不同解算策略下的GNSS區域網平差分析

王 健，劉宗強，朱亞兵

(1.山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島 266590；2.中國測繪科學研究院，北京 100830；3.廣東省國土資源測繪院，廣州 510500)

0 引言

全球衛星導航系統(global navigation satellite system，GNSS)測量數據的處理是GNSS定位技術的一個重要內容[1-2]。在數據處理過程中方法的選擇和優化對GNSS測量結果影響很大。為了使區域建立的參考框架與國際地球參考框架更加接近，充分利用國際GNSS服務(International GNSS Service，IGS)觀測數據無疑是最佳途徑[3-4]。國內一些專家學者也對此進行了研究。文獻[5]通過對南極中山站GNSS數據進行處理，認為為得到國際地球參考框架下精確的坐標，在計算時應加入5個均勻分布在未知點附近的IGS站，其中距離未知點較近的點為必須點且所選點應均在南半球。文獻[6]通過聯合解算25個分布均勻的中國大陸構造環境監測網絡基準站和國內及周邊12個IGS站，得出結論：當在X、Y及Z3個方向上約束1 cm時，平差精度較好；單天解平差的均方差能夠達到毫米級，而周解的均方差能達到亞毫米級且周解平差精度高。

本文通過利用陸態網中新疆地區GNSS連續觀測站以及全球IGS觀測站的資料，使用GAMIT解算獲取單日解，并采取不同平差策略對使用GLOBK獲取的定位結果進行分析研究，重點討論IGS站的加入對GNSS網平差的影響。

1 GNSS觀測網資料概況

“中國大陸構造環境監測網絡”(簡稱“陸態網”)是我國在“十一五”建設期間成立的國家重大科技基礎建設設施，其中由基準網、區域網、數據系統3類組成。陸態網共包括260多個連續觀測站和2 000多個不定期觀測站，該網旨在以全球衛星導航定位系統等多種現代空間對地觀測技術為主，結合傳統的地面大地測量觀測手段，對中國大陸及其鄰區巖石圈地殼運動和重力場變化、近地空間圈水汽含量變化和電離層電子密度變化等多圈層、多類型構造環境因素進行綜合監測，以服務于地址預防為主，兼顧軍事測繪、大地測量、天氣預報和科學研究等多領域應用[7-8]。陸態網的網形較大，本次實驗選取其中數據采樣頻率為30 s的28個新疆地區的連續觀測站1個月的數據，使得該實驗的可靠性和嚴謹性得到保證。新疆地區連續觀測站的分布如圖1所示。

2 GAMIT基線解算方案

數據處理是研究GNSS領域的一項重要內容，數據處理的質量與許多因素息息相關；因此選用優秀的GNSS處理軟件顯得至關重要。由美國麻省理工學院和美國SCRIPPS海洋研究所共同開發的高精度定位和定軌軟件—GAMIT，在處理靜態定位GNSS數據時具有處理結果準確、版本更新周期短、運算速度快、在精度許可范圍內自動化處理程度高等優點；因此受到廣大學者的喜愛，在國內應用非常廣泛[9]。本文使用GAMIT10.50獲得了陸態網新疆地區28個觀測站和中國大陸地區及周圍17個IGS站的區域單日松弛解。其中部分參數設置如表1所示。

表1 部分參數設置

3 GAMIT計算結果檢驗與評價

本次實驗采用的是陸態網新疆地區分布均勻的28個連續觀測站在2015-01-01—2015-01-30連續30 d的觀測數據，GAMIT基線解算詳細步驟可參考文獻[10]。在實驗之前，所有數據均使用TEQC軟件進行了預處理和質量檢查，最后顯示此次數據質量良好。

GAMIT基線處理結果有3個檢驗和評價指標：1)所有測站點是否都參與解算；2)各測站的單天解是否使用了足夠多的測量數據；3)測量數據的擬合模型是否達到了噪聲水平，這與標準化均方根差(normalized root mean square，NRMS)值有直接關系。NRMS表示單時段解算出的基線值偏離其加權平均值的程度為

(1)

式中：n為單時段數；Yi為單時段基線分量NS、EW、高程向及基線長估計值；Y為各時段解基線分量或邊長的加權平均值；σi為各分量的中誤差。

如果NRMS值大于0.5，那么此次結算結果是有問題的(原因可能是周跳沒有修復、測站的起算點坐標不正確等等)；如果NRMS值小于0.5，則此次解算成功。一般認為NRMS值越小越好，若小于0.25則視為處理效果較好。此次使用GAMIT基線處理的平均NRMS值均在0.180左右，則基線解算的結果均符合要求。單日解NRMS值如圖2所示。

4 GLOBK解算方案比較分析

4.1 GLOBK平差計算方案

GLOBK(Global Kalman filter VLBI and GNSS analysis program)為采用卡爾曼濾波技術進行網平差的軟件，利用前期處理得到的松弛解向量和協方差陣對多期觀測數據進行綜合平差，融合出測站的精確坐標、變化速率及軌道參數等[11-12]。本次實驗使用GLOBK軟件進行網平差的具體步驟可參考文獻[13]。對于最后得到的H文件，采取GLOBK軟件進行網平差計算；并采取ITRF2008作為參考框架，依據采用IGS站的H文件的選取不同分成以下3個方案：

