連續運行參考站選取對GNSS基線處理精度的影響分析

袁曉妍，秦 童，趙友興

(1.自然資源部第二地理信息制圖院，哈爾濱 150081；2.黑龍江第一測繪工程院，哈爾濱 150025；3.黑龍江省地理信息產業園有限公司，哈爾濱 150025)

GNSS靜態觀測數據的處理，通常采用的方式是將坐標已知點納入到觀測點當中，共同進行基線解算，再用已知點坐標作為起算點進行三維約束平差(必要時還需進行二維約束平差)。根據《全球定位系統(GPS)測量規范》，各級GPS網按觀測方法可采用基于A級點、區域衛星連續基準站網、臨時連續運行基準站網等點觀測模式[1]。隨著連續運行參考站(CORS)技術的飛速發展，多個國家已經建設了一定數量的連續基準站。一些發達國家已在各自所在地區建立了各種連續運行基準(參考)站網，具有代表性的包括美國的CORS系統、歐洲的SAPOS系統、日本的COSMOS系統等[2]。衛星導航定位基準站網可定義為由一定范圍內(甚至全球)的若干個(大于3個)GNSS測站(包括連續運行和不連續運行的基準站)組成[3]。GNSS基準站網系統可定義為將基準站網通過網絡互聯，構成以提供位置和時間信息為核心的網絡化綜合服務系統。我國最近幾年也基本實現了CORS網絡的完全覆蓋。由于連續運行基準站是全天候不間斷進行觀測，任意未知點在任何觀測時段都可以與它們構成結構良好的同步觀測環，進而可以精密地知道未知點的坐標，作業效率高于傳統的同步環滾動模式[4]。因此在GNSS靜態觀測和數據處理中，基于衛星連續基準站網的方法得到越來越廣泛的應用。

在一些GNSS基線處理的實際操作中發現，坐標已知的連續運行基準站的選取規則不同，基線處理結果也不盡相同。隨著基準站間隔、構成的網型發生變化，基線處理和平差所獲得的數據成果也會有一定的區別。在實際的GNSS基線處理中經常需要通過多次不同處理方式進行對比，選取精度和可靠性較好的處理結果，增加了基線處理中的工作量和不確定性。

隨著國家級連續運行基準站、各省級連續運行基準站的大量建設并投入使用，已經在實際測量工作和相關試驗中證實了在中國大陸范圍內，使用連續運行基準站作為GNSS基線處理的基準時，其處理質量要優于選用IGS站的情況。其主要原因是IGS站構成的基線長度較長，且IGS站和觀測站可能不在同一塊體，坐標精度和基線精度都因此受到影響[5]。但在同省、同地市范圍內的基線處理中，連續運行基準站的選取方式暫無明確的方法指導。文中通過對已有GNSS靜態觀測數據進行對照試驗，分析基準站網型、基準站間隔距離對靜態數據處理結果的精度影響情況。

1 理論方法和試驗思路

GNSS基線處理的原理是用已知的基準站作為起算點，將起算點作為已知量。通過基線坐標的向量差獲得觀測點的坐標[6]。將基線在GNSS相對定位中的兩個端點設為A1和A2，在空間坐標系中的坐標分量記為X1和X2。A1作為起始點時，基線向量分量為ΔX12。當采用雙差方程進行基線解算時，如式(1)所示。

(1)

若觀測站的近似坐標向量為Xi0，其變化量為δXi，則：

(2)

(3)

且同步觀測衛星個數為n，則有：

(4)

δX12=δX2-δX1=QδX1.

(5)

GNSS數據解算觀測量為雙差觀測量，要求基準站和未知點有較多的共視衛星，以構成較多的雙差觀測量。因此位置點最好位于基準站構成的多邊圖形之中[8]。通過實際數據解算的變量控制，可以對基準站網網型、基準站間隔在成果精度上的影響情況加以分析。

2 數據處理和精度分析

本次試驗的數據選取自兩個測區。其一位于哈爾濱市東部、牡丹江市西部地區，共有J068、J080、J081計3座觀測站，測區的連續運行基準站分布較為均勻；其二位于大興安嶺地區呼瑪縣，共有BM03、BM04兩座觀測站，測區位于邊境附近，周邊連續運行基準站的分布有明顯的方向性。兩測區的所有試驗都保證觀測站位于基準站構成的多邊形范圍內。觀測可用的連續運行基準站原始數據均來自相同型號的南方接收機。觀測點位環境較為空曠，附近無明顯遮擋物。連續觀測時長均達到90 min以上，數據的采樣間隔為5 s。兩個測區的控制點分布情況如圖1、圖2所示。

圖1 控制點分布圖(1)

圖2 控制點分布圖(2)

