GPS精密水準網數據處理優化策略

林振通

(深圳市水務規劃設計院股份有限公司,廣東 深圳 518109)

0 引 言

以GPS(全球定位系統)為核心的衛星導航定位技術應用在中國已經有近20a的發展歷程,正向更高層次、更廣闊領域發展[1]。目前,GPS在監測地殼形變方面具有重要作用,這些形變是由自然力量和人類活動的影響所引起的[2]。有研究人員開展了利用GPS確定地表變形參數的研究,孫英翔等基于GPS靜態測量與水準測量相結合的方法獲得了一定周期內的礦山地表沉降位移數據[3]。段成寶等對某煤炭基地采空區地表變形進行GPS數據分析,實現對地表變形量進行有效預測[4]。一些研究結果表明,可以用精確的GPS(全球定位系統)/GNSS(全球導航衛星系統)測量取代經典的水準測量。然而,這需要最先進的設備和數據處理軟件和算法,且需要消除或大幅減少系統誤差。因此,必須應用先進的信號傳播模型來減少電離層和對流層延遲,還需要消除硬件偏差[5-6]。

文章對衛星精密水準中GPS數據的優化處理策略進行了研究,所有數值試驗均采用BERNESE 5.0軟件進行處理。研究的重點是優化參數選擇,包括觀測時長、控制網幾何形狀、電離層延遲等。

1 測試數據

為了進行分析,選擇了一個20km×60km的礦區作為試驗區,假設網絡節點之間的距離在510 km范圍內。

在2條經典水準線上同時進行了經典幾何水準和衛星水準測量,其中包括19個監測點(記作PP和LL)和5個控制點(第一類基準,記作RR)。2個監測點(LL01和LL02)用于連接2條水平線。使用了GBAS地基增強系統的幾個參考站的全球定位系統數據,控制點的正常高度范圍為88.596～178.560m,監測點的正常高度范圍為90.725～175.918m。中間基準允許在GPS天線強制定心的情況下實現衛星測量。

在第1條水準線上,進行了2次8 h的同步觀測,每個點總共要測量16 h。在第2條水準線上,進行了1次8 h的同步觀測。控制點(RR)觀測5個階段,每次8 h。衛星測量在以下假設條件下進行:GPS接收機:16套,控制點觀測時間:8 h;監測點的觀測時間:8 h;控制點觀測次數:5次;監測點觀測次數:1次或2次;GPS頻率:L1和L2;GPS測量值:偽距和載波相位;觀測間隔:5 s;截止高度角:0°;點位幾何圖形強度因子PDOP最大值:6;用專用裝置將衛星天線強制定心在水準基準上。

2 數值試驗和處理策略

本研究使用BERNESE 5.0軟件處理數據。由于垂直地面變形監測中最重要的參數是監測點的高度坐標,因此了解天線參考點的平均相位中心偏移(PCO)和相位中心變化(PCV)至關重要。此外,天線相位中心的主要誤差源是垂直偏移。用于大地測量的GPS天線在形狀、結構和制造它們的材料方面有很大的不同。因此,需要應用精確的天線PCO和PCV校準。在本研究中,使用了IGS(國際GNSS服務)導出的絕對天線PCV校準,還應用了GPS衛星天線的IGS PCV模型、IGS最終衛星軌道和時鐘、地球自轉參數以及行星星歷表。

2.1 控制點

在ITRF2008參考系中確定運動周期平均tc=2012.55時的5個控制點坐標。選擇了4個EPN參考站——WROC、CLIB、BOR1和GWWL,將測試網絡連接到ITRF2008。此外,國家全球定位系統網絡的3個常設站(GLOG、LEGN和ZARY)也包括在內,使用ASG-EUPOS站作為額外的高質量控制點。

在5個8 h長的時段中對對照點(RR和ASG-EUPOS)進行了觀測,使用以下假定條件進行計算:電離層模型:無電離層線性組合(L3);模糊度分辨率:SIGMA L5和L3;對流層:濕延遲NFM映射模型;高度截止角:10°。

表1給出了獲得的控制點高度坐標的平均重復性。根據所有觀測獲得的高度的最終調整,將每個點的重復性計算為均方根(RMS)。可以注意到,ASG-EUPOS站獲得了更好的重復性,該站的平均高度分量重復性分別為2.9 mm和4.6 mm,RR點的平均高度分量重復性為4.6 mm,所有控制點的平均重復性為4.0mm。

表1 控制點的平均高度重復性(基于5次8h的處理)

2.2 監測點

為了分析處理在監測點收集的GPS數據得到的高度分量的可實現精度,測試了幾種處理策略和假設。參數如下:控制網幾何形狀:“星形”或多邊形;觀測時長:8 h、4 h、2 h;電離層模型:CODE全局模型或無電離層模型;頻率:帶有電離層模型(L1)或無電離層線性組合(L3);對流層:干延遲NFM映射模型;衛星截止高度角:5°、10°、15°。

