一種CORS網基準站穩定性分析方法

帥瑋祎，董緒榮，李曉宇，付 偉

(1.裝備學院，北京 101416；2.北京航天飛行控制中心，北京 100096)

一種CORS網基準站穩定性分析方法

帥瑋祎1，董緒榮1，李曉宇2，付 偉1

(1.裝備學院，北京 101416；2.北京航天飛行控制中心，北京 100096)

為了進一步研究CORS網基準站的穩定性分析方法，給出一種利用GAMIT/GLOBK軟件進行分析的流程方法，對北京市CORS網2012—2015年基準站的穩定性進行分析。結果表明：基線解算結果的精度符合標準；由于板塊運動的影響，基準站各坐標分量總體變化趨勢為線性，每年都在向東南方向偏移，且隨年份增長，變化量呈減小趨勢；所有站整體呈沉降趨勢，個別站沉降現象嚴重。

CORS網；基準站；穩定性；基線解算；沉降

0 引言

隨著國家信息化程度的提高及計算機網絡和通信技術的飛速發展，電子政務、電子商務、數字城市、數字省區和數字地球的工程化和現實化需要采集多種實時地理空間數據。連續運行參考站(continuously operating reference stations, CORS)系統結合了衛星定位技術、計算機網絡技術、數字通訊技術等高新科技，可以為用戶自動提供各類有關導航定位服務項目[1-3]。自2000年深圳市建立了我國第一個連續運行參考站系統(Shenzhen CORS，SZCORS)后，我國部分省、市如廣東省、北京、成都等也已初步建成類似的省、市級CORS系統[4-6]。CORS基準站作為城市各級控制網的基準點，不僅可以大大提高城市測量的速度與效率，其速度場和坐標位置誤差估計也是維持2000國家大地坐標系(China geodetic coordinate system 2000，CGCS2000)框架精確性和穩定性的基礎[7]。本文以GAMIT/GLOBK軟件為基礎，研究并給出了一種CORS網基準站穩定性分析方法。

1 GAMIT/GLOBK軟件概述

1.1 軟件介紹

GAMIT/GLOBK軟件是由麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)研制，后與美國斯克里普斯海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography，SIO)共同開發改進 的一套基于UNIX/LINUX操作系統下的用于高精度導航系統數據處理分析軟件[8]。其中包含GAMIT和GLOBK 2大軟件：GAMIT軟件主要用于利用導航系統載波相位觀測值進行基線處理[9]，采用雙差觀測量消除衛星鐘差和接收機鐘差的影響，同時減弱諸如軌道誤差、大氣折射誤差等系統性誤差的影響，使得處理長基線和連續時段靜態定位相對精度可達1×10-8～1×10-9數量級，處理短基線的精度可達1～3 mm；GLOBK軟件主要是利用卡爾曼濾波方法進行網平差，可是實現多時段綜合解算。該軟件開放了源代碼，用戶可以根據實際需要進行人工干預進行數據處理，是目前國際上最優秀的定位和定軌數據處理分析軟件之一。

1.2 軟件安裝及更新

GAMIT/GLOBK目前還不能在Windows操作系統上運行，當下比較常用的做法是安裝虛擬機軟件，虛擬機上安裝LINUX操作系統(通常采用UBUNTU)，這樣不僅可以實現GAMIT/GLOBK的安裝，同時2個操作系統之間文件該可以自由拷貝，使得數據的準備和處理更加便捷。

軟件安裝過程及相關的配置[10-11]在很多博文和文獻中都有提及，這里就不詳細介紹。下面主要介紹一下使用GAMIT/GLOBK最新版本(10.6)中需要注意的問題。

1)最新版本中很多tables表文件除了內容更新外，格式也更新到了新版本，如衛星星號對照表svnav.dat和差分碼表dcb.dat，2個表文件在GAMIT更新包中都有相應的*.gnss和*.gps 2種格式版本，其中*.gnss對應的是新格式版本，也是軟件自動安裝更新時表文件鏈接所對應的文件；但在實際軟件運行過程中，如果使用的是GAMIT 10.5或更早版本，必須使用*.gps格式的表文件，這時就要手動將svnav.dat和dcb.dat文件鏈接到相應的*.gps格式文件上，如果使用的是最新的10.6版本，則不需要。

