Bernese解算区域GPS网结果与IGS站选取关系探讨

符钢,陈西斌

(1.佛山市城市规划勘测设计研究院,佛山 528000;2.长春市测绘局,长春 130022)



Bernese解算区域GPS网结果与IGS站选取关系探讨

符钢1,陈西斌2

(1.佛山市城市规划勘测设计研究院,佛山 528000;2.长春市测绘局,长春 130022)

利用Bernese软件进行解算,结合某实测GPS变形监测网中的6个站点解算,讨论了IGS基准站数量、基准站分布对变形监测GPS网数据解算精度的影响．结果表明,处理区域GPS网时,最好选取IGS基准站提供的参考框架,且IGS站空间分布要尽量均匀,个数4个即可．这一结论可为选取合适的IGS站处理区域GPS网数据提供依据．

区域GPS网;BERNESE解算;变形监测;IGS基准站

0　引　言

对于高精度的GPS数据处理,IGS基准站的选取至关重要,选取不当,对处理结果的影响将是系统性的[1-2]．精密解算软件Bernese软件处理数据时,一般选择精度较高的地心坐标IGS基准站。因此,国内外不少学者对GPS站点选择进行探讨[3-6],但目前主要还是根据经验选取IGS基准站,并没有明确的选取原则。本文基于美国地基GPS监测网中6个站点的计算对其进行深入研究;并以中国香港IGS站数据进行验证,得出了在我国内陆也适用的结论。

1　数据资料与计算参数

1.1数据资料

选取美国地基GPS监测网中的6个站组成区域网进行分析;该实验中6个站点，如图1所示，站间距离在60～270 km之间,SG01站与SG04站间距离最短为61.74 km; SG16站与SG72站间距离最长为264.76 km．为找到该区域GPS网解算时较为理想的IGS站选取方案,在IGS站数据和区域监测网数据较为理想的前提下,讨论IGS基准站数量、南北半球分布对解算精度的影响。

图1　选用监测网站点的分布图

1.2Bernese参数选择

利用Bernese软件进行解算,主要参数设置如表1所示。

表1　软件参数设置

1.3数据预处理

选用监测网6个站的数据,为了保证计算结果的可靠性,选取观测质量好、数据量大的2009年第091～097(年积日)的数据进行解算,时间为1周。首先利用TEQC数据预处理软件对上述各站点的数据质量进行检核,结果表明上述数据的缺数率、伪距的多路径效应的影响(MP1、MP2)、信噪比等参数均较为理想。结果如表2所示。

表2　TEQC 预处理结果

2　IGS基准站数量对解算结果的影响

2.1IGS基准站选取方案

为讨论IGS基准站数量对结果精度的影响,选取0～6个IGS基准站共七种方案,这6个IGS站代码分别为GODE、NLIB、GOLD、NIST、PIE1和INEG。解算时区域网中6个站点保持不变,同时也考虑GPS网边缘IGS站的影响。

2.2计算结果比较

1) 基线重复率比较

基线重复率是一个衡量数据处理质量的重要指标。基线分量重复率是GPS相对定位结果的重要指标之一,反映了时段解间的内符合精度,并提供了卫星轨道、大气效应、多路径效应和天线相位中心不定时期等的变化,其计算公式为[7]

(1)

对2009年第091～097日区域GPS网基线重复率计算得出:七种方案中小于200 km的基线边的基线重复率小于3.0 mm,大于200 km的基线边的相对重复率优于10-8,和GAMIT软件解算长基线的相对精度所能达到的10-9量级[8]的精度相当。图2是基线重复率的平均值比较图。由图2可得出,不选择IGS站的基线重复率平均值较大,随着IGS站个数增加,基线重复率平均值逐渐变小,方案7选取6个IGS基准站的基线重复率的平均值最小且IGS基准站个数超过4个后趋于稳定。

