国产GNSS数据处理软件的比较和分析

孙国鹏,李建胜,郝向阳,张小东

(1.信息工程大学,导航与空天目标工程学院,河南 郑州 45000; 2.北斗导航应用技术河南省协同创新中心,河南 郑州 45000)



国产GNSS数据处理软件的比较和分析

孙国鹏1,2,李建胜1,2,郝向阳1,2,张小东1,2

(1.信息工程大学,导航与空天目标工程学院,河南 郑州 45000; 2.北斗导航应用技术河南省协同创新中心,河南 郑州 45000)

本文针对国内常用的三款商业软件中海达HGO软件、华测CGO软件、和南方GNSS数据处理软件进行研究,在截止高度角和采样频率等参数相同的情况下,对三种软件基线解算的质量、网平差后的点位精度、以及相同基线在GPS系统和北斗系统下的计算结果进行了对比和分析。实验表明,三种软件都较为成熟,并满足D级GPS控制网工程的精度要求;HGO软件对基线向量和网平差的处理结果要略优于另两种软件。

GNSS;数据处理;基线解算;网平差

0 引 言

21世纪以来,各国争相发展全球导航卫星系统,GNSS技术成为体现大国地位和国家综合实力的重要标志。其中以美国的全球定位系统(GPS)发展最为迅速,GPS测量技术已经广泛应用于工程测量、大地测量以及海洋测绘、航空摄影测量、地籍测量等各个领域[1]。GPS数据处理是GPS研究的一个重要内容,GPS测量定位理论和软件科学的进步促进了不同GPS数据处理软件的发展。GPS数据处理软件可分为科研软件和商用软件[2]。国际上应用较为广泛的主要有:美国麻省理工学院和加州大学圣地亚哥分校Scripps海洋研究所研制的GAMIT/GLOBK,美国喷气推进实验室研制的GIPSY/OASIS软件和瑞士BERNE大学研制的Bernese软件;而一般的商用软件主要有美国天宝公司TGO、TBC和TTC等软件。近年来,国内的各大公司也纷纷自主开发和研制各种商用软件。本文主要针对国内的三种GPS数据处理软件——中海达HGO数据后处理软件、华测CGO静态处理软件和南方GNSS数据处理软件进行介绍,并通过实测数据对三种软件进行比较和分析,为工程人员选取合适的软件提供一些参考。

1 国产三种软件简单介绍

Hi-Target Geomatics Office(HGO)是中海达继HDS2003软件后推出的第二代静态解算软件。该软件设计支持GPS、GLONASS、BDS多系统解算,支持静态、动态(走走停停,后处理RTK)等多种作业模式,用于高精度测量用户的基线数据处理,网平差和坐标转换,能够解算超长时间的静态数据,并能智能剔除粗差数据;同时配套完整的解决软件工具,包括全新的RINEX转换软件、坐标转换软件、精密星历下载软件等。

CHC Geomatics Office(CGO)是华测公司完全自主研发的第二代全功能后处理软件。其主要特点概括为:高效的解算引擎,优越的自动化及长时间解算,自由组合的BDS、GPS、GLONASS数据解算;静态、快速静态、动态后处理(PPK)等多种作业方式,兼容天宝、科傻基线解算文件;国内外多种NGS天线认证与自动化识别;多种报告输出(平差报告、基线报告、网图报告、闭合环报告、项目总结报告等),自我配置的平差检验报告,符合国际化、行业化标准;具有精细的操作日志记录,以便实时了解当前操作与后期回放。

南方GNSS数据处理软件采用全中文操作环境、流程化管理与操作,具有更出色的图形操作界面和良好的图形服务功能,可进行包括基线网图、误差椭圆等各种图形的输出、打印;采用建立项目文件的管理方式,用户可方便地自定义椭球投影参数和选择不同的坐标系统,增加了软件的可操作性;在功能方面,具有比以往版本功能更强大、自动化程度更高、操作更方便的基线向量解算、闭合环搜索、网平差处理等功能[3]。

2 实测数据对比与分析

2.1 实测数据说明

实验数据主要分为两部分,一部分来源于十堰国土、武当国土和郧县国土的静态观测数据,其数据为RINEX文件;另一部分为校园内的GPS控制网数据,该控制网的精度等级为国家D级[4],平均点间距0.4 km,布设站点数为12个。六个小组采用翻转式的方法进行静态数据的采集测量,每个点的平均测段数为2,每测段时间为1 h,基线长度为0.5～1.5 km,采用华测公司的CHCX91B型号接收机,原始数据为“.HCN”文件。

评定基线解算结果质量的指标有两类,一类是基于测量规范的控制指标,另一类是基于统计学原理的参考指标。在工程应用中,控制指标必须满足,而参考指标则不作为判别质量是否合格的依据[5]。判断基线解算结果的质量一般有三个参数:比率、参考方差和均方根误差RMS。一般情况下,比率应大于3,参考方差应为1左右,RMS值越小越好[6]。