2)隨著全球定位系統(global positioning system，GPS)現代化的持續推進，很多GPS衛星都進行了以舊換新，如PRN 32對應的衛星已經從Block IIA SVN 23(2016-01-26失效)變為2016-02-05發射的Block IIF SVN 70；但如果使用舊版本的表文件，很可能就反映不出來此類問題，導致運行報錯：因此需要進行手動配置相關文件(svs_exclude.dat等)，在處理數據的過程中剔除對應衛星的數據。

3)GAMIT/GLOBK軟件是通過調用GMT軟件來進行速度場、區域地圖等圖形繪制。這里需要注意的是，GAMIT 10.6軟件更新包中增加了一個com_preGMT5的文件夾，里面包含的是10.6版本調用GMT軟件所使用的畫圖腳本。如果用戶安裝了GAMIT 10.6的話，想調用GMT繪圖軟件，必須要將GMT更新到GMT 5以上的版本，或者將已安裝的GMT 4或更早版本的軟件配置文件的路徑命令行中將～/gg/com替換成～/gg/com_preGMT5。

4)更多的軟件更新信息在軟件更新包附帶的README文件中都可以查閱到，用戶可以根據軟件運行時出現的相關問題在說明文件中查找對應的原因。

2 基準站穩定分析

本文運算數據采用北京市全球衛星定位綜合服務系統14個連續運行基準站2012-02—2016-02的GPS觀測數據以及中國大陸及周邊17個國際GPS服務(International GPS Service，IGS)站的觀測數據?；鶞收救?4 h觀測，數據采樣間隔為15 s；IGS站全天24 h觀測，采樣間隔為30 s。

2.1 數據處理流程及方法

利用GAMIT軟件進行數據處理之前，首先要考慮的問題就是參考框架的選取。IGS跟蹤站可以為用戶提供所用GPS衛星的各類高精度參數；但全球分布著約300個IGS永久性跟蹤站和數據中心，選取多少個IGS站、選哪個IGS站是數據處理之前必須考慮的問題。很多學者就這個問題都進行了深入研究，通過對有關文獻的研究，歸納選取原則為：1)測站3年(或以上)連續觀測；2)處于剛性板塊并遠離形變區域；3)速度場精度優于3毫米/年；4)選取站點在中國國內及其周邊；5)位置解算精度和速度場精度殘差不大于方差的2倍[12]。同時結合文獻[13]中的相關結論，在保證這些站滿足上述標準的情況下，其空間的分布盡量都是均勻的。根據上述選取原則結合基準站數量級分布情況，確定以下17個IGS站作為聯測站，其分布網如圖1所示。

數據處理流程如圖2所示。

表1為IGS官網給出的各IGS站的坐標信息。

表1 IGS站坐標 (°)

圖1 IGS站分布網

1)考慮觀測數據周期較長，基準站觀測數據不可避免地會受到周圍環境或是一些硬件故障的影響。因此首先利用TEQC對基準站觀測數據進行

數據質量檢查，進行數據預處理，同時利用MATLAB編譯的程序進行數據中斷檢查，剔除數據質量較差或中斷較長的天份數據。

2)將IGS站觀測數據同基準站數據進行聯測，利用GAMIT軟件得到單日基線的松弛解。

3)得到單日基線解后，首先分析單日解的質量，主要看參與解算測站點數、觀測值有效率以及解算結果的歸一化均方根(normalized root mean square value，NRMS)值，如果有任何一項指標不達標，則要改動GAMIT軟件的相關配置參數后重新解算；然后采用基線重復率衡量基線結果的解算精度；單日解質量達標后分析基準站坐標的時間序列，如果出現數據粗差較大的天份，將該天單日解直接剔除。

圖2 數據處理流程

4)利用非基準方法進行整體平差計算，將單日基線解和協方差矩陣作為觀測量，IGS站坐標作為約束基準，通過聯測得到基準站的坐標位置和速度場信息。

2.2數據處理結果分析

按照上面提到的數據處理策略首先對數據進行預處理，采用的軟件及方法較為成熟，在這里就不做詳細介紹。GAMIT進行基線解算的數據準備及文件配置流程可以參考文獻[14]，這里就不再進行贅述。下面直接分析單日解質量。

分析單日解質量的各項指標都可以通過GAMIT軟件生成的q結果文件中的postfit nrms讀出。q文件開頭給出了參與解算的測站名，圖2部分則是給出了觀測值數量和有效值數量以及解算結果NRMS。NRMS在0.2左右為正常，圖中NRMS為0.186 63，在正常范圍內，說明解算結果合理。同時q文件中還給出了每條基線處理結果的計算處理精度，表2給出了CEHY所在站的部分基線解。

