大规模GNSS基准站网快速同步处理方法研究

李志才，张 鹏，孙占义，王 凡

(1. 国家基础地理信息中心大地测量部，北京 100830； 2. 导航与位置服务国家测绘地理信息局重点实验室，北京 100830)

大规模GNSS基准站网快速同步处理方法研究

李志才1，2，张 鹏1，2，孙占义1，2，王 凡1，2

(1. 国家基础地理信息中心大地测量部，北京 100830； 2. 导航与位置服务国家测绘地理信息局重点实验室，北京 100830)

目前我国GNSS连续运行基准站网已基本建设完毕，全国范围内建设完成约2000个GNSS连续运行基准站。随着站点规模的加大，数据计算的效率也迫切需要提高，采用传统的高精度数据处理软件已适应不了大规模GNSS网的数据解算要求。本文基于BERNESE5.2软件研究了我国“陆态网络工程”260个基准站的大规模GNSS网同步数据处理方法，通过修改源程序及利用并行计算技术，成功实现了陆态网络基准站快速、高效、高精度的数据计算能力。实例验证表明，陆态网络单天260个站的数据在无需分区的情况下，可在1 h内获得全球框架下的约束解，解算的框架点坐标精度在毫米量级，大大提高了国家数据中心的大规模GNSS网数据处理能力。

参考框架；大规模GNSS网；并行计算；处理方法

随着GNSS卫星导航定位技术的快速发展，利用地面GNSS基准站实现高精度实时导航定位的技术已经在中国获得大范围的应用，从国家到地方建设了近2000个GNSS连续运行基准站，其中国家级基准站网的规模在200～300站之间(如“陆态网络工程”260站、国家现代测绘基准一期工程360站)，而省级CORS站网一般在100站以下，也有一些省级站规模超过100站以上(如山东省、甘肃省、黑龙江省CORS网等)，为我国高精度实时定位服务提供了起算基准，也为维持我国2000国家坐标系提供了更多的框架点[1-5]。这些国家和省级基准站必须进行精密解算，以实现我国坐标框架的动态维护，建立国家坐标框架与国际坐标框架、省级坐标框架的联系，而随着基准站网的规模越来越大，相应的高精度数据处理的效率问题就迫切需要解决。当前对大规模网的处理策略主流观点是分区处理和分布式处理[6-9]。如对于100站网以内的省级CORS中心，利用GAMIT的分区技术可以解决计算效率的问题[7]，但是随着基准站点的大幅增加，如采用GAMIT软件进行日常数据处理，即使分区解算效率仍难以有效解决，必须增加硬件来进行弥补。根据国家数据处理中心的分析报告，如果采用GAMIT软件进行单日解的日常数据处理，260个国家站的单天数据处理大约需分6～7个区[10]，如果用单台服务器总耗时大约24 h。分布式方法可以极大地提高计算效率，但是其方法的提出仍然是基于试验，并没有在国内大规模GNSS网中得到应用，如何应用分布式处理策略，还需尽快从研究转入到实用中来[8]。从当前国内外的处理策略来看，对于大规模的GNSS基准站网，主流仍然是采用了分区的处理策略，不管是各大分析中心还是国内的数据处理中心，大都以分区处理策略为主。那么对于大规模的GNSS基准站网，是否可以提出一种非分区的处理方法？本文正是基于这一想法，研究利用BERNESE 5.2软件来实现大规模GNSS基准站的数据处理能力[11]，解决我国陆态网络大规模GNSS基准站网日常处理需要分区的问题，为下一步测绘基准工程360个站同步处理打下良好基础。

1 大规模GNSS网快速同步处理方法

(2) 利用并行处理算法实现了计算效率的大幅度提升。BERNESE5.2内核采用并行处理算法实现了数据的读取、转换、单点定位、基线模糊度固定、法方程计算等过程的并行计算，根据服务器的硬件性能，在分配任务时可进行多时段、多任务并行处理，使得计算效率大大提高，大幅提高了数据处理速度。在实际解算过程中，采用了8 CPU、4核的计算服务器，可同时进行32个并行任务，大大提高了计算效率。

(3) 采用了与GAMIT不同的平差处理策略。GAMIT软件仅提供各单天解的自由网平差结果，而不是一个精密的数据处理成果，其单天解成果仍需要利用GLOBK软件进行约束来获得多天解的网平差结果，这一步骤也非常消耗时间。根据BERNESE5.2的平差模块，完善了BERNESE的单天解平差策略，解决了该软件在平差过程中只能实现区域小网的平差，而不能进行全球解的联合平差问题。将其单天解的SINEX文件与全球IGS分析中心的SINEX进行合并，以全球框架站为约束，实现了全球框架下单天解与全球网的平差，从而大大节约了网平差的计算时间，获得了相对精确的单天解的精密成果。

