Bernese 5.0软件下的精密单点定位精度分析

鲁洋为，王振杰

(中国石油大学(华东)地球科学与技术学院，山东 青岛 266580)



Bernese 5.0软件下的精密单点定位精度分析

鲁洋为，王振杰

(中国石油大学(华东)地球科学与技术学院，山东 青岛 266580)

Accuracy Analysis of PPP Based on GPS Software Bernese 5.0

LU Yangwei，WANG Zhenjie

摘要：Bernese软件是当前国内外广泛应用的高精度GPS数据处理软件之一。本文简单介绍了Bernese5.0软件精密单点定位的数据处理策略，采用bjfs、harb两个IGS站1570周的数据，分析了静态精密单点定位时不同星历产品、钟差采样间隔对定位精度的影响；选取bjfs、harb站1570周第一天的数据，分析了动态精密单点定位中卫星截止高度角、先验对流层模型、钟差采样间隔对定位精度的影响。最后，结合2011年日本“3·11”地震时mizu站的数据，提取GPS地表同震形变，验证了Bernese 5.0精密单点定位的可靠性。

关键词：Bernese 5.0；GPS；精密单点定位

精密单点定位是当前GNSS领域研究的热点[1-2]，利用该技术，用户只需采用单台接收机在目标点位上观测一段时间就可以获得高精度的点位信息，具有成本低、工作量小的特点。目前，国内外广泛使用的高精度GNSS数据处理软件主要有MIT和SCRIPPS研究所共同研发的GAMIT软件、瑞士伯尔尼大学天文研究所开发的Bernese软件及JPL的GIPSY软件[3]。其中GAMIT为开源软件并采用双差方法处理GPS数据，而GIPSY只提供可执行文件，采用非差方式处理GPS观测值，但在模糊度解算时采用差分模式[4]。Bernese作为有偿使用软件，很好地兼顾了两种数据处理策略，既能够进行差分数据解算，也有高精度的非差数据处理模块，并且具有用户界面友好、模块条理清晰、功能强大等特点，被国内外广泛应用[5-7]。本文结合bjfs、harb两个IGS站的数据，利用Bernese 5.0的精密单点定位(precise point positioning，PPP)模块，在静态精密单点定位时，分析了igf(final orbit)、igu(ultra rapid orbit)、code(CODE orbit)星历及钟差采样间隔对定位精度的影响；在动态解算时，分析了卫星截止高度角、先验对流层模型及钟差间隔对定位精度的影响，并利用2011年日本“3·11”地震时mizu站的数据，提取GPS地表同震形变，验证了Bernese 5.0精密单点定位的可靠性。

一、Bernese 5.0精密单点定位数据处理方法

在GNSS数据处理中，数据预处理的好坏直接决定着定位精度，而周跳探测与修复是数据预处理的关键，Bernese软件中，利用改进的TurboEdit方法进行周跳探测与修复[8]。在周跳探测时，采用MW和LG组合，以卫星弧段为单位，首先计算一弧段MW组合宽巷模糊度NMW的时间序列及其中误差σ，若σ超过阈值，则认为此弧段有周跳，需要进行周跳探测。然后将该弧段观测值等历元分为两段，若式(1)成立时，则认为i历元可能发生周跳。

(1)

参数估计是精密定位中最重要的环节，其估计方法直接影响解算的精度和效率，待估计的未知参数主要有接收机位置、接收机钟差、对流层延迟及无电离层组合模糊度等参数。Bernese 5.0在参数估计时，引入参数消除法对多余参数进行等价消除，以减少法方程的维数，提高计算速度和效率，对于被消除的参数，其信息仍然保留在法方程中，可以通过参数恢复法进行求解[9-10]。在应用Bernese 5.0软件时，一般用其精密单点定位模块解算得到的测站三维坐标作为差分处理的先验近似坐标，这是因为在该模块中，忽略了测站和钟差的相关性，使得模糊度固定的时间不稳定，甚至难以固定。尽管如此，用Bernese 5.0软件的精密单点定位模块解算精度仍然较高，并为许多研究机构所用。

二、算例及精度分析

试验采用bjfs、harb两个IGS站的数据，首先用Bernese 5.0的精密单点定位模块对1570周两测站数据进行静态精密单点定位解算，并分析了其定位精度，然后采用1570周第1天两测站数据进行动态精密单点定位解算并进行了精度分析，最后结合2011年日本“3·11”地震时mizu站的数据进行了实例分析。在动态精密单点定位解算时将数据重采样为60 s采样间隔的数据(mizu站数据除外)，在精度分析时，以1570周单天解的均值作为真值(钟差产品为IGS的30 s采样间隔的最终精密钟差)。

1. 静态精密单点定位及精度分析

分别采用igf、igr及code星历产品得到1570周的单天解，并与真值比较，结果如图1所示。分别采用5 min采样间隔的钟差产品和30 s采样间隔的钟差产品进行解算，得到的结果如图2所示。

图1　不同星历产品对静态精密单点定位的影响

由图1可以看出，在总体趋势上，三者的定位精度相差不大，bjfs站在x、y、z 3个方向的差值均在1cm以内，对于harb站，差值最大的也在2cm之内，即无论是快速星历产品，还是code的星历产品和igs星历产品，都能得到比较稳定的定位结果。并且，由表1可以看出，3种星历产品得到定位结果的RMS值最大为8.92mm，最小1.83mm，这说明Bernese5.0精密单点定位模块的精度较高，并且可以达到毫米级。在3种结果中，igf和code星历产品的结果略显平稳，但igf结果的RMS均小于code解算结果；igr结果变化较大，其RMS均大于igf的结果，并且对于bjfs、harb两站，只有一个方向RMS大于code解算结果，即igr的结果比igf和code略差，而igf略优于code的结果。由图2可以看出，30s采样间隔与5min采样间隔的钟差产品的定位精度相当，没有较大的差异。从表1的统计结果同样也可以看出，采用30s采样间隔的钟差产品解算的结果与5min采样间隔的钟差产品的结果精度相当。