表2 基線處理結果 m

注：表中X、Y、Z為基線向量在X、Y、Z3個方向上的分量。

考慮到本文中數據量較大，逐一觀察各個基線處理精度是不現實的。在這里采用基線重復率來衡量基線結果的解算精度?；€分量的重復率反映了單日解之間的內符合精度，其計算方法為

(1)

(2)

表3給出了2012—2015年14個基準站3個基線分量上的重復率平均值。

表3 2012—2015年各基準站基線重復率平均值 mm

從表中數據可知，水平方向基線重復率都在2 mm左右，高程方向在4 mm左右，滿足CJJ/T73-2010《衛星定位城市測量技術規范》中對CORS網的精度要求[15]。

單日松弛解算結果符合精度以后，利用GAMIT軟件中的sh_glred命令生成坐標時間序列來剔除異常值。異常值表現為圖3所示。

圖3 單日解中異常值

該異常值的出現可能是由于當天測量值較少或存在其他干擾造成，但在前期數據預處理時并沒有檢測出問題，考慮到這類問題是個別站個別天份的問題，在這里直接把當天單日解結果剔除。

接下來利用處理后的單日基線解在GLOBK中進行整體平差計算，這里需要根據解算配置相關的控制文件(globk_vel.cmd)，通過調用相關命令即可生成包含基準站速度場和坐標位置的結果文件(*.org)。由于保密因素，本文不給出基準站的具體坐標，只針對其速度場及坐標變化進行分析。

由于在實際處理過程中由GLOBK計算出的速度場信息同基準站實際坐標位置數值上偏差較大，無法直接顯示在圖形界面中；因此這里采用線性擬合的方法來求解速度場[16]。分別對14個站的GLOBK平差結果進行線性擬合，即可得到該時間段內該參考站的速度場，對每個站的速度場進行擬合，可以得出所有站整年的速度場和坐標殘差離散度信息；而對于特殊情況造成的曲線“跳躍”，已利用后文提到的特殊問題處理方法進行了相應改正。速度場擬合結果如表4所示。

表4 基準站速度場及坐標殘差離散度

以DAXN站和DSQI站坐標時間序列為例(如圖4～圖5所示)，對擬合結果進行分析。

圖4 DAXN站坐標時間序列

圖5 DSQI站坐標時間序列圖

從圖中可以看出2個基準站N、E、U3個方向上總體變化趨勢一致，基本上為線性變化，坐標殘差隨機分布在速度場擬合直線兩側。擬合直線斜率即為對應方向上的速度值大小，N方向上速度為負，坐標變化幅度在5 mm左右；E方向上速度為正，坐標變化幅度在10 mm左右；U方向上速度為負，坐標變化幅度在15 mm左右。對比2幅圖可以明顯看出，2個基準站在N和E方向上的速度場大小大致相同，但在U方向上DSQI站的沉降速度明顯高于DAXN站。

為方便分析各個站隨年份的水平位移及沉降情況，下面給出14個基準站2012—2015年N、E、U3個方向的年偏移量，如圖6～圖8所示。

圖6 各基準站N方向年偏移量對比

就單一年度來說，除個別站(如2015年SHIJ、PING)偏移量略大以外，各個站的年偏移量差距都在5 mm內，較為平穩；對比每個站4個年度偏移量可以看出，隨著年份的增長，N方向上的漂移量呈逐年減小的趨勢?？偟膩碚f，各站N方向的年偏移量整體趨于平穩，在-18 mm以上，且呈逐年減小趨勢。

圖7 各基準站E方向年偏移量對比

同N方向類似，各站E方向的年偏移量整體趨于平穩，在40 mm之下；就單一年度來說，除個別站(如2015年MYUN、2014年NKYU)偏移量略大以外，各個站的年偏移量差距都在5 mm內；對比每個站4個年度的偏移量同樣可以看出，隨著年份的增長，E方向上的漂移量也是呈逐年減小的趨勢。

圖8 各基準站U方向年偏移量對比

基準站穩定性中一個至關重要的問題就是基準站的沉降，從圖8中可以明顯看出：除了CEHY站在2015年沉降量突然增大以外，各個站每年的沉降量基本保持一致；其中DSQI站每年的沉降都最為嚴重，最大達到120 mm，其次為CHAO站和NLSH站，最大沉降量都達到了60 mm，其他站沉降量都較?。坏珜Ρ让總€站4個年度偏移量可以發現，不同于N、E2個方向，各基準站沉降量隨年份的變化是無規律的，其中個別站存在的突變現象可能是由于站點出現施工或是特殊地質現象導致。

