它不受觀測條件(如衛(wèi)星分布好壞)的影響。依照數(shù)理統(tǒng)計(jì)的理論,觀測值誤差落在1.96倍RMS的范圍內(nèi)的概率是95%.Ratio指整周模糊度分解后,次最小RMS與最小RMS的比值,Ratio值的大小反映了所確定出的整周未知數(shù)參數(shù)的可靠性,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),通常情況下,要求Ratio值大于1.8.本文從基線的比率Ratio和RMS值兩個質(zhì)量指標(biāo)來衡量基線解算的質(zhì)量。

2.2 不同長度的基線向量中誤差比較

實(shí)驗(yàn)選取長度不同的九條基線,其中編號1～3為短基線,編號4～6為中長基線,編號7～9為長基線。保持各軟件的參數(shù)一致,如截止高度角設(shè)為15°,采樣間隔設(shè)為30 s,最小歷元數(shù)為5等,然后對不同長度的基線進(jìn)行解算,得到的結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1示出不同長度基線對應(yīng)的RMS值大小,總體來看,無論對于短基線、中長基線還是長基線,HGO軟件的RMS值要略小于CGO軟件和南方GNSS軟件,可認(rèn)為HGO軟件的效果更好;三種軟件對于中長基線的解算結(jié)果要好于短基線和長基線的處理結(jié)果。圖2示出各基線對應(yīng)比率Ratio值的大小,在這里作為參考值;三種軟件的Ratio值變化沒有必然的規(guī)律,但都大于1.8,可以認(rèn)為觀測質(zhì)量相當(dāng)。

2.3 基線向量各分量中誤差的比較

三種軟件對基線進(jìn)行解算后,將會得到基線處理報(bào)告,從報(bào)告中選擇基線向量分量對應(yīng)的中誤差進(jìn)行比較和分析。圖3、圖4和圖5分別示出了各基線向量對應(yīng)的X方向、Y方向和Z方向的中誤差。

從圖中可以明顯看出,CGO軟件和HGO軟件對應(yīng)的X、Y、Z三個方向的中誤差都在3 mm以下,且上下浮動穩(wěn)定,處理結(jié)果較好;但南方GNSS軟件對應(yīng)的X、Y、Z三個方向的中誤差有很大波動,最大的誤差出現(xiàn)在1號基線對應(yīng)的Y分量上,高達(dá)74 mm,處理結(jié)果較差。因南方GNSS軟件未能處理基線8號和9號基線,故未對其進(jìn)行圖形的繪制與對比。

三種軟件對于中長基線的處理結(jié)果較好。對于4號基線,CGO軟件對應(yīng)的三個方向中誤差為2 mm、4 mm和1 mm,而對于5號基線和6號基線,其中誤差皆為0 mm,處理結(jié)果較好;同樣,對于這三條基線,HGO軟件對應(yīng)的X、Y、Z三個方向中誤差都小于1 mm,處理結(jié)果也較為精確;南方GNSS軟件對于5號基線的處理結(jié)果較好,對應(yīng)的三個方向中誤差都控制在2 mm以內(nèi),但對于4號和6號基線,其處理效果較差,最大的中誤差高達(dá)38 mm.

綜上所述,三種軟件對相同基線進(jìn)行處理后,CGO軟件和HGO軟件得到的結(jié)果較為理想,各基線向量在X、Y、Z三個方向的中誤差都比較小,并且中誤差浮動較為穩(wěn)定;南方GNSS軟件得到的結(jié)果較差,中誤差遠(yuǎn)大于另外兩個處理軟件,效果不是很理想。

2.4 GPS系統(tǒng)和北斗系統(tǒng)下基線向量的比較

在國家的大力發(fā)展和支持下,我國自主研發(fā)的北斗系統(tǒng)和技術(shù)日益成熟,并且廣泛應(yīng)用于生活中各個領(lǐng)域。目前國產(chǎn)接收機(jī)都可以處理GPS數(shù)據(jù)、BDS數(shù)據(jù)和GLONASS數(shù)據(jù)。為了更好地比較各軟件的功能和特點(diǎn),本節(jié)重點(diǎn)對比同一條基線在北斗系統(tǒng)下和GPS系統(tǒng)下解算后的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)選取了B1、B2、B3和B4四條長度在0.5～2 km的短基線,并分別用三種軟件進(jìn)行處理,最終得到結(jié)果如圖6和圖7所示。圖6和圖7中,其橫坐標(biāo)的12個值代表了三種軟件的處理順序,從左至右依次是CGO軟件、HGO軟件和南方GNSS軟件。

