基准站网型结构对GNSS网平差精度的影响分析

李涌涛 苗岳旺 米科峰

（西安测绘总站 陕西西安 710054）

1 引言

GNSS(Global Navigation Satellite System, GNSS)网的约束平差常被用于实现 GNSS网成果由基线解算时所用卫星参考系到特定参考系间的转换[1]。只要在网平差时引入两个或两个以上的起算点坐标，就能实现参考系的转换。采用连续运行基准站进行基线解算时，需要选择一组基准站点与待解点构成GNSS三角网，对GNSS网进行约束平差，从而得到与基准站坐标框架一致的待定点坐标成果。但是选择基准站时，所选的网型结构不同，就会带来不同的解算结果。

本文通过对GNSS网进行实际计算和统计分析，介绍了连续运行基准站在 GNSS网平差中的选择方法，分析了基准站的几何结构对 GNSS平差精度的影响。

2 基于连续运行基准站的GNSS测量模式

基于连续运行基准站的 GNSS测量模式，就是利用基准站全天候不间断地观测，精度高，基准统一的特点，与待定点组成同步观测，并将基准站坐标作为已知数据和待定点一起解算，最终得到待定点坐标。待定点外业测量无需考虑同步观测问题，作业更加简便，效率也得到很大提高。随着中国大陆构造环境监测网络 260个站的建成运营，以及各省市，各部门相继在全国范围内建立的连续运行基准站的运行，基准站间距离已缩短到 150~200km，有些地区甚至小于50km，使得在内业进行数据解算时，基准站选取范围更大、更多样[3]，一般选取3-6个基准站就能用于实现基准的转换与必要的检核[1]，也可以较好地保持GNSS网的原有精度，所以精确、良好地选择基准站有助于提高数据解算的精度、速度与效率。

连续运行基准站已广泛应用于基础测绘、国土规划、自然灾害预报等领域以及农业、林业、金融、交通、水利、环保等部门和行业，提供基准控制、差分定位、地震监测、气象预报等服务。

3 算例分析

3.1 实验数据处理

GNSS数据处理采用GAMIT（10.40版）/GLOBK数据处理软件[2]，分为基线解算和网平差两步。基线解算利用基准站的同步观测数据与待定点一起解算，GNSS数据选取中国大陆构造环境监测网络中的6个基准站与3个待定点的同步观测数据，采用双频GPS接收机观测，每个点连续观测4天的数据，每天观测时长约为23.9h，观测时段不跨过UTC时间0时，数据采样间隔为30s，卫星截止高度角为10°，对流层误差模型为 GMF模型；基准站坐标约束为0.05m、0.05m、0.05m，待定点坐标约束为 100m、100m、100m。星历采用精密星历，气象数据采用标准气象。基线解算以单天解为基础，根据解算结果并参考NRMS值（标准均方根误差）和基线重复性检验、异步环检验结果对基线进行精化处理，使基线解都符合各项检验标准。

平差计算时对所选的已知基准站点坐标进行强约束（约束值为0.005m、0.005m、0.01m），即在基准站坐标应施加1σ的约束，这样不仅在统计上保证平差基准不变，也可充分利用GPS的信息，使网不会发生大的扭曲和形变[4]。采用全部合格基线解的h文件，经过GLOBK整体平差得到全部待定点成果，各项检验皆符合标准。

3.2 实验方案与数据分析

实验数据选取3个待定点DD01、DD02、DD03（坐标已知），6个基准站JZ01、JZ02、JZ03、JZ04、JZ05、JZ06（整网平差时只强约束选定的部分基准站）进行实验，具体点位分布如图1所示；

方案1:整网平差时强约束选取的6个基准站；

方案2:整网平差时强约束选取的6个基准站中的任意5个（共6种子方案）；

方案3:整网平差时强约束选取的6个基准站中任意相邻3个与剩下一个（共6种子方案）。

方案4:整网平差时强约束选取的6个基准站中任意相邻的4个（共6种子方案）。

图1:待定点及基准站点位分布图

对以上4种方案中所得的3个待定点坐标与已知的 3个待定点坐标求差，及各点解的中误差统计如表1至表4，其中表2至表4为各方案中6种子方案的坐标差及各点中误差的平均值。

通过上图可以得出如下结论:

（1）若以方案1中6个基准站的平差结果为标准，由表1和表2、表1和表3对比，可以看出，方案1、方案2、方案3中待定点的点位都位于所选基准站构成的多边形行中，基准站各个方向上几何分布较为均匀，且三种方案中待定点的点位精度基本一致。由表1、表2、表3中待定点DD01、DD02、DD03结果比较可以看，在基准站几何分布较为均匀的情况下基准站的数目从4个增加到6个，待定点精度基本一致，且方案2与方案3中的6种子方案相互之间进行了验证。待定点的精度一致，这是因为在4个基准站的情况下定位精度已经达到1cm以内，若要求所建立的GPS网成果与现有成果吻合最好，则起算点（基准站）数量越多越好，但选择过多的基准站对解算结果精度的提高影响不大，而且会降低运算速度。

（2）比较方案3和方案4，方案4由于选取了相邻的4个基准站，所选基准站分布在待定点一侧，这种网型结构对待定点的包围并不好，而方案 3依然能够保证待定点各个方向都有基准站。比较表3和表4，可以看出，方案4的定位精度达到了4cm，远低于方案 3的精度。这说明基准站的网型结构对待定点定位的精度影响比较大。所选基准站几何分布均匀，较之基准站在待定点一侧的方案网型结构更加稳定，并有助于提高待定点精度。

表1:方案1中待定点的解算结果统计（m）

表2:方案2中待定点6种子方案的解算结果平均值统计（m）

表3:方案3中待定点6种子方案的解算结果平均值统计（m）

表4:方案4中待定点6种子方案的解算结果平均值统计（m）

4 结束语

随着我国基准站建设数量的增加，基准站覆盖范围增大，GNSS网约束平差时可选基准站的数量和方案也随之增加，加之基准站的选取并没有准确的理论依据，在选取时具有一定的随意性和盲目性。对于网平差计算来说，基准站的选取要适量，且网型结构应该均匀分布，太多的基准站对于定位精度的提高并不大，而且会明显增加基线解算和网平差计算的时间、降低效率。较差的网型结构则无法较好地控制待定点的旋转和平移，导致定位结果出现较大的偏差。在基准站适量的情况下，选择基准站几何结构分布较为均匀的网型有助于提高 GNSS网平差的精度。

[1]李征航，黄劲松.GPS测量与数据处理[M]武汉:武汉大学出版社，2013.

[2]赵建三，杨创，闻德保.利用GAMIT进行高精度GPS基线解算的方法及精度分析[J]测绘通报，2011（08）:5-8.

[3]程广义，张海东，张英利，万鑫，赵淑芬.利用高等级点加强三级GPS网的处理分析[J]大地测量与地球动力学，2012,32（2）:96-99.

[4]隋立芬.高精度GPS网的统一与数据处理若干问题研究[D]郑州.中国人民解放军信息工程大学.2001.