2) 坐标重复性比较

通过每一个观测时段解算出来一个坐标分量的序列,再通过这些坐标分量计算出站点坐标的算数平均值;坐标重复性是指每一观测时段解算的坐标与这个算数平均值的差值。通过这个残差的大小可以分析每个观测时段的解算结果是否出现异常[9]．

通过计算得到各方案在N、E和U三个方向的坐标重复性对比结果(单位:mm),分别如图2、图3和图4所示。图5示出了各方案坐标平均重复性比较结果。

由图2、3、4可得出:随IGS站个数的增加,在N、E、U方向上的重复性逐渐变小,当IGS站个数超过4个时趋于稳定，由7种方案坐标平均重复性比较可得:坐标平均重复性随个数的增加逐渐降低且趋于稳定，在N、E、U方向上,方案5～7精度相当。

图2　各站N方向坐标重复性比较

图3　各站E方向重复性比较

图4　各站U方向重复性比较

图5　各方案坐标平均重复性比较

通过以上结果分析可得:随着IGS站个数增加,解算精度逐渐提高,当IGS基准站个数达到4个时趋于稳定，综上,选取4个IGS基准站能满足精度要求。

3　南北半球IGS基准站选取不同对解算结果的影响

隋丽芬等曾提出过:Z坐标计算误差随着纬度变化在南半球呈现向下凹、北半球向上凸的变化,高程误差对Z坐标的影响在南北半球具有相互抵消性[10-11]。由此提出了在GPS数据处理时选择南北半球对称的IGS基准站可以使高程误差对Z坐标的影响相互抵消的说法[7]。但是徐平等[12]通过实验提出了在处理北京市GPS区域网数据时可以不考虑Z方向南半球向下凹,北半球向上凸的影响。因此,为了探讨这种效应是否对区域GPS网也存在的问题,并根据IGS基准站数量选取的结果,提出了两种实验方案。

方案1:选取GODE、GOLD 、NIST和BRAZE 4个IGS基准站,南北半球各2个,空间分布基本对称。

方案2:选取GODE、NLIB、GOLD和NIST 4个IGS基准站,全部位于北半球。

表3示出了按照方案1计算所得到的每个年积日解算的6个站点15条基线U分量结果与方案2对应的结果之差(单位:mm)。从表中可得出,方案2的其U分量结果总体上要优于方案1的结果。由此可见,选取IGS基准站进行区域GPS网解算时,可不考虑Z坐标误差随纬度变化的影响,即不必必须选择南半球的IGS基准站。

表3　U分量比较结果　　　　　单位：mm

表4　各测站加入不同数目网外辅助站结算结果对比　　单位：mm

4　结果验证

1) 实验区概况

为验证所得结论不是偶然的,在上述结论基础上,对中国香港HKWS、HKFN、HKLT、HKSC和HKST连续运行参考站(IGS)数据进行分析,测站分布如图6所示.试验时间为2009年5月1日、2日两天的数据(年积日:121～122)。

图6　选用站点的分布图

2) 辅助站数量及分布的选择

本文选取SHAO、KUNM、WUHN、TNML和TCMS五个IGS永久跟踪站作为辅助站,其采样间隔均为30 s,卫星截至高度角为10°;通过加入不同数目的辅助站形成不同的组网方案。分六次处理(加0个辅助站;加1个辅助站;加2个辅助站;加3个辅助站;加4个辅助站;加5个辅助站)。

3) 结果分析

当假定以5个IGS基准站解算结果为标准时,计算各测站加入不同数目辅助站时的均方根RMS和平均误差MEAN.由表4可得出,随IGS站数目的增加,RMS和MEAN均有不同程度下降,加入1个辅助站的解算结果的RMS均在3 mm以内;加入2～3个网外辅助站解算结果的RMS均在2 mm以内;加入4个辅助站解算的RMS均在1 mm之内,且无明显的差异。

