在線數據處理系統精度分析

張錫越，王　權，趙春梅

(1.中國測繪科學研究院，北京　100830；2.國家測繪地理信息局衛星測繪應用中心，北京　101300)

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在線數據處理系統精度分析

張錫越1，王權2，趙春梅1

(1.中國測繪科學研究院，北京100830；2.國家測繪地理信息局衛星測繪應用中心，北京101300)

摘要：全球導航定位技術和信息科學技術的發展，促進了在線全球定位系統數據處理服務的產生。針對傳統的靜態相對定位需要多臺接收機同步觀測、數據處理專業性高、處理過程復雜等的問題，澳大利亞地球科學局提出并研發了在線數據處理系統，以它的實用性、高精度及可靠性等特點吸引了越來越多的用戶。本文闡述了澳大利亞網上數據處理系統的現狀，并對最新的數據處理系統的精度進行了分析，結果表明：該系統使用24 h的觀測數據可獲得mm級的內符合精度和mm級的外符合精度，不同的星歷解算并沒有對結果產生大的影響；系統解算的精度與觀測時間的長短有關；另外，網解并不能提高解算結果的內符合精度，但可以相對提高外符合精度。因此，該系統完全可以滿足用戶高精度定位的要求。

關鍵詞：全球定位系統；AUSPOS；在線定位服務；精度分析

0引言

隨著高精度全球定位技術和網絡信息技術的不斷發展，測量數據的處理和分析變得更加自動化、便捷化，高精度全球定位系統(global positioning system，GPS)數據處理服務的出現給廣大用戶提供了一個方便、快捷的數據解算平臺。傳統的靜態相對定位需要多臺接收機同步觀測定位，數據處理軟件專業性高且處理過程復雜，不僅受到軟件和硬件方面的限制，而且數據處理的結果因工作人員經驗的不同而受到影響[1]。針對這些問題，在過去十幾年的時間里，全球多個研究機構先后開發出在線數據處理服務平臺，并面向用戶免費開放。例如：美國噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)的全球差分GPS自動精密定位服務系統(The automatic precise positioning service of the global differential GPS system，AUTO-GIPSY)、美國加州大學的斯克里普斯坐標更新工具(scripps coordinate update tool，SCOUT)、澳大利亞地球科學局的澳大利亞在線GPS數據處理系統(australian online GPS processing service，AUSPOS)、美國大地測量局的用戶在線定位服務(online positioning user service，OPUS)等[2]。

雖然提供服務的研究機構不同，但提供服務的形式非常相似。用戶將觀測數據上傳至服務網站，系統便會以郵件或服務器下載的形式免費提供數據處理的結果。由于各個研究機構采用的數據處理軟件和方式的不同，使得它們的定位精度也存在著差異。另外，各個系統也在不斷進行著維護與升級，一些系統的數據處理軟件和方法也在發生著變化，定位精度和系統可靠性也在不斷提高[3-5]。本文旨在對最新的AUSPOS系統的精度進行分析，來驗證該系統能否滿足用戶高精度定位的要求。

1AUSPOS在線GPS數據處理系統

1.1AUSPOS系統的服務類型及特點

AUSPOS是由澳大利亞地球科學局提供的的一項免費的在線GPS數據處理服務，主要是為那些需要澳大利亞94地心基準坐標(geocentric datum of Australia，GDA94)和國際地球參考框架(international terrestrial reference frame，ITRF)2008坐標的用戶提供服務。這些服務包括差分GPS參考站定位、遠距離的GPS觀測站定位、超長GPS基線定位、高精度的GPS垂直向定位、以及GPS網的質量控制等。用戶需要在網頁上傳送的數據包括高精度的雙頻接收機獨立交換格式(receiver independent exchange format，RINEX)的靜態數據，以及GPS接收機天線的類型和天線高。該系統要求RINEX數據的采樣間隔為30 s，觀測歷元要多于1 h。同時，用戶一次最多可以上傳7個RINEX格式的文件，每個文件的觀測歷元要低于7 d，并統一進行網平差的解算[6]。

最新的AUSPOS系統的數據處理依然采用網平差的方法，所有的計算是基于伯爾尼5.0軟件進行的。在計算過程中使用高精度的國際GPS服務(international GPS service，IGS)產品，包括精密軌道參數、地球自轉參數、高質量的靜態觀測文件及解算的精密坐標等。一旦用戶上傳了符合系統要求的RINEX格式的文件，系統會自動選取距離用戶站最近的15 個IGS和亞太參考框架(Asia-Pacific reference frame，APREF)站作為固定參考站參與數據處理，并利用雙差技術進行精密的解算。另外，IGS最終精密星歷大約兩周的時間才可以得到，快速星歷也需大約2 d的時間才可以得到。系統在進行數據處理時會優先使用最終精密星歷，如果前兩種星歷都無法得到的話，那就使用超快速精密星歷。

