劉邢巍,蒲德祥,高翔,張士勇,夏定輝

(重慶市地理信息中心,重慶 401127)

0 引 言

GNSS靜態(tài)相對定位技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各級控制網(wǎng)布設(shè)和實施中.隨著我國北斗系統(tǒng)的快速建設(shè),GPS/BDS/GLONASS三星座靜態(tài)相對定位成為可能,同時大部分省市正在實施北斗CORS網(wǎng)建設(shè)和升級改造工作,為了發(fā)揮北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢、保證CORS站能夠提供準(zhǔn)確的坐標(biāo)基準(zhǔn)服務(wù),實現(xiàn)基于北斗數(shù)據(jù)的高精度基線解算將十分關(guān)鍵[1].相比于單一系統(tǒng)而言,多系統(tǒng)組合定位在連續(xù)性、可用性、可靠性、精度以及效率等各方面都更具優(yōu)勢.

GAMIT軟件美國麻省理工學(xué)院(MIT)和Scripps研究所(SIO)共同研制,該軟件是世界上優(yōu)秀的GNSS定位和定軌軟件之一,其解算長基線的相對精度能達(dá)到10-9量級,應(yīng)用相當(dāng)廣泛[2-4].最新發(fā)布的GAMIT10.61版本支持Rinex3格式及多GNSS系統(tǒng)(GPS、BDS、Galileo、IRNSS)觀測數(shù)據(jù)處理,且只能單獨解算每個星座的數(shù)據(jù),尚不支持多星座數(shù)據(jù)融合處理(如無法同時處理GPS和BDS數(shù)據(jù))[5].需要注意的是,GLOBK程序可以將單個星座基線解算生成的h文件進(jìn)行合并估算站點坐標(biāo)和速度場.

本文利用GAMIT10.61軟件對重慶CORS網(wǎng)GPS和BDS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并從基線重復(fù)性、單日解時間序列、聯(lián)合解平差等三個方面量化了GPS和BDS定位差異.本文對利用GAMIT開展北斗/GNSS高精度數(shù)據(jù)處理具有一定的參考價值.

1 數(shù)據(jù)處理

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用重慶CORS網(wǎng)[6]2017年12月14日-12月19日(年積日348～353)8個GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站連續(xù)觀測資料,其中最長基線CHKO-JIJI約443 km,最短基線BANA-BISH約37 km.站點分布如圖1所示.

表1 站點設(shè)備信息表

1.2 基線解算主要模型和參數(shù)

采用GAMIT軟件以分步處理的方式分別對基準(zhǔn)站GPS和BDS數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算,為了確保解算質(zhì)量,制定如下解算策略:

1) 利用武漢大學(xué)IGS數(shù)據(jù)中心提供的事后多系統(tǒng)混合精密星歷(ftp://igs.gnsswhu.cn/pub/whu/MEGX);

2) 使用基線解(BASELINE)模式;

3) 采用LC-AUTCLN觀測量類型,用于削弱電離層折射的影響;

4) 衛(wèi)星截止高度角為15°,采樣率設(shè)為30 s,處理的歷元數(shù)為2880個;

5) 處理對流層折射時,干、濕延遲投影函數(shù)都是GMF投影函數(shù);采用PWL分段線性方法估計天頂濕延遲參數(shù)并且估計水平梯度,估計間隔為2 h;

6) 衛(wèi)星鐘差通過混合廣播星歷(ftp://igs.gnsswhu.cn/pub/gnss/mgex)中的鐘差參數(shù)進(jìn)行模型改正;

7) 接收機(jī)鐘差通過偽距觀測值計算;

8) GPS接收機(jī)和衛(wèi)星天線相位中心改正采用antmod.dat文件的設(shè)定值,天線模型采用ELEV模型;

9) 考慮測站位置的潮汐改正.

2 結(jié)果分析

2.1 基線結(jié)果分析

依據(jù)以上基線解算策略,對基準(zhǔn)站網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,引入標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差NRMS值和基線重復(fù)性兩種指標(biāo)評定基線解算質(zhì)量[2,7].

1) 標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差(NRMS)值.

NRMS值是用來表示單時段解算出的基線值偏離其加權(quán)平均值的程度,是從歷元的模糊度解算中得出的殘差,是衡量GAMIT基線解算結(jié)果的一個重要指標(biāo).根據(jù)國內(nèi)外GNSS數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗,其值一般應(yīng)小于0.5,若NRMS太大,則說明處理過程中周跳尚未完全修復(fù)(表2示出了基線解算單天解的PostfitNRMS值).從表2可以看出兩個星座單獨解算得到的NRMS值均小于0.5,其中GPS對應(yīng)的NRMS均值為0.25,最大為0.31,BDS對應(yīng)的NRMS均值為0.28,最大為0.48,表明兩個星座單時段解算出的基線值偏離其加權(quán)平均值的程度較小,且GPS略優(yōu)于BDS.

表2 GPS和BDS基線解算單日解NRMS值

2) 基線重復(fù)性.基線重復(fù)性作為衡量數(shù)據(jù)處理質(zhì)量的重要指標(biāo)之一,反映了基線解的內(nèi)部精度,進(jìn)而評定基線解算的質(zhì)量.基線向量的重復(fù)性計算公式為

(1)

整個GNSS網(wǎng)的重復(fù)精度可用固定誤差和比例誤差兩部分表示,即

Rk=a+bl，

(2)

式中:Rk為分量的重復(fù)性精度指標(biāo);a為分量的固定誤差;b為相對誤差;l為基線的長度.由分量的重復(fù)性進(jìn)行固定誤差與比例誤差的直線擬合得到.

