IGS站的選取對陸態(tài)網(wǎng)解算精度的影響

劉宗強，黨亞民，何 濤，楊 強，岳彩亞

(1.山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266003；2.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830；3.天津市測繪院，天津 300381)

IGS站的選取對陸態(tài)網(wǎng)解算精度的影響

劉宗強1,2，黨亞民1,2，何 濤3，楊 強2，岳彩亞1,2

(1.山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266003；2.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830；3.天津市測繪院，天津 300381)

當(dāng)前關(guān)于IGS站選擇對GPS數(shù)據(jù)解算的影響尚未有定論，討論陸態(tài)網(wǎng)數(shù)據(jù)解算過程中IGS站的選取問題，簡要介紹陸態(tài)網(wǎng)和GAMIT軟件，分析IGS基準站的分布以及數(shù)量對陸態(tài)網(wǎng)解算精度的影響。在本文的GAMIT參數(shù)設(shè)置下，通過實驗發(fā)現(xiàn)，進行陸態(tài)網(wǎng)解算時只需要加入北半球的IGS站就可使基線得到較好的U方向解算精度，而陸態(tài)網(wǎng)選擇8個左右的IGS站較為合適。

IGS站；陸態(tài)網(wǎng)；解算精度

國際GNSS大地測量與地球動力學(xué)服務(wù)(International GNSS Service，IGS)自1993年以來，在全球范圍內(nèi)已經(jīng)建立了440多個IGS站，其中我國有12個，主要分布在北京、上海、武漢、昆明、拉薩等地。IGS站能夠提供GPS衛(wèi)星星歷表、IGS跟蹤站坐標和速度、GPS衛(wèi)星以及跟蹤站的時鐘信息等產(chǎn)品，能夠為GPS數(shù)據(jù)處理提供高精度的起算基準。

使用GAMIT、GIPSY、BERNESE等高精度的數(shù)據(jù)處理軟件進行GPS數(shù)據(jù)處理時，IGS跟蹤站的選取對于解算精度影響很大。國內(nèi)一些學(xué)者也對此進行了研究分析。文獻[1]就北京GPS網(wǎng)解算IGS網(wǎng)的選取進行了研究，研究結(jié)果表明在觀測數(shù)據(jù)理想、IGS站分布和數(shù)據(jù)均理想條件下，選取4個站一般能滿足定位精度的要求；文獻[2]通過處理已知精確坐標的IGS站的GPS觀測數(shù)據(jù)對IGS站的選取問題進行了探討，結(jié)果表明當(dāng)選取均勻分布在南北半球的4～7個IGS點作為起算數(shù)據(jù)時，GPS解算結(jié)果最為理想。本文針對中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(簡稱陸態(tài)網(wǎng))數(shù)據(jù)處理過程中，如果選取IGS站以提高解算精度進行了實驗分析，并獲得有實用價值的結(jié)論。

1 中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，簡稱為“陸態(tài)網(wǎng)”，是以GNSS為主的國家級地球科學(xué)綜合監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，主要包括基準網(wǎng)、區(qū)域網(wǎng)以及數(shù)據(jù)系統(tǒng)三大部分[3]。陸態(tài)網(wǎng)至今為止布設(shè)了260多個連續(xù)觀測站和2 000多個不定期觀測站點構(gòu)成，測站不僅整體覆蓋中國大陸地區(qū)，還在主要的地震重點危險區(qū)、活動斷裂帶、活動構(gòu)造區(qū)等進行了加密布設(shè)，具體情況如圖1所示。陸態(tài)網(wǎng)主要用于監(jiān)測中國大陸及周邊地區(qū)巖石圈的地殼運動和重力場變化、近地空間圈電離層的平均電子密度變化、大氣圈對流層水汽含量變化、臨海的海平面變化，還能為現(xiàn)代大地測量基準的建立和維持、研究現(xiàn)今地殼構(gòu)造運動及動力學(xué)機制提供基礎(chǔ)資料[4]。本文選取陸態(tài)網(wǎng)中觀測頻率為30 s的數(shù)據(jù)進行實驗，保證實驗數(shù)據(jù)的可靠性、穩(wěn)定性。