RMS表明了观测值的质量。RMS越小,观测值质量越好;反之,则表明观测值质量越差。它不受观测条件(如卫星分布好坏)的影响。依照数理统计的理论,观测值误差落在1.96倍RMS的范围内的概率是95%.Ratio指整周模糊度分解后,次最小RMS与最小RMS的比值,Ratio值的大小反映了所确定出的整周未知数参数的可靠性,这一指标取决于多种因素,既与观测值的质量有关,也与观测条件的好坏有关,通常情况下,要求Ratio值大于1.8.本文从基线的比率Ratio和RMS值两个质量指标来衡量基线解算的质量。

2.2 不同长度的基线向量中误差比较

实验选取长度不同的九条基线,其中编号1～3为短基线,编号4～6为中长基线,编号7～9为长基线。保持各软件的参数一致,如截止高度角设为15°,采样间隔设为30 s,最小历元数为5等,然后对不同长度的基线进行解算,得到的结果如图1和图2所示。

图1示出不同长度基线对应的RMS值大小,总体来看,无论对于短基线、中长基线还是长基线,HGO软件的RMS值要略小于CGO软件和南方GNSS软件,可认为HGO软件的效果更好;三种软件对于中长基线的解算结果要好于短基线和长基线的处理结果。图2示出各基线对应比率Ratio值的大小,在这里作为参考值;三种软件的Ratio值变化没有必然的规律,但都大于1.8,可以认为观测质量相当。

2.3 基线向量各分量中误差的比较

三种软件对基线进行解算后,将会得到基线处理报告,从报告中选择基线向量分量对应的中误差进行比较和分析。图3、图4和图5分别示出了各基线向量对应的X方向、Y方向和Z方向的中误差。

从图中可以明显看出,CGO软件和HGO软件对应的X、Y、Z三个方向的中误差都在3 mm以下,且上下浮动稳定,处理结果较好;但南方GNSS软件对应的X、Y、Z三个方向的中误差有很大波动,最大的误差出现在1号基线对应的Y分量上,高达74 mm,处理结果较差。因南方GNSS软件未能处理基线8号和9号基线,故未对其进行图形的绘制与对比。

三种软件对于中长基线的处理结果较好。对于4号基线,CGO软件对应的三个方向中误差为2 mm、4 mm和1 mm,而对于5号基线和6号基线,其中误差皆为0 mm,处理结果较好;同样,对于这三条基线,HGO软件对应的X、Y、Z三个方向中误差都小于1 mm,处理结果也较为精确;南方GNSS软件对于5号基线的处理结果较好,对应的三个方向中误差都控制在2 mm以内,但对于4号和6号基线,其处理效果较差,最大的中误差高达38 mm.

综上所述,三种软件对相同基线进行处理后,CGO软件和HGO软件得到的结果较为理想,各基线向量在X、Y、Z三个方向的中误差都比较小,并且中误差浮动较为稳定;南方GNSS软件得到的结果较差,中误差远大于另外两个处理软件,效果不是很理想。

2.4 GPS系统和北斗系统下基线向量的比较

在国家的大力发展和支持下,我国自主研发的北斗系统和技术日益成熟,并且广泛应用于生活中各个领域。目前国产接收机都可以处理GPS数据、BDS数据和GLONASS数据。为了更好地比较各软件的功能和特点,本节重点对比同一条基线在北斗系统下和GPS系统下解算后的质量。实验选取了B1、B2、B3和B4四条长度在0.5～2 km的短基线,并分别用三种软件进行处理,最终得到结果如图6和图7所示。图6和图7中,其横坐标的12个值代表了三种软件的处理顺序,从左至右依次是CGO软件、HGO软件和南方GNSS软件。

对比图6和图7可知,在CGO软件中处理同一条基线,其应用北斗数据处理后的RMS值都小于GPS数据处理后的RMS值,表明CGO软件对于北斗数据的处理要优于GPS数据;对于HGO软件,其应用北斗数据和GPS数据处理后得到的RMS值和Ratio值相差不大,处理效果相当;对于南方GNSS软件,其应用GPS数据和北斗数据解算的RMS值大小不一,但北斗数据的Ratio值大于GPS的Ratio值。综上所述,目前国产软件对北斗数据的处理已经相当成熟,在某些方面的精度甚至高于GPS数据。

2.5 网中各点无约束平差后的精度

当控制网中每条基线的质量都满足要求后,才能进行网平差的处理,统一坐标系为WGS-84坐标系统。对于CGO软件,其执行的是三维自由网无约束平差,没有固定某一点作为已知点;而对于HGO软件和南方GNSS数据软件,其各自默认O1和O5为已知点进行平差。三种软件处理后的效果分别如图8,图9和图10所示。

对比图8～图10可知,三种软件对于网中各点平差后的点位误差都小于10 mm,符合精度要求。整体来看,效果最好的是HGO软件,其次是CGO软件,南方GNSS软件处理的结果较差;对于某个测点而言的,其X、Z方向的点位精度高于Y方向的精度。