表3 GPS基線向量重復(fù)性統(tǒng)計表

表4 BDS基線向量重復(fù)性統(tǒng)計表

表3、4示出了GPS和BDS基線向量的重復(fù)性,可以看出GPS基線向量重復(fù)性明顯優(yōu)于BDS基線向量重復(fù)性.其中,GPS基線重復(fù)性在南北方向、東西方向、基線長度方向的固定誤差均優(yōu)于1 mm,垂直方向表現(xiàn)最大為2.5 mm,且其相對精度均達(dá)到了10-9水平;BDS基線重復(fù)性在水平方向、垂直方向、基線長度方向的固定誤差大于GPS基線重復(fù)性,垂直方向表現(xiàn)最大為7.81 mm,且除了垂直方向相對精度為10-8水平外,其他向量均達(dá)到了10-9水平.綜上,在基線向量重復(fù)性方面,GPS優(yōu)于BDS,垂直方向差異更為明顯,可能是由于缺少BDS天線相位中心模型導(dǎo)致,但基于GAMIT10.61的BDS中長基線可以滿足高精度數(shù)據(jù)處理要求.

2.2 網(wǎng)平差結(jié)果分析

2.2.1 單日解坐標(biāo)時間序列

利用GLOBK軟件中的GLRED模塊分別對BDS和GPS基線結(jié)果(GAMIT軟件輸出的H-file)進(jìn)行單日解網(wǎng)平差,平差時顧及整個網(wǎng)形和站點穩(wěn)定性[8],選取城口站(CHKO)進(jìn)行強(qiáng)約束,單日解時間序列如圖2～圖9所示，從圖中可以看出:

1) 時間序列重復(fù)性方面,利用GPS數(shù)據(jù)解算得到的加權(quán)均方根誤差(WRMS)整體小于BDS數(shù)據(jù)(如表5所示).其中,在N方向上兩者差值小于1 mm;E方向上差值小于2 mm;U方向上除BANA和YUBE站點差值大于10 mm外,其它站點差值小于4 mm,可見,BDS和GPS時間序列在水平方向上WRMS值接近,高程方向WRMS值略大于水平方向,部分站點表現(xiàn)更為明顯.表明GPS解算得到的單日解時間序列重復(fù)性優(yōu)于BDS,尤其在高程方向更有優(yōu)勢.此外,GPS 在N、E方向上WRMS值較為接近,而BDS在N方向上WRMS值普遍小于E方向.

2) 單日解坐標(biāo)誤差估計方面,GPS單日解坐標(biāo)估計誤差整體略小于BDS.其中,BDS在水平方向估值精度優(yōu)于3 mm,在高程方向優(yōu)于12 mm;GPS在水平方向估值精度優(yōu)于2 mm,在高程方向優(yōu)于8 mm.

表5 BDS與GPS單日解時間序列WRMS值

2.2.2 聯(lián)合解平差

為更好地評估BDS與GPS單日解聯(lián)合平差結(jié)果,本文采用GLOBK程序?qū)稳战鈎文件進(jìn)行平差,平差時顧及整個網(wǎng)形和站點穩(wěn)定性,選取城口站(CHKO)進(jìn)行強(qiáng)約束,平差方案如下:

1) 對BDS生成的h文件平差,以下稱單BDS解;

2) 對GPS生成的h文件平差,以下稱單GPS解;

3) 對GPS和BDS生成的h文件聯(lián)合平差,以下稱GPS+BDS組合解.

表6～表8分別示出了單GPS解與GPS+BDS組合解、單BDS解與GPS+BDS組合解、單GPS解與單BDS解之間的差值.可以看出:1)單BDS解與單GPS解在水平方向差值小于0.7 cm,高程方向差值在1～3 cm;2)與單BDS解相比,單GPS解與GPS+BDS組合解更為吻合.

表6 單GPS解與GPS+BDS組合解差值 mm

表7 單BDS解與GPS+BDS組合解差值 mm

表8 單GPS解與單BDS解差值 mm

3 結(jié)束語

本文利用GAMIT10.61軟件對中長基線BDS數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)處理并進(jìn)行對比分析,結(jié)果表明:1)在基線重復(fù)性和單日解時間序列方面,GPS解算結(jié)果整體優(yōu)于BDS,且單BDS解與單GPS解在水平方向差值小于0.7 cm,高程方向差值在1～3 cm;2)利用BDS數(shù)據(jù)解算得到的基線重復(fù)性在平面方向、基線長度方向固定誤差優(yōu)于3 mm,且相對精度可以達(dá)到10-9,高程方向上固定誤差8 mm,相對精度可以達(dá)到10-8;3)由于缺少BDS天線相位中心模型,在高程方向上BDS數(shù)據(jù)解算與GPS差異較為明顯.因此對于中長基線觀測網(wǎng)而言,采用單GPS或單BDS數(shù)據(jù)均可獲得高精度平面坐標(biāo),但在高程方向上,單GPS數(shù)據(jù)處理結(jié)果略優(yōu)于單BDS數(shù)據(jù)處理結(jié)果.