圖1 陸態(tài)網(wǎng)連續(xù)觀測站分布

2 GAMIT軟件及參數(shù)設(shè)置

當(dāng)前，世界上主要使用的GPS高精度科研分析軟件包括美國麻省理工學(xué)院(MIT)和美國加利福尼亞大學(xué)SCRIPPS海洋研究所(SIO)共同開發(fā)的GAMIT軟件、美國噴氣動力實驗室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)的GIPSY軟件、瑞士伯爾尼大學(xué)研制的BERNESE軟件、德國GFZ的EPOS軟件等。GAMIT軟件代碼基于Fortran語言編寫，由多個功能不同并可獨立運行的程序模塊組成，具有運算速度快、處理結(jié)果準確、版本更新周期短以及可以在精度許可范圍內(nèi)自動化處理等特點[5]，因此本次陸態(tài)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理使用GAMIT軟件來進行解算。

GAMIT可以通過sestbl.、sittbl.、sites.defaults等控制文件來制定不同的解算策略。本次解算的參數(shù)設(shè)置主要如下：

歷元間隔：30 s；

最大歷元數(shù)：2 880；

截止高度角：10°；

基線處理類型：松弛解(RELAX.)；

觀測值的選擇類型：無電離層的線性組合(LC_AUTCLN)；

對流層折射模型：薩斯塔莫寧(Saastamoinen)模型；

對流層映射函數(shù)：全球映射函數(shù)(GMF)；

天頂延遲參數(shù)個數(shù)：15；

IGS站坐標約束：0.050，0.050，0.10；

陸態(tài)監(jiān)測站坐標約束：9.999，9.999，9.999；

3 IGS站對陸態(tài)網(wǎng)解算的影響

3.1 IGS站幾何分布對陸態(tài)網(wǎng)解算的影響

文獻[6]研究發(fā)現(xiàn)，在進行GPS處理時，若選擇一些南北半球?qū)ΨQ的IGS基準站，可以使高程誤差對Z坐標的影響互相抵消，進而提高Z坐標的精度。對于陸態(tài)網(wǎng)是否也有相同影響，本文主要制訂了以下3種方案：

方案1：選取unsa，wind，tidb，sutv，alic，braz，dear，dund共8個IGS站，均分布在南半球；

方案2：選取barh，graz，irkm，kgni，torp，uclu，hueg，vill共8個IGS站，均分布在北半球；

方案3：選取alic，braz，dear，dund，barh，graz，irkm,kgni共8個IGS站，其中南北半球各4個，空間分布基本對稱；

本文選取在全國均勻分布的15個陸態(tài)網(wǎng)連續(xù)觀測站2016年連續(xù)31天的觀測數(shù)據(jù)來進行實驗。實驗之前，均使用TEQC軟件對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理和質(zhì)量檢查，結(jié)果顯示數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。

由于基線較多，限于篇幅，本次選取東西方向基線AHAQ-JSNT和南北方向基線NMBT-GDSG進行分析研究 。圖2為方案1、方案2以及方案3下基線AHAQ-JSNT在U方向上的解算精度，圖3為方案1、方案2以及方案3下基線NMBT-GDSG在U方向上的解算精度。

由圖2可以看出，當(dāng)陸態(tài)網(wǎng)數(shù)據(jù)與全部分布在南半球的IGS站進行聯(lián)合解算時，精度最低，而在方案2和方案3下，基線AHAQ-JSNT在U方向上的解算精度基本相差不大。圖3顯示，陸態(tài)網(wǎng)加入南北半球分布均勻的IGS站進行解算時基線NMBT-GDSG在U方向上的精度最高，方案2次之，但與方案1的結(jié)果相差不大，方案3的解算精度在3種方案中最差，最大可相差2 mm。