1.2AUSPOS系統軟件的組成與功能

AUSPOS系統軟件主要由網絡界面、GPS工作處理控制服務器、基于伯爾尼的用戶數據處理軟件三部分組成。其中網絡界面部分通過實用報表提取語言(practical extraction and report language，Perl)編寫的通用網關接口(common gateway interface，CGI)程序建立網絡頁面與Perl腳本語言之間的聯系，并利用Perl腳本語言來處理用戶輸入的信息。GPS工作處理控制服務器負責將不同用戶的數據放在隊列中，并對用戶數據進行質量檢核和準備。另外，數據處理狀態報告、參考站數據的下載、可移植文檔格式(portable document format，PDF)報告的生成及發送也由該部分完成。用戶數據處理部分主要是利用伯爾尼軟件完成參數的估計及高精度基線的解算[6]。

1.3AUSPOS系統GPS數據處理結果

用戶成功將RINEX數據上傳至AUSPOS系統服務器后，系統會根據觀測歷元數量和觀測文件個數的不同，在幾分鐘到幾十分鐘不等的時間內將解算結果以PDF報告的形式發送到用戶的郵箱里。報告內容主要包括：用戶數據信息、選取的參考站信息、ITRF2008及GDA94坐標結果信息、95%置信度的位置不確定度信息、基線解算信息及伯爾尼軟件解算的標準等。另外，對數據處理報告的分析可以得出：在IGS站與APREF站較少且分布不均勻的地區，選取的參考站的數量受基線長度和測站位置的制約而小于15個。利用伯爾尼5.0軟件解算的主要策略與模型如表1所示。

表1　利用伯爾尼5.0軟件解算的主要策略與模型

2AUSPOS系統解算精度分析

本文選用歐洲境內的GRAS、PENC、PTBB、TLSE、WTZZ 5個IGS站的數據作為研究對象，根據不同的精度分析方式將五個站的數據上傳至AUSPOS系統。

2.1精度評定方法

首先將2015-05-08、2015-05-26、2015-05-27五個IGS站24 h的單站觀測數據分別上傳至AUSPOS系統進行解算，將解算的結果與已知的ITRF2008坐標真值進行比較，分析AUSPOS定位的精度以及不同星歷的使用對定位精度的影響，結果如圖1～圖3所示。由于歐洲境內IGS站分布較密集，為了進一步分析不同星歷對解算結果的影響，在IGS站較稀疏的不同地區選取了ALRT、TIXI、PIMO 3個站，結果如表2所示。然后利用TEQC(translation，editing and quality checking)軟件將2015-05-08 PTBB站24 h的觀測數據分割成2 h，4 h，6 h，8 h，10 h，……，24 h的觀測數據[7]，分別上傳至AUSPOS在線服務系統，分析觀測歷元的數量對AUSPOS定位精度的影響，結果如圖4、圖5所示。最后，先將2015-05-08 5個站的數據分別上傳至AUSPOS數據處理系統，再將5個站的數據一起上傳至數據處理系統，比較單站解與整體網解的精度高低。將單站解與ITRF坐標真值較差的絕對值和網解坐標較差的絕對值取差后結果如圖6所示，單站解與網解單位權中誤差的比較如圖7所示。

2.2結果分析

圖1至圖3中給出3種不同星歷的解算值與真值的較差，通過分析可以得出，水平X方向的較差最大值都在6 mm左右，水平Y方向較差最大值都在2 mm左右，垂直方向較差最大值在10 mm左右。從整體上來看，AUSPOS系統使用24 h的觀測數據可以獲得mm級的內符合精度和外符合精度，星歷的誤差并沒有對定位的結果造成大的影響。當AUSPOS系統采用超快速星歷進行解算時，在解算報告中會給用戶警告信息，因為利用超快速星歷進行解算的可靠性及精度相對于最終星歷是低的。由于歐洲境內可供選擇的參考站數目較多且分布均勻，解算時選用了15個參考站，在不使用最終星歷的情況下依然獲得了精度較高的結果。

圖1　AUSPOS最終星歷解算值與ITRF2008坐標真值的差值

圖2　AUSPOS快速星歷解算值與ITRF2008坐標真值的差值

圖3　AUSPOS超快速星歷解算值與ITRF2008坐標真值的差值

表2中給出ALRT、TIXI、PIMO 3個測站不同星歷結算結果的較差值。通過比較可以發現，星歷的精度依然沒有對解算結果造成大的影響。但是，從星歷可靠性的角度來說，建議優先使用精密星歷。