對比圖6和圖7可知,在CGO軟件中處理同一條基線,其應(yīng)用北斗數(shù)據(jù)處理后的RMS值都小于GPS數(shù)據(jù)處理后的RMS值,表明CGO軟件對于北斗數(shù)據(jù)的處理要優(yōu)于GPS數(shù)據(jù);對于HGO軟件,其應(yīng)用北斗數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)處理后得到的RMS值和Ratio值相差不大,處理效果相當(dāng);對于南方GNSS軟件,其應(yīng)用GPS數(shù)據(jù)和北斗數(shù)據(jù)解算的RMS值大小不一,但北斗數(shù)據(jù)的Ratio值大于GPS的Ratio值。綜上所述,目前國產(chǎn)軟件對北斗數(shù)據(jù)的處理已經(jīng)相當(dāng)成熟,在某些方面的精度甚至高于GPS數(shù)據(jù)。

2.5 網(wǎng)中各點(diǎn)無約束平差后的精度

當(dāng)控制網(wǎng)中每條基線的質(zhì)量都滿足要求后,才能進(jìn)行網(wǎng)平差的處理,統(tǒng)一坐標(biāo)系為WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)。對于CGO軟件,其執(zhí)行的是三維自由網(wǎng)無約束平差,沒有固定某一點(diǎn)作為已知點(diǎn);而對于HGO軟件和南方GNSS數(shù)據(jù)軟件,其各自默認(rèn)O1和O5為已知點(diǎn)進(jìn)行平差。三種軟件處理后的效果分別如圖8,圖9和圖10所示。

對比圖8～圖10可知,三種軟件對于網(wǎng)中各點(diǎn)平差后的點(diǎn)位誤差都小于10 mm,符合精度要求。整體來看,效果最好的是HGO軟件,其次是CGO軟件,南方GNSS軟件處理的結(jié)果較差;對于某個測點(diǎn)而言的,其X、Z方向的點(diǎn)位精度高于Y方向的精度。

3 結(jié)果分析

基線處理是GPS數(shù)據(jù)處理中至關(guān)重要的一步,基線解算結(jié)果的質(zhì)量對GPS定位結(jié)果有很大的影響。影響基線解算質(zhì)量的因素有很多,如衛(wèi)星高度角、電離層折射模型、對流層折射模型、觀測衛(wèi)星的選擇等[7]。本文基線處理結(jié)果的不同主要有以下幾種原因:三種軟件采用了不同的數(shù)學(xué)模型和算法,所以解算結(jié)果必然不同;由于該工程原始數(shù)據(jù)均由華測公司的CHCX91B型號GPS接收機(jī)采集,在數(shù)據(jù)導(dǎo)入時只有華測CGO軟件能對最初原始數(shù)據(jù)進(jìn)行天線高、天線類型等相關(guān)編輯;而HGO軟件和南方GNSS軟件所用的數(shù)據(jù)均為CGO軟件導(dǎo)出的RINEX2.0標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù),不一定能夠完全匹配;在基線解算過程中,不同軟件對相同數(shù)據(jù)的不合格基線設(shè)置不同,不合格基線數(shù)量也不同,在對不合格基線進(jìn)行調(diào)試時采用的操作不同。從而在對不合格基線進(jìn)行調(diào)整后,變?yōu)楹细竦幕€將對總體網(wǎng)點(diǎn)結(jié)構(gòu)有所影響,進(jìn)而造成了不同軟件精度有所差異[8]。在對三種軟件平差后的點(diǎn)位比較中可以得出,三種軟件整體上相差不大,但綜合比較HGO在本次解算中總體點(diǎn)位精度最好、離散型小,效果較為理想。