圖2 基線AHAQ-JSNT解算結(jié)果

圖3 基線NMBT-GDSG解算結(jié)果

由此可以看出，在選取IGS站進行陸態(tài)網(wǎng)解算過程中，可以不考慮高程誤差對Z坐標的影響，選取一定數(shù)量的北半球IGS站即可。

3.2 IGS站數(shù)量對陸態(tài)網(wǎng)解算的影響

在進行高精度的GPS數(shù)據(jù)處理時，應(yīng)該加入多少數(shù)量的IGS站至今沒有一個統(tǒng)一的定論。文獻[7]研究江蘇CORS系統(tǒng)解算中IGS站選取問題時發(fā)現(xiàn)，一般加入3～4個臨近的IGS站就可以獲得精度高且穩(wěn)定的解算精度。相比于江蘇CORS網(wǎng)，陸態(tài)網(wǎng)分布更廣，測站數(shù)量更多，因此本文主要制定了以下8種方案來研究IGS站數(shù)量對陸態(tài)網(wǎng)解算的影響。

方案1：不加入IGS站，直接解算陸態(tài)網(wǎng)15個站點；

方案2：選取CHAN、LHAZ共2個IGS站，與陸態(tài)網(wǎng)15個測站聯(lián)合解算；

方案3：選取CHAN、LHAZ、URUM、WUHN共4個IGS站，與陸態(tài)網(wǎng)15個測站聯(lián)合解算；

方案4：選取CHAN、LHAZ、URUM、WUHN、DAEJ、SHAO共6個IGS站，與陸態(tài)網(wǎng)15個測站聯(lián)合解算；

方案5：選取CHAN、LHAZ、URUM、WUHN、DAEJ、SHAO、BJFS、TCMS共8個IGS站，與陸態(tài)網(wǎng)15個測站聯(lián)合解算；

方案6：選取CHAN、LHAZ、URUM、WUHN、DAEJ、SHAO、BJFS、TCMS、IISC、ARTU共10個IGS站，與陸態(tài)網(wǎng)15個測站聯(lián)合解算；

方案7：選取CHAN、LHAZ、URUM、WUHN、DAEJ、SHAO、BJFS、TCMS、IISC、ARTU、KGNI、PIMO共12個IGS站，與陸態(tài)網(wǎng)15個測站聯(lián)合解算；

方案8：選取CHAN、LHAZ、URUM、WUHN、DAEJ、SHAO、BJFS、TCMS、IISC、ARTU、KGNI、PIMO、KIT3、TIXI共14個IGS站，與陸態(tài)網(wǎng)15個測站聯(lián)合解算；

解算結(jié)果如圖4所示。由圖可以看出，基線解中誤差開始隨著增加IGS站明顯減少，其中基線GDSG-SXGX提高了4.2 mm的解算精度。當(dāng)IGS站數(shù)增加到8時，每條基線的平均精度已經(jīng)接近不變，趨于穩(wěn)定。

圖4 四條基線平均精度隨IGS站數(shù)的變化

在進行GAMIT基線處理結(jié)果質(zhì)量評價指標中，除了檢查所有測站點是否都參與解算，還要查看標準化均方根誤差(NRMS)值是否符合要求。NRMS表示單時段解算出的基線值偏離其加權(quán)平均值的程度(式1)，

(1)

若是NRMS值大于0.5，表明處理結(jié)果是有問題的(例如：周跳沒有修復(fù)；測站的起算點坐標有問題等)；若是NRMS值小于0.5，則認為解算成功，否則需要檢查原因，重新處理。一般NRMS越小越好，一般小于0.25視為解算效果較好。由表1可以看出，本次8個方案解算的平均NRMS值均在0.175左右，解算結(jié)果均符合要求。