表2　不同星歷的解算結果與坐標真值的較差

圖4及圖5中分別給出PTBB站的坐標精度和坐標較差值隨時間的變化規律。從坐標的內符合精度來看，2 h和4 h的數據水平精度已經在10 mm以內，垂直精度在20 mm左右。隨著時間的增加，定位精度不斷提高，14 h時基本達到穩定狀態，水平精度在4 mm左右，垂直精度在10 mm左右。從坐標的外符合精度來看，2 h和4 h的定位精度就在mm水平，18 h后精度基本達到穩定狀態，水平精度5 mm左右，垂直精度10 mm左右。

圖4　PTBB站的坐標精度隨時間的變化

圖5　PTBB站解算坐標與ITRF坐標真值的差值隨時間的變化

圖6中，dX1，dY1，dZ1是單站解與真值的3維偏差，dX2，dY2，dZ2是網解與真值的三維偏差。從圖6可以看出，多數情況下，單站解與真值的偏差比網解要大，說明網解的外符合精度相對較高。圖7中，sigmaX1、sigmaY1、sigmaZ1為單站解的三維精度，sigmaX2、sigmaY2、sigmaZ2為網解的三維精度。從圖7可以看出，網解不能提高用戶的內符合精度。有些站的網解精度還不如單站解的高(例如TLSE站)，前兩個站也只有垂直精度稍微有些提高。

圖6　單站解與網解坐標較差的比較

圖7　單站解與網解單位權中誤差的比較

3結束語

本文從三個方面對AUSPOS系統的精度進行了分析，說明了AUSPOS系統完全可以為用戶提供高精度的定位服務。近年來，AUSPOS系統的用戶數量不斷增加，至少能為用戶提供厘米級的定位精度。澳大利亞的地理空間、采礦、建筑工業都廣泛的使用AUSPOS系統來建立它們精密的測量控制點，同時，AUSPOS系統也在全世界被廣泛應用于科研。但AUSPOS系統也存在它的局限性，它只能處理大于1 h的靜態觀測數據，并且最多只能同時處理7個測站的數據，數據處理的效率比較低。處理過程中需要用戶提供準確的天線高和天線類型，提交錯誤的情況下，無法獲得精確的坐標結果。在用戶提交信息無誤的情況下，定位精度與選取的鄰近參考站的位置與數據質量、軌道產品的質量、用戶觀測數據的質量等有關[8-9]。由于全球IGS站和APREF站分布不均勻，有些地方可供選擇的參考站數目有限，可能需要較長觀測時間的數據才能得到較高的定位精度。

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Accuracy Analysis of Online Data Processing System

ZHANGXiyue1，WANGQuan2，ZHAOChunmei1

(1.Chinese Academy of Surveying and Mapping，Beijing 100830，China；2.The Satellite Surveying and Mapping Application Center for National Geographic Information Bureau of Surveying and Mapping，Beijing 101300，China)

Abstract：The development of global navigation positioning technology and information technology has promoted the emergence of online data processing services.Aiming at the problem of simultaneous observation with several receivers，highly specialized and complicated data processing for traditional static relative positioning，Geoscience Australia has put forward and developed an online data processing system，which attracts more and more users depending on its utility，high precision and reliability.This paper introduced the current situation of Australia online data processing system，and analyzed the accuracy of current system.The results indicated that this system can get millimeter level precision of inner coincidence and outer coincidence using 24 hours of observation data，and different ephemeris have little impact on the final results.Calculation precision is related to the length of observation time.What’s more，network adjustment cann’t improve the solved precision of inner coincidence，but can improve the outer precision relatively.As a result，the system can completely meet the requirements of users for high precision positioning.

Key words：global positioning system；AUSPOS；online positioning service；accuracy analysis

中圖分類號：P228

文獻標識碼：A

文章編號：2095-4999(2016)-01-0109-05

作者簡介：第一張錫越(1991—)，男，山東滕州人，碩士生，主要從事衛星導航定位方面研究工作。

基金項目：國家自然科學基金(41274018)，科技部基礎專項(2015FY310200)，中國測繪科學研究院基本業務費(7771509)。

收稿日期：2015-07-12

引文格式：張錫越，王權，趙春梅.在線數據處理系統精度分析[J].導航定位學報，2016，4(1)：109-112,116.(ZHANG Xiyue，WANG Quan，ZHAO Chunmei.Accuracy Analysis of Online Data Processing System[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(1)：109-112,116.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160121.