為了驗證結果的可信性，給出IGS站和基準站的速度場及速度場殘差離散度示意圖(如圖9所示)，圖中矢量標志表示速度場方向及大小，圓的半徑表示離散度。

圖9 聯測站速度場及速度場殘差離散度示意

從圖中可以看出，北京市14個基準站的速度場方向、大小同距離較近的幾個IGS聯測站的速度場方向、大小基本保持一致，速度場殘差離散程度不高，驗證了結果的可信性。

綜合以上數據分析結果，可以得出以下結論：

1)基準站N、E方向基線重復率都在2 mm左右，高程方向在4 mm左右，基線解算結果符合精度標準；

2)基準站N方向年偏移量在-18 mm以上，E方向年偏移量在40 mm以下，且隨年份增長，變化量呈減小趨勢；

3)基準站U方向隨年份的變化是無規律的，但所有站整體呈沉降趨勢，DSQI站每年的沉降都最為嚴重，最大達到了120 mm，其次為CHAO站和NLSH站，最大沉降量都達到了60 mm，其他站沉降量都較小。

4)基準站的整體趨勢反映出了板塊運動對北京市區的長期影響，個別站存在的特殊變化趨勢可能與當地一些特殊地質活動有關。

2.3 特殊問題說明及處理方法

1)利用GAMIT進行數據處理時，需要基準站接收機及天線的相關信息，由于在長期數據處理中，不可避免地會存在更換接收機或是天線的情況，如果更換的接收機或是天線類型不在GAMIT最新的表文件中，需要手動加入對應的接收機或是天線類型，否則在軟件運行過程中會報錯。

2)部分基準站由于建造時間較長，周圍的地理環境發生了很大變化，會存在增蓋了高層建筑或是周圍樹木生長導致天線遮擋等問題，這時候相關部門會考慮更換站址；但如果用戶在處理數據時并不知道這一情況，會導致處理結果出錯，生成基準站的坐標序列時會出現問題，如圖10所示。

圖10 SHIJ站2015年坐標時間序列

從圖中可以看出，圖像和各項指標明顯是有問題的。通過檢查該站整年觀測數據發現，SHIJ站在10月15日至31日發生半個月的數據中斷，11月1日恢復數據觀測，但在11月3日發生了站址變更，這一點可以從觀測文件中APPROX POSITION XYZ一行中直接讀出。

數據處理過程中發現，MYUN站在9月份同樣出現了站址變更的問題，因此在處理同年這2個站的數據時必須分時段處理。因為利用GAMIT進行基線解算時有一個準備文件lfile.，存放的是各測站的近似坐標，即起算坐標點，其誤差過大會直接導致基線處理結果較差。更換站址以后，必須對起始坐標進行手動更改，然后從更改日期起算進行批處理。在分析速度場和基線精度時，以更改日期為分水嶺分段分析，而最終得到的基準站坐標則以更改站址后的平差結果為準。

3 結束語

1)本文以GAMIT/GLOBK軟件為基礎，對北京市2012—2015年CORS網基準站的穩定性進行了研究分析。分析結果表明：N、E方向基線重復率都在2 mm左右，高程方向在4 mm左右，基線解算結果符合精度標準；N方向年偏移量在-18 mm以上；E方向年偏移量在40 mm以下，且隨著年份增長，變化量呈減小趨勢；U方向隨年份的變化是無規律的，但所有站整體呈沉降趨勢；所有基準站N、E、U3個方向隨時間的總體變化趨勢為線性，每年都在向東南方向移動，并存在沉降現象。這不僅反映了整個北京市CORS網的長期變化趨勢，同時反映出板塊運動對市區的影響。其中個別點(如2015年CEHY站)出現了不規律的變化，可能與當地一些特殊地質活動有關。

2)GAMIT/GLOBK已經成為當下進行高精度全球衛星導航系統(global navigation satellite system，GNSS)數據結算的主流軟件，在處理大數據量的觀測值時，具有運算速度快、解算精度高的特點，在實際工程應用中具有很高的使用價值。本文給出的關于更新和使用過程中的部分建議只是在軟件使用過程中的一些個例，而針對不同用戶，在安裝和解算過程中會遇到其他各種各樣的問題，因此需要對軟件每年的更新內容及解算中使用的配置文件、準備文件有全面的了解和研究。隨著導航系統及接收機的不斷發展，GAMIT/GLOBK也在與時俱進地提供各類導航數據的接口，未來必將發展成為可以同步處理GNSS數據的有力工具。

[1] 熊忠招，趙春林，曹源，等.邊緣地區 CORS-RTK 測量精度改進方法探討[J].地理空間信息，2017，15(1)：85-86.