2 陆态网络工程GNSS网同步处理方法验证

上述方法需采用相应的数据解算进行验证，当前国内已建成的最大规模的国家级基准站网是由地震局牵头组织6个部委建设而成的陆态网络工程，总设计点数260个，一般日常运行的点数约为255个左右。主要应用于地震监测研究，可满足测绘、导航、气象、科研等需要，所有数据处理均为事后精密处理[4]。采用陆态网络2015年整年的数据验证本文提出的整网快速同步处理计算方案。选择中国大陆周边6个IGS站进行区域框架约束，在单天解平差过程中，下载了CODE分析中心的每天全球解SINEX文件进行联合平差，以全球框架站为约束，获得单天解在全球基准框架的平差结果。

2.1 数据准备

必要的数据准备是进行GNSS精密数据处理的必要步骤，陆态网络工程的数据准备主要包括如下几项工作：

(1) 准备相关测站文件，包括测站信息表、测站代码缩略表、测站所属板块表；测站信息表主要为测站代码、测站接收机、天线型号、天线高。

(2) 原始数据，为节省空间，选择压缩的原始观测D文件，利用CRX2RNX模块将原始数据解压成标准的RINEX O文件。

(3) 精密星历文件，主要包括精密星历文件EPH、精密钟文件CLK、地球自转参数文件ERP、全球电离层模型文件ION及CODE全球解的SNX文件。

(4) 基准控制文件，根据不同年代的全球框架下载不同的框架文件，当前国际主要框架为ITRF2008框架[12]，下载IGB08_R.CRD，IGB08_R.VEL文件，分别为全球框架下IGS站的坐标和速度场，IGB08.FIX文件包括全球框架下的基准点，这些文件可以将陆态网络点的单天解由区域框架转换到全球框架下。

(5) 各类地球物理模型及其他辅助文件，如大地水准面模型文件EGM2008、章动模型文件IAU2000R06.nut、IERS常量文件IERS2010XY.sub、海潮模型FES2004、地球固体潮模型TIDE2000、行星星历等文件，以及接收机文件、天线文件、卫星状态文件。其中卫星状态文件需及时更新。

2.2 单天解数据计算方案

在拷贝必要的文件后，开始进行单天解的数据处理，主要包括轨道文件生成、数据预处理、转换和同步观测数据、基线组合及相位数据预处理；整周模糊度消除、计算模糊度固定后的网解等。在基线解算时，主要采用的参数设置见表1。

表1 陆态网络基准站单天解数据解算方案

整周模糊度消除策略中采用了伪距、相位两种基线处理模式，分别采用了基于伪距的宽巷(WL)、基于相位的宽巷(L5)、准无电离层影响(quasi-ionosphere-free，QIF)等模糊度消除方法，经过多种模糊度处理策略，可大幅降低模糊度解，实现高精度数据处理结果。将这些模糊度消除后，单天解的RMS大部分在1 mm左右。在单天解计算过程中，为确保中国大陆的区域框架，并建立与全球框架的联系，采用了中国大陆BJFS及周边的DAEJ、IISC、POL2、TCMS、ULAB等6个国际IGS站进行约束。

2.3 单天网解平差方案

陆态网络工程作为中国目前一个较大的区域网，必须将其单天解结果转换到全球框架下。下载了CODE数据处理分析中心的全球单日解的SINEX文件，通过相应模块将其转换成法方程文件，然后与陆态网络单天解的法方程叠加，通过固定前述6个IGS站及全球框架站，进行区域单天解与全球框架单天解的融合来获得单天网解。在基准约束时，采用了IGB08框架下所有站作为基准框架点，所有基准点的先验σ0设为0.001 m，以进行基准约束，最小二乘约束采用全球七参数转换方法，而不是区域网平差的三参数转换方法。区域网的单天解通过6个固定的IGS站与IGB08框架进行关联并约束，最终得到陆态网络全球IGB08框架下的单天网解及单天解法方程，其中单天解法方程可作为多天解的输入值，最后进行多天解的联合平差，以获得速度场结果。

2.4 单天网解质量检核

基线解算是GNSS数据处理中占用时间最长、工作量最大的一部分，也是进行网平差的基础，基线解算质量的好坏将直接影响GNSS网的定位精度和工作效率。而基线的解算质量影响数据解算工作的结果和使用。NRMS值是衡量数据处理解算结果的一个重要指标，用来表示单时段解算出的基线值偏离其加权平均值的程度，是从历元的模糊度解算中得出的残差。其计算公式如下