綜上,超過80種策略被測試。然而,文章只介紹了18個選定測試的結果,以下所有的研究策略均參照:觀測時長:4h;電離層模型:CODE全球電離層模型(L1);對流層建模:濕延遲NFM映射模型;衛星截止高度角:5°。

2.2.1 控制網幾何形狀

由于測試網絡的跨度很大,而且它有兩個目的,一是測量突發大地構造事件區域內選定的幾個監測點;二是定期監測整個網絡以進行變形分析。因此我們提出了兩種幾何形狀的控制網:(1)“幾何1”:將每個監測點分別連接到3個控制點,監測點之間沒有任何基線,這是調查突發事件影響的情況。(2)“幾何2”:反映了有規律的水平線與連接相鄰監測點的基線,這是對整個網進行定期監測的情況。

一方面,“幾何1”中的每一個監測點都可以單獨測量,并與參考點直接相連。這樣,一個點的測量誤差就不會傳播到另一個點。另一方面,“幾何2”中處理的基線較短,這可以更好地減少相關誤差。所有的數值測試都是針對這兩種情況進行的,得到的結果不同,這是由于2種情況下的基線長度存在很大差異。

表2展示了獲得的監測點的高度分量的可重復性,這些高度分量是基于2個或4個4h的觀測結果得出的。可以注意到,“幾何1”的平均可重復性是3.2 mm,而“幾何2”的平均可重復性略微增加到3.3 mm。

表2 橢球高度分量的可重復性與參考策略和兩個網絡幾何形狀 mm

結果表明,當使用“參考”策略處理兩種情況時,會得到相似的結果,并且也證實了“幾何1”不會降低精度,可以用于整個控制網的定期監測情況。其主要優點之一是影響一個監測點的測量誤差不會傳播到相鄰點。

2.2.2 觀測時長

觀測時間的長短會影響測量的成本,因為在1天中可以進行1次8 h的測量,2次4 h的測量或4次2 h的測量。假設縮短觀測時間可以使我們同時測量更多的監測點,顯然降低成本的同時,也會導致結果準確性的降低。

文章在2 h、4 h和8 h使用“參考”策略,其他參數保持不變。值得注意的是,PP01-PP08點是在8 h的觀測結果中調查的,因此,在處理8 h觀測時長的情況下,不可能保證它們的重復性。不同觀測時長處理得到的監測點橢球高的重復性如表3所示。

表3 不同時段得到的橢球高度分量的重復性 mm

表3給出的結果證實了一個假設,即較短的觀測時間導致較不準確的結果。“幾何1”中從8 h獲得的高度分量的平均重復性達到2.8 mm,而2 h的平均重復性超過4.5 mm。結果顯示,在8 h和4 h中,“幾何1”比“幾何2”更有優勢。然而,2 h時“幾何2”提供了更好的結果。這是由于在“幾何1”處理更長的基線需要更長的觀測時間。結果表明,使用GPS調平,可以得到優于3 mm的精確橢球高度,建議將觀測時間設為4 h是測量成本和結果準確性之間的最佳選擇。

2.2.3 電離層模型

電離層延遲對GNSS觀測有明顯的影響,由于精確定位主要是在相對模式下進行的,因此大大降低了10～20 km以上基線上電離層延遲的影響。“幾何2”的情況下,其最長基線為10 km。然而,在“幾何1”下處理的基線長度通常超過40 km(最大46 km)。

有電離或無電離層模型獲得的橢球高度分量的重復性結果見表4,發現“幾何1”中電離層模型的應用提高了結果的準確性。高度分量的重復性從3.6 mm提高到3.2 mm,這可以用處理較長的基線(46 km)來解釋。與在“幾何2”的較短基線(10 km)相比,這些基線受電離層延遲剩殘差的影響較大。因此,在后者中并無改善。

表4 有電離或無電離層模型獲得的橢球高度分量的重復性 mm

根據表4給出的結果,建議應用電離層模型,特別是在“幾何1”的情況下。注意到應用CODE電離層模型時,如果出現區域性電離層擾動,該模型可能不夠。因此,建議盡可能使用區域或本地的模型。

3 結 論

本研究分析了基線在50 km以下的精密衛星水準網的處理問題。根據上述數值試驗,提出了以下結論和建議:①處理后的控制網的幾何形狀對結果影響不大;②無論網絡幾何形狀如何,可采用通用的數據處理策略;③4h的觀測時間允許高度分量的重復性約為3mm;④建議使用具有電離層模型的單頻數據來降低電離層延遲殘差。

所得結果的精度證實,衛星測量可以有效地取代經典的幾何精密水準測量,特別是在不需要正交測量或標準高度系統的高度應用中(地面變形研究)。