方案1：只采用本次計算得到的30 d H文件，平差時不加入IGS站進行約束；

方案2：只采用本次計算得到的30 d H文件，平差時加入中國及周邊17個IGS站進行約束；

方案3：采用本次計算得到的30 d H文件以及斯克里普斯軌道和常駐陣列中心(Scripps Orbit and Permanent Array Center，SOPAC)提供的全球解H文件，平差時加入中國及周邊17個IGS站進行約束。

4.2 GLOBK平差結果比較分析

完成3種方案的GLOBK平差之后，可以得到陸態網新疆地區28個連續觀測站坐標和速度的精度，下面從這2方面進行研究分析。

4.2.1 測站坐標分析

由于測站較多，限于篇幅，表中只列出10個測站的坐標精度。具體結果見表2～表4。

表2 E方向坐標解算結果

表3 N方向坐標解算結果

表4 U方向坐標解算結果

為了使解算結果更加直觀，圖3、圖4和圖5分別給出每個測站在E、N、U方向上的精度折線圖。其中折線圖橫坐標1～28分別表示陸態網新疆地區連續觀測站XJJJ、XJQH、XJML、XJSS、XJFY、XJRQ、XJAL、XJBE、XJWL、XJKE、XJSH、XJQM、XJKL、XJDS、XJBY、XJTZ、XJXY、XJKC、XJTC、XJYT、XJYN、XJWQ、XJZS、XJHT、XJBC、XJYC、XJWU、XJBL，下同。

由圖可以看出：測站基于方案1在E、N、U方向上的精度大約為2.38、2.26、3.44 mm；隨著17個IGS站的加入，測站在E、N、U方向上的精度提升至0.66、0.70、2.34 mm；當使用全球H文件一起平差時，相比之下測站在E、N、U方向上的精度最高，大約為0.39、0.41、1.31 mm。對于3個方案，E、N方向上的精度結果相差不大且比U方向上高出很多，原因可能是加入的IGS站在南北和東西方向上分布比較均勻。各測站在E、N、U方向上：方案2比方案1精度有了明顯提升，分別提高了72.27 %、68.72 %、31.98 %左右；方案3比方案2精度又有了提升，分別提高了41.79 %、42.25 %、44.02 %左右；方案3比方案1精度提高了83.61 %、81.94 %、61.92 %左右。所以方案1的解算精度最差，方案2次之，方案3精度最高。

由此可以看出在使用GLOBK軟件進行陸態網新疆地區網平差時，加入中國及周邊的17個IGS站進行約束就能大幅度提高坐標精度；當聯合SOPAC提供的全球解H文件一起平差時，坐標精度最高、結果最好。

4.2.2 測站速度分析

同樣，限于篇幅，表5～表7只列出了10個測站在E、N、U方向上的速度解算結果。

表5 E方向速度解算結果

表6 N方向速度解算結果

表7 U方向速度解算結果

圖6～圖8直觀反映出3個方案分別在E、N、U方向上的速度解算精度。不難看出，各測站在E、N、U方向上，3個方案的速度精度均比坐標精度要低。而且3個方案在E、N方向上的精度比U方向上高出很多。3個方案在E方向上的精度為18.07、13.14、12.73 毫米·年-1；在N方向上的精度為18.97、14.12、13.85 毫米·年-1；在U方向上的精度為52.04、49.84、47.89 毫米·年-1。所以在3個方向上：方案2比方案1精度有了明顯提升，分別提高了26.35 %、29.82 %、4.04 %

左右；方案3比方案2精度又有了提升，分別提高了11.23 %、9.95 %、4.10 %左右；方案3比方案1精度提高了34.62 %、34.80 %、7.97 %左右。因此在進行陸態網新疆地區GLOBK平差時，加入中國及周邊的17個IGS站進行約束就能大幅度提高測站速度精度；當聯合SOPAC提供的全球解H文件一起平差時，精度最高。

5 結束語

本文依據IGS站的選取不同對比分析了GLOBK平差時3種解算方案的測站坐標和速度精度結果，得到以下結論：

1)測站在E、N方向上的坐標精度結果相差不大，且都比U方向上坐標精度高出很多；

2)測站的速度精度均比坐標精度要低；

3)在本文的GAMIT/GLOBK參數設置下，進行陸態網新疆地區網平差時，加入中國及周邊的17個IGS站進行約束就能大幅度提高測站坐標和速度的精度，當聯合SOPAC提供的全球解H文件一起平差時得到的測站坐標和速度的精度最高且明顯提升。

當然，在進行GAMIT基線解算和GLOBK平差時，參數設置的不同得到的結果也有一定的差異；該實驗得到的結論只在一定情況下適用。IGS站點的選取對連續觀測數據網平差具有很重要的意義，今后仍需不斷研究，進一步完善方案。

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