(1)

一般说来，NRMS值越小，基线估算精度越高；反之精度越低。根据国内外GNSS数据处理经验，其值一般应小于3mm，若NRMS太大，则说明处理过程中周跳可能未得到完全修复。BERNESE的NRMS来自模糊度最终固定后的输出文件验后单位权均方差(AposterioriRMSofunitweight)值。图1给出了BERNESE解算陆态网络观测数据的NRMS值。其中NRMS的最大值为1.52mm)，最小值为1.37mm，平均值为1.42mm。从图中可以很明显地看出，2015年全年解的总体稳定性较好，NRMS值全部都在1.5mm以内，完全符合高精度数据处理的质量要求。

图1 陆态网络基准站单天解NRMS值

2.5 单天网解时间序列图

BERNESE单天网解计算给出的坐标为全球地心坐标框架下当日历元的X、Y、Z值，一般需转换到站心坐标系下进行时间序列的展示，利用黄立人等的方法[15]，将所有单天解的结果转换到相应的站心坐标系下，并用GMT画出各测站的E、N、U方向时间序列图。图2给出中国区域东北(吉林延吉JLYJ)、西北(新疆库尔勒XJKE)、华北(北京十三陵BJSH)、华南(广东湛江GDZJ)、华中(湖南浏阳HNLY)、西南(四川炉霍SCLH)共6个站作为典型性代表，从各图时间序列结果来看，单天网解在2015年呈现自西向东、自北向南的运动，与其他数据处理软件结果基本一致，说明单天网解的计算结果比较可靠。水平方向呈现明显的趋势项，垂向上能显示一定季节性变化，但规律并不明显，可能与数据解算时间较短有关系，需要根据长时间段的数据进行检查。

图2 中国大陆部分典型测站时间序列

2.6 时间效率

经计算验证，采用单台8 CPU、4核服务器同步并行5个时段的数据解算，CPU最大并行计算设置为32组，则一天约260站的数据处理过程大概需要1 h，并可获得各单天在全球ITRF2008框架下的精密坐标解，其解算精度在1 mm左右，而相同情况的GAMIT软件如不分区处理至少需要24 h，本文方法时间效率大大提高，且完全避免了分区带来的基准不一致的问题。

3 结束语

目前我国GNSS连续运行基准站网已基本建设完毕，随着站点规模的加大，数据计算的效率也迫切需要提高，采用传统的高精度数据处理软件已适应不了大规模GNSS网的数据快速解算要求。本文基于BERNESE5.2软件研究了陆态网络工程260个站的大规模GNSS网同步数据快速处理方法，通过修改源程序及利用并行技术，实现国家级基准站快速、高效、高精度的数据计算能力，通过实例验证，单天260个站的数据无需分区就可同步进行解算，完全避免了分区带来的问题；通过并行计算快速获得全球框架下高精度的单天约束解，解算时间可控制在1 h以内，极大地提高了国家数据中心的大规模GNSS网数据处理能力。

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Study on Fast Processing Method for Large Scale GNSS Network

LI Zhicai1,2，ZHANG Peng1,2，SUN Zhanyi1,2，WANG Fan1,2

(1. Geodesy Department, National Geomatics Center of China, Beijing 100830, China; 2. Key Laboratory of Navigation & Location Based Service,National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation, Beijing 100830, China)

At present, there are almost 2000 GNSS CORS stations across China as the construction of GNSS continuous operation reference station network nearly completed. With the increase of the amount of the sites, the efficiency of GNSS data processing urgently need to improve, while the traditional high precision data processing software represent the deficiency to compute so many more data. Based on BERNESE5.2 software, the data processing method of large scale GNSS network amount to 260 stations by CMONOC project is studied. The fast, efficient and high precision data computing capability had been got by modifying source program and utilizing the parallel computation technology. The experiment shows that the data of 260 stations in a single day can be processed within 1 hour without divided into sub-net to get the daily constrained coordinate in ITRF2008 frame with a millimeter scale accuracy, which highly improves the data processing capability of large scale GNSS network for national data center.

reference frame；large scale GNSS network; parallel computation; processing method

李志才，张鹏，孙占义，等.大规模GNSS基准站网快速同步处理方法研究[J].测绘通报，2017(2)：65-69.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0050.

2016-06-28

国家863计划(2013AA122501)；国家测绘地理信息局公益性行业专项(201512001；201512004)；国家自然科学基金(41274030)

李志才(1976—)，男，博士，高级工程师，主要从事卫星大地测量研究。E-mail：zcli@nsdi.gov.cn

P228.4

A

0494-0911(2017)02-0065-05