3 结果分析

基线处理是GPS数据处理中至关重要的一步,基线解算结果的质量对GPS定位结果有很大的影响。影响基线解算质量的因素有很多,如卫星高度角、电离层折射模型、对流层折射模型、观测卫星的选择等[7]。本文基线处理结果的不同主要有以下几种原因:三种软件采用了不同的数学模型和算法,所以解算结果必然不同;由于该工程原始数据均由华测公司的CHCX91B型号GPS接收机采集,在数据导入时只有华测CGO软件能对最初原始数据进行天线高、天线类型等相关编辑;而HGO软件和南方GNSS软件所用的数据均为CGO软件导出的RINEX2.0标准格式数据,不一定能够完全匹配;在基线解算过程中,不同软件对相同数据的不合格基线设置不同,不合格基线数量也不同,在对不合格基线进行调试时采用的操作不同。从而在对不合格基线进行调整后,变为合格的基线将对总体网点结构有所影响,进而造成了不同软件精度有所差异[8]。在对三种软件平差后的点位比较中可以得出,三种软件整体上相差不大,但综合比较HGO在本次解算中总体点位精度最好、离散型小,效果较为理想。

4 结束语

本文简要介绍了华测CGO、中海达HGO和南方GNSS三种国产GNSS数据处理软件,并通过实测数据从不同长度基线的解算质量、基线向量分量误差、点位误差等几个方面对三种软件进行了对比和分析,三种软件均已非常成熟,其软件操作简单,符合国人习惯,并能满足一般测量工程中GPS网对基线解算的精度要求;实验表明,对于短基线、中长基线和长基线,HGO软件的RMS值要略小于CGO软件和南方GNSS软件,处理效果更好,三种软件对于中长基线的解算结果要好于短基线和长基线;比较三种软件处理后基线向量分量的中误差,可知CGO软件和HGO软件的效果要优于南方GNSS软件;对于北斗数据的处理,CGO软件则更胜一筹;从平差后的点位精度比较中可以得出,三种软件整体上相差不大,都满足工程需求。文中仅仅将三种国产软件进行了相对比较,并没有进行绝对比较,下一步工作将获取更多更全面的实验数据,以国外科研软件Bernese或者商业中应用最广泛的TGO软件的处理结果作为基准进行比较,为后续的GPS、北斗数据处理工作和工程人员提供更多的参考。

[1] 李征航,黄劲松.GPS测量与数据处理应用[M].武汉:武汉大学出版社，2005.

[2] 卢献健,任超.GPS数据处理科研软件与商业软件对比分析[J].全球定位系统,2007,32(5):29-32.

[3] 南方测绘仪器有限公司.南方GNSS数据处理软件使用手册[M]. 广州：广州出版社,2012.

[4] 国家质量技术监督局.全球定位系统(GPS)测量规范(GB/T18134-2001)[S]. 北京:中国标准出版社,2001.

[5] COOLIDGE T，HEIMA M,COLDWELL S E,etal. Reliability and validity of the revised Iowa Dental Control Index in a non-clinical sample[J]. Personality and Individual Differences,2005:773-783.

[6] 刘紫平,余代俊,惠海鹏.几款商用GPS数据处理软件基线解算结果比较分析[J]. 矿山测量,2011(1):18-20，42.

[7] 谢劭峰. 观测卫星选择对GPS基线解算质量的影响[J]. 海洋测绘,2005, 25(5):10-12

[8] 石大鹏.不同GPS后处理软件成果的比较[J]. 煤炭工程,2012(S2):164-166.

Comparing and Analyzing for Chinese GNSS Data Processing Software

SUN Guopeng1,2,LI Jiansheng1,2,HAO Xiangyang1,2,ZHANG Xiaodong1,2

(1.SchoolofNavigationandAeroSpaceEngineering,InformationEngineeringUniversity,Zhengzhou450001,China2.BeidouNavigationTechnologyCollaborativeInnovationCenterofHenan,Zhengzhou450001,China)

In recent years, the development of BDS has greatly promoted the evolution and progress of the domestic GNSS data processing software. In this paper, three commercial softwares including HGO, CGO and South GNSS software have been studied by keeping the threshold elevation angle and sampling frequency the same, the quality of baseline calculation, the position accuracy after net-adjustment, and the baseline processing results under BDS and GPS are compared and analyzed. Experiments show that the three commercial softwares are relatively mature, and can meet the D grade GPS control network engineering measurement accuracy requirements. The results of the baseline vector and net adjustment by HGO software are slightly better than the other two kinds of softwares.

GNSS; data processing; baseline calculation; net-adjustment

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.01.021

2016-10-10

P228.4

A

1008-9268(2017)01-0103-05

孙国鹏 (1992-),男,辽宁铁岭人,硕士生,研究方向为导航定位工程与技术。

李建胜 (1975-),男,湖北钟祥人,副教授,硕士生导师,研究方向为视觉导航与空间环境仿真。

郝向阳 (1966-),男,河南济源人,教授, 博士生导师,研究方向为视觉导航与视觉测量。

张小东 (1991-),男,陕西延安人,汉族,硕士生,研究方向为导航定位工程与技术。

联系人: 孙国鹏 E-mail:gpsguopeng@163.com