4 結(jié)束語

本文簡要介紹了華測CGO、中海達(dá)HGO和南方GNSS三種國產(chǎn)GNSS數(shù)據(jù)處理軟件,并通過實(shí)測數(shù)據(jù)從不同長度基線的解算質(zhì)量、基線向量分量誤差、點(diǎn)位誤差等幾個方面對三種軟件進(jìn)行了對比和分析,三種軟件均已非常成熟,其軟件操作簡單,符合國人習(xí)慣,并能滿足一般測量工程中GPS網(wǎng)對基線解算的精度要求;實(shí)驗(yàn)表明,對于短基線、中長基線和長基線,HGO軟件的RMS值要略小于CGO軟件和南方GNSS軟件,處理效果更好,三種軟件對于中長基線的解算結(jié)果要好于短基線和長基線;比較三種軟件處理后基線向量分量的中誤差,可知CGO軟件和HGO軟件的效果要優(yōu)于南方GNSS軟件;對于北斗數(shù)據(jù)的處理,CGO軟件則更勝一籌;從平差后的點(diǎn)位精度比較中可以得出,三種軟件整體上相差不大,都滿足工程需求。文中僅僅將三種國產(chǎn)軟件進(jìn)行了相對比較,并沒有進(jìn)行絕對比較,下一步工作將獲取更多更全面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),以國外科研軟件Bernese或者商業(yè)中應(yīng)用最廣泛的TGO軟件的處理結(jié)果作為基準(zhǔn)進(jìn)行比較,為后續(xù)的GPS、北斗數(shù)據(jù)處理工作和工程人員提供更多的參考。

[1] 李征航,黃勁松.GPS測量與數(shù)據(jù)處理應(yīng)用[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2005.

[2] 盧獻(xiàn)健,任超.GPS數(shù)據(jù)處理科研軟件與商業(yè)軟件對比分析[J].全球定位系統(tǒng),2007,32(5):29-32.

[3] 南方測繪儀器有限公司.南方GNSS數(shù)據(jù)處理軟件使用手冊[M]. 廣州：廣州出版社,2012.

[4] 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范(GB/T18134-2001)[S]. 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2001.

[5] COOLIDGE T，HEIMA M,COLDWELL S E,etal. Reliability and validity of the revised Iowa Dental Control Index in a non-clinical sample[J]. Personality and Individual Differences,2005:773-783.

[6] 劉紫平,余代俊,惠海鵬.幾款商用GPS數(shù)據(jù)處理軟件基線解算結(jié)果比較分析[J]. 礦山測量,2011(1):18-20，42.

[7] 謝劭峰. 觀測衛(wèi)星選擇對GPS基線解算質(zhì)量的影響[J]. 海洋測繪,2005, 25(5):10-12

[8] 石大鵬.不同GPS后處理軟件成果的比較[J]. 煤炭工程,2012(S2):164-166.

Comparing and Analyzing for Chinese GNSS Data Processing Software

SUN Guopeng1,2,LI Jiansheng1,2,HAO Xiangyang1,2,ZHANG Xiaodong1,2

(1.SchoolofNavigationandAeroSpaceEngineering,InformationEngineeringUniversity,Zhengzhou450001,China2.BeidouNavigationTechnologyCollaborativeInnovationCenterofHenan,Zhengzhou450001,China)

In recent years, the development of BDS has greatly promoted the evolution and progress of the domestic GNSS data processing software. In this paper, three commercial softwares including HGO, CGO and South GNSS software have been studied by keeping the threshold elevation angle and sampling frequency the same, the quality of baseline calculation, the position accuracy after net-adjustment, and the baseline processing results under BDS and GPS are compared and analyzed. Experiments show that the three commercial softwares are relatively mature, and can meet the D grade GPS control network engineering measurement accuracy requirements. The results of the baseline vector and net adjustment by HGO software are slightly better than the other two kinds of softwares.

GNSS; data processing; baseline calculation; net-adjustment

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.01.021

2016-10-10

P228.4

A

1008-9268(2017)01-0103-05

孫國鵬 (1992-),男,遼寧鐵嶺人,碩士生,研究方向?yàn)閷?dǎo)航定位工程與技術(shù)。

李建勝 (1975-),男,湖北鐘祥人,副教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)橐曈X導(dǎo)航與空間環(huán)境仿真。

郝向陽 (1966-),男,河南濟(jì)源人,教授, 博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)橐曈X導(dǎo)航與視覺測量。

張小東 (1991-),男,陜西延安人,漢族,碩士生,研究方向?yàn)閷?dǎo)航定位工程與技術(shù)。

聯(lián)系人: 孫國鵬 E-mail:gpsguopeng@163.com