表1 各方案驗后NRMS平均值

由此可以得出，在進行陸態(tài)網(wǎng)基線解算的過程中，一般加入8個左右的IGS站會對提高基線解算的精度且相對比較穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

本文從IGS站的幾何分布以及數(shù)量兩個方面研究了在進行陸態(tài)網(wǎng)基線解算過程中的IGS站選取問題，并確定了選取原則，即：

1)在本文GAMIT參數(shù)設(shè)置下，進行陸態(tài)網(wǎng)解算時不需要考慮高程誤差對Z坐標的影響，選取北半球的IGS站就可使基線得到較好的U方向解算精度；

2)在進行陸態(tài)網(wǎng)基線解算的過程中，一般加入8個左右的IGS站會對提高基線解算的精度且相對比較穩(wěn)定。

當(dāng)然，在選取IGS基準站時，還應(yīng)該考慮其精度和可靠性。同時使用GAMIT進行高精度的GPS數(shù)據(jù)處理時，不同的參數(shù)設(shè)置也會造成實驗結(jié)果的波動，結(jié)論只在一定條件下適用。IGS站點的選取對于陸態(tài)網(wǎng)數(shù)據(jù)高精度的解算有很重要的意義，今后仍需繼續(xù)研究，完善IGS站選擇方案。

[1] 徐平，尹繼堯，吳培稚，等.北京市GPS網(wǎng)解算時IGS 站的選取實驗[J].大地測量與地球動力學(xué)，2006，26(1):49-53.

[2] 曹泉根,安艷輝,丁玉平. GPS數(shù)據(jù)處理中IGS站點選取的研究[J].測繪通報，2009(8):32-35.

[3] 萬軍，成英燕，黨亞民，等.陸態(tài)網(wǎng)測站高精度解算分區(qū)方案[J].測繪科學(xué)，2016，41(4):1-4.

[4] 劉光明，唐穎哲，秦顯平，等. 陸態(tài)網(wǎng)GPS精密定軌方法與精度分析[J].測繪工程，2013，22(4):38-41.

[5] Department of Earth.Atmospheric.and Planetary Sciences Massachusetts Institute of Technology.GAMIT Referance Manual.Release 10.4 [R].USA；MIT.2010.

[6] 隋立芬,許其鳳.高程及衛(wèi)星軌道誤差Z坐標的影響[J].測繪學(xué)院學(xué)報, 2000,17(2):16-19.

[7] 趙倩，沈飛.江蘇省CORS系統(tǒng)解算中IGS基準站選取的研究[J].測繪科學(xué)，2011，36(6):124-126.

[責(zé)任編輯：李銘娜]

Selection of IGS station in solution precision of CMONOC

LIU Zongqiang1,2,DANG Yamin1,2,HE Tao3,YANG Qiang2,YUE Caiya1,2

(1.College of Geomatics,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266003,China;2.Chinese Academy of Surveying and Mapping,Beijing 100830,China;3.Tianjin Institute of Surveying and Mapping,Tianjin 300381,China)

Recently years, the problem of the selection of IGS base stations in high-precision GPS data has not been fully resolved. This paper mainly discusses the selection of IGS station in data processing of CMONOC, briefly introducing the CMONOC and GAMIT software, and analyzing the influence of the distribution and the number of IGS reference stations on the data processing of CMONOC. Through the experiment in the setting of GAMIT parameters in this paper, the numerical calculation shows that the IGS stations located in Northern Hemisphere are added up to obtain better accuracy in the U-direction of baselines. Eight IGS stations are proper for the CMONOC.

IGS station; CMONOC; solution precision

2016-10-10；

2016-10-31

國家自然科學(xué)基金資助項目(41474011)

劉宗強(1990-)，男，碩士研究生.

著錄：劉宗強，黨亞民，何濤，等.IGS站的選取對陸態(tài)網(wǎng)解算精度的影響[J].測繪工程，2017，26(9)：28-31.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.09.006

P228

A

1006-7949(2017)09-0028-04