通过对中国香港IGS站数据处理分析可得,以上得出的结论不是偶然的,这一结论也适用于我国内陆。

5　结束语

使用Bernese软件进行区域GPS网数据处理时,最好选取IGS基准站提供的参考框架;这样可以消除因为没有准确基准造成的系统偏差。本文得出以下结论:

1) 根据不同方案基线重复率和坐标重复性的比较可知,随IGS站个数增加,基线重复率的平均值逐渐减小;IGS站个数达到4个以后,其坐标重复性趋于稳定;综合考虑,选择4个IGS基准站作为辅助站能满足精度要求,同时可以免增加数据处理时间,提高数据处理效率。

2) 通过美国大陆区域内IGS站数据验证表明:区域GPS网解算时不用考虑Z方向南半球向下凹,北半球向上凸的影响;为区域GPS网数据处理选取IGS基准站提供依据。

这些结论可为选取合适的IGS基准站处理区域GPS网数据提供依据。

[1] BOUCHER C. The international terrestrial reference frame[R].Pasadena California Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, 1998.

[2] DACH R, HUGENTOBLER U, FRIDEZ P. Bernese GPS software version 5.0[EB/OL]. http://www.bernese.unibe.ch/download.html.

[3] 韩菲,程传录,王小瑞. BERNESE 5.0软件及其在高精度GPS数据处理中的应用[J]. 测绘信息与工程, 2011(2):46-48.

[4] 韩非,程传录,王小瑞.基于BerneseGPS软件的GPS数据自动解算系统的研究[J]. 测绘通报, 2011(11):8-11.

[5] 张彩红,朱波,张黎.应用Bernese软件进行高精度GPS定位解算[J]. 测绘信息与工程, 2006(3):8-9.

[6] 邓迪祥,张孟军.应用BERNESE软件进行高精度的定位解算[J]. 人民长江, 2006(6):38-40.

[7] 邬熙娟,高俊强,黄燕.小区域GPS网GAMIT解算结果与IGS站选取的关系[J]. 南京工业大学学报(自然科学版), 2010(4):96-99.

[8] 刘经南,葛茂荣. 1992中国GPS会战(A级网)数据处理分析[J]. 武汉测绘科技大学学报, 1995,20(1):40-45.

[9] 陈兆林.基于GPS数据反演大气水汽含量的研究[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2008.

[10]隋立芬,许其凤. GPS数据处理中IGS基准站的选取[J]. 测绘学院学报, 2003(1):1-3.

[11]曹泉根,安艳辉,丁玉平. GPS数据处理中IGS站点选取的研究[J]. 测绘通报, 2009(8):32-35.

[12]徐平,尹继尧,吴培稚,等. 北京市GPS网解算时IGS站的选取实验[J]. 大地测量与地球动力学, 2006(1):49-54.

Research on Relationship Between Bernese Processing Result of Regional GPS Net and Determination of IGS Stations

FU Gang1,CHEN Xibin2

(1.InstituteofFoshanUrbanPlanningandSurveying,Foshan528000,China; 2.ChangchunSurveyingandMappingInstitnte,Changchun130022,China)

Based on BERNESE software to resolution, the influence of solution accuracy that the number and distribution of IGS

tations to the GPS net data are discussed, combined with 6 stations of the GPS deformation monitoring network. The results suggest that when processing regional GPS network, it’s the best to select the IGS reference station as the frame of reference, and the IGS station space distribution should be as uniform as possible, and the number reached 4, and there’s no need to select the same side IGS reference, which provides the basis to select suitable IGS stations data when processing the data of GPS network.

Regional GPS net; BERNESE solution; deformation monitoring; IGS base station selection

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.04.017

2015-11-30

P228.4

A

1008-9268(2016)04-0080-05

符钢(1989-),男,湖南长沙人,助理工程师,主要研究方向为工程测量技术。

陈西斌(1988-),男,黑龙江虎林人,硕士,助理工程师,主要从事GNSS数据处理与GAMIT、Bernese软件开发等工作。

联系人： 陈西斌 E-mail: chenxibin1203@126.com