图2　钟差采样间隔对静态精密单点定位的影响

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2. 动态精密单点定位及精度分析

(1) 卫星截止高度角对定位精度的影响分析

卫星截止高度角影响着可视卫星的几何结构，当卫星截止高度角较低时，可视卫星较多，但多路径效应和周跳会明显增加，因此在试验中，将卫星截止高度角分别设为10°、20°、30°进行动态解算，得到的结果如图3所示。由图3可以明显地看出，在截止高度角为10°时，bjfs、harb两测站的定位结果都很稳定，没有出现较大的跳动；当高度角变为20°时，就开始出现了跳动，如在bjfs的x、y、z方向上均出现了一些较小的跳动，在harb站出现的跳动更大，x、z方向偏差均达到2 m左右的情况；当高度角变为30°时，跳动的幅度更大，bjfs站在x、y方向的跳动达到10 m，z方向的跳动也达到3 m左右，harb略好于bjfs，x方向跳动约为5 m，y、z方向的跳动在2 m左右。在卫星截止高度角变大时，定位结果出现较大的跳动，这是由于高度角影响着可见卫星的几何结构的原因。高度角越高，尽管多路径效应和周跳的影响变小，但可见卫星变少，使得观测结构变差，从而使定位结果变差。

图3　截止高度角对动态精密单点定位的影响

(2) 先验对流层模型对定位精度的影响分析

Bernese软件在精密单点定位解算时，一般采用“先验值+估计”的方法，下面讨论先验对流层模型对定位精度的影响。解算时，将截止高度角设为10°，先验对流层模型分别为Hopfield模型、Saastamoinen模型、Niell模型及Non(先验值为零)时，进行动态解算，得到结果如图4所示。由图4可以看出，当先验对流层模型为Non，即不采用任何先验模型时，解算结果偏离真值最大，以bjfs站为例，x方向偏差达到3 cm左右，y方向偏差也达到了18 cm左右，z方向偏差约为15 cm，而附加了先验对流层模型的解算结果要明显优于不用任何模型时的解算结果；当附加先验对流层模型时，可以看出，先验模型为Saastamoinen、Niell模型时的解算结果精度相当，并且要优于先验对流层模型为Hopfield模型时的精度，由harb站的解算结果也可以得出相同的结论。

(3) 钟差采样间隔对定位精度的影响分析

采用IGS最终精密星历与精密钟差，钟差采样间隔分别为30 s和5 min，采用动态解算，结果如图5所示。

在bjfs站的结果中，可以明显地看出，采用5 min采样间隔的钟差产品时，在1100历元处存在较大的跳动，而钟差间隔为30 s时的结果要比5 min时稳定，但也出现了多处10 cm左右的跳动；对于harb站，图上二者的差别并不明显。对解算结果进行统计，结果见表2。可以看出，bjfs站30 s结果的RMS在x、y方向均大于5 min钟差解算的结果，而在z方向略优于5 min钟差解算的结果，这是因为在30 s钟差解算的结果中出现了多处10 cm左右的跳动，而采用5 min钟差的结果由于钟差是通过内插得到的，故结果比较平滑；对于harb站，只有z方向30 s钟差解算结果的RMS稍大，x、y方向均小于5 min钟差解算的结果。总体上看，30 s采样间隔钟差解算的，结果会出现小的波动，可以反映出微小的变化，而5 min采样间隔的结果则会出现较大的跳动。

图4　先验对流层模型对单历元精密单点定位的影响

图5　钟差采样间隔对动态精密单点定位的影响

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(4) GPS同震地表形变的提取

以2011年日本“3·11”地震期间mizu数据为例，采用精密单点定位提取地表同震形变，分析Bernese 5.0精密单点定位的精度。截取地震期间mizu站5：45—5：55 10 min的观测数据，采用动态模式解算，得到N、E、U方向位移如图6所示。可以看出，地震波到达时，测站开始向东南方向发生剧烈的抖动，测站最大位移向东达到3 m、向南达到2 m，随着地震波的衰减，测站位置发生回弹，最终造成mizu站向东约2.1 m、向南1.1 m的永久性位移，这与其他研究机构发布的研究结果一致[11-12]。

图6　“3·11”地震mizu站位移

三、结束语

Bernese软件在静态精密单点定位解算时，可以达到毫米级的精度，对于长时间的观测数据，钟差的采样间隔及不同机构发布的星历、钟差产品对定位结果影响不大。在动态解算时，采用合理的设置可以达到厘米级的精度。Bernese具有解算速度快、速精度高的优点，在国内外许多项目中得到了广泛的应用。利用其精密单点定位模块，采用单站GPS观测数据可以得到测站高精度坐标及其时间序列，可以用来提取高精度地表同震形变，对目前的地壳形变监测及工程应用具有重要的实际意义。

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中图分类号：P228.4

文献标识码：B

文章编号：0494-0911(2016)02-0022-04

作者简介：鲁洋为(1990—)，男，研究方向为GNSS测量数据处理。E-mail：luwei09013201@163.com

基金项目：国家自然科学基金面上项目(41374008)；中央高校基本科研业务费专项资金(11CX04012A)

收稿日期：2014-12-29

引文格式： 鲁洋为，王振杰. Bernese 5.0软件下的精密单点定位精度分析[J].测绘通报，2016(2)：22-25.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0041.