在基線處理前，對所有原始觀測數據進行質量檢查，以檢測周圍物體反射而造成多路徑效應的干擾程度[9]，結果如表1所示。

表1 點位的站名、有效率和多路徑效應

質量檢查結果顯示，各點數據有效率均高于85%，多路徑效應MP1和MP2均小于0.5，滿足基線處理的要求。

下載觀測當天的IGS精密星歷。精密星歷可在“武漢大學IGS中心”網站進行下載。為了避免不同衛星系統的廣播星歷文件由于精度不同對基線處理結果產生影響，在本次試驗中一律采用統一的IGS精密星歷文件[10]。

準備連續運行基準站的數據和坐標數據，本次試驗選取HLJCORS在哈爾濱市的基準站4座、牡丹江市的基準站兩座、大興安嶺地區的基準站5座。基準站觀測數據和坐標由黑龍江省衛星導航定位服務中心提供。數據采樣間隔為30 s。在試驗完成后將其刪除銷毀。

用Trimble Business Center(TBC)軟件進行本次試驗的基線處理，并用COSAGPS進行平差計算。在基線處理前需把所有的外業觀測數據和精密星歷文件一并導入TBC軟件中，為了防止天線高量測方式不統一對基線處理結果帶來干擾，將天線高統一改為相位中心高，隨后進行首次基線處理；在首次處理結束后，使用TBC軟件自帶的時段編輯功能，通過編輯時段、刪除衛星等方式對之前解算中無法固定的基線進行處理，使其固定；始終無法固定的基線則予以刪除，保證整體的基線解算結果處于較為理想的精度和可靠性[11]。在完成以上編輯后，清除所有處理結果重新進行基線處理，直到基線處理結果符合要求。試驗的基準站選取見表2。

表2 各組試驗的基準站

在完成基線處理之后進行三維約束平差，對比各組試驗的精度情況，第一測區的對比結果見表3。通過對平差結果的檢查，3種處理方式的最弱點一致，均為J081。因此可以通過對比最弱點的精度情況來比較精度，最弱點精度情況見表4。

表3 各組的平差結果質量對比(測區1)

表4 最弱點精度對比(測區1) cm

從第一測區的試驗結果中可以看出，隨著選用的基準站數量增加，GNSS基線處理的質量可以得到一定程度的提升。但實際的生產任務中，可能會出現邊境地區的測量，或者部分地區連續運行基準站出現故障等情況，從而導致基準站的分布并不均勻。為了讓試驗更加全面，需要進一步驗證當測區周圍基準站分布均勻程度一般時，增加基準站是否會對GNSS基線處理帶來干擾，因此需要第二測區的試驗結果進行對照。數據處理的方法大致和第一測區相同，對比結果如表5所示。

表5 各組的平差結果質量對比(測區2)

通過對平差結果的檢查，3種處理方式的最弱點一致，均為BM04。因此可以通過對比最弱點的精度情況來比較精度，最弱點精度情況見表6。

表6 最弱點精度對比(測區2) cm

從第二測區的試驗結果中可以看出，當增加一座基準站時，GNSS基線處理的精度不及原方法；當減少基準站的數量時，精度和原方法較為接近。

經檢驗，各組試驗的重復基線差和異步環閉合差符合《全球定位系統(GPS)測量規范》要求，絕對指標具有一定可靠性[12]。

需要注意的是，隨著基準站數量的增加，參與數據處理的基線數也會成倍增長，可能會出現更多閉合差超限的同步觀測環，在處理基線的時候須注意加強精化處理[13]，將相關基線進行時段、衛星編輯或考慮剔除。在最新的3.02版本Rinex數據格式中還加入了北斗衛星的星歷[14]，因此增加基準站后，若基線向量內部可靠性明顯影響，建議在原方法選取的基準站基礎上，增加選用的衛星系統(例如GLONASS、北斗等)，兩種方法進行對照，以提高可用性、正確性以及可靠性[15]。

3 結束語

試驗結果表明，在利用連續運行基準站作為起算點進行GNSS基線處理時，當周圍的基準站分布較為均勻，且構成的多邊形能完全包圍觀測站時，通過增加連續運行基準站數量的方法，能夠顯著提高解算、平差后所得的坐標精度。從邊精度、點精度、基線向量殘差等方面，選用較多基準站來進行基線處理時，都具備一定的優勢。但當測區周圍的基準站分布有明顯的傾向性，或觀測站靠近基準站所構成的多邊形邊緣時，由于會增加一些較長的基線、基準站和觀測點成網的點位間隔不均勻等原因，可能會對基線向量內部可靠性造成影響，從而使基線處理結果不夠理想。因此在通過連續運行基準站數據處理靜態GNSS觀測數據時，要盡可能保證基準站和觀測點成網的相對均勻，避免對數據處理造成干擾。