[2] 于廣瑞，顧廣杰，曲以春，等.CORS支持下的超站儀快速坐標測量算法分析[J].測繪工程，2017，26(1)：51-60.

[3] 于雙，董光利，劉壯，等.基于北斗CORS系統的海上鉆井平臺精確站樁導航系統的設計與開發[J].測繪工程，2016，25(11)：72-80.

[4] 蔡榮華，蘇立錢，楊一挺，等.浙江省省級CORS系統RTK測試與分析[J].全球定位系統，2009，34(3)：41-45.DOI：10.13442/j.gnss.2009.03.008.

[5] 曾波，張彥芬，姜衛平，等.山西CORS網基準站速度場分析[J].武漢大學學報(信息科學版)，2012，37(12)：1402-1405.

[6] 羅峰.廣州CORS基準站的穩定性分析與研究[J].工程勘察，2014(6)：73-76.

[7] 蔣志浩，張鵬，秘金鐘，等.顧及有色噪聲影響的CGCS2000下我國CORS站速度估計[J].測繪學報，2010，39(4)：355-362.

[8] 朱李忠，趙忠海，張洪文.基于BERNESE和GAMIT/GLOBK的聯合數據處理探討[J].測繪與空間地理信息，2016，39(1)：76-78.

[9] 趙國強，任靂.基于GAMIT/GLOBK的GPS數據處理平臺搭建[J].測繪地理信息，2016，41(1)：37-42.

[10] HERRING T A，KING R W，FLOYD M A，et al.GAMIT reference manual release 10.6[EB/OL].[2017-01-27].ftp：//chandler.mit.edu/updates/docomentation/15236781.pdf.

[11] HERRING T A，KING R W，FLOYD M A，et al.GLOBK reference manual release 10.6[EB/OL].[2017-01-27].ftp：//chandler.mit.edu/updates/docomentation/15236857.pdf.

[12] 秘金鐘，蔣志浩，張鵬，等.IGS跟蹤站與國內跟蹤站聯合處理的框架點選擇研究[J].武漢大學學報(信息科學版)，2007，32(8)：704-706.

[13] 梁偉峰.華北GPS網GAMIT計算結果與IGS站選取的關系探討[J].測繪工程，2002，11(4)：55-58.

[14] 徐杰，任超，孟黎.使用GAMIT進行高精度基線向量解算的方法與實踐[J].海洋測繪，2007，27(6)：29-32.

[15] 羅峰.CORS基準站的穩定性分析與研究[J].全球定位系統，2014，39(1)：43-45.

[16] 秘金鐘，李毓麟，張鵬，等.GPS基準站坐標與速度場及隨時間變化規律的探討[J].武漢大學學報(信息科學版)，2004，29(9)：764-765.

AmethodofstabilityanalysisonCORSnetworkbasestation

SHUAIWeiyi1，DONGXurong1，LIXiaoyu2，FUWei1

(1.Equipment Academy，Beijing 101416，China；2.Beijing Aerospace Flight Control Center，Beijing 100096，China)

In order to further study on the stability analysis method of CORS network base station，the paper proposed a method which uses GAMIT/GLOBK software to analyze the stability with the example of the base station in Beijing CORS network from 2012 to 2015.Result showed that：the accuracy of baseline calculation could meet the requirement； due to the impact of the plate movement，the variation trend of base station coordinates would be linear and all the stations were shifting to the southeast every year； moreover，with the growth of the year，the variation would be decreased； all station showed a downward trend of settlement，and some of them more serious.

CORS network； base station； stability； baseline calculation； settlement

2017-03-03

帥瑋祎(1991—)，女(蒙古族)，河北承德人，博士研究生，研究方向為衛星導航應用。

帥瑋祎，董緒榮，李曉宇，等.一種CORS網基準站穩定性分析方法[J].導航定位學報，2017，5(4)：98-104.(SHUAI Weiyi，DONG Xurong，LI Xiaoyu，et al.A method of stability analysis on CORS network base station[J].Journal of Navigation and Positioning，2017，5(4)：98-104.)

10.16547/j.cnki.10-1096.20170418.

P228.1

A

2095-4999(2017)04-0098-07