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Bernese 5.0軟件下的精密單點定位精度分析

2016-04-11 01:28魯洋為王振杰
測繪通報 2016年2期
關(guān)鍵詞:鐘差單點先驗

魯洋為,王振杰

(中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東 青島 266580)

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Bernese 5.0軟件下的精密單點定位精度分析

魯洋為,王振杰

(中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東 青島 266580)

Accuracy Analysis of PPP Based on GPS Software Bernese 5.0

LU Yangwei,WANG Zhenjie

摘要:Bernese軟件是當(dāng)前國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件之一。本文簡單介紹了Bernese5.0軟件精密單點定位的數(shù)據(jù)處理策略,采用bjfs、harb兩個IGS站1570周的數(shù)據(jù),分析了靜態(tài)精密單點定位時不同星歷產(chǎn)品、鐘差采樣間隔對定位精度的影響;選取bjfs、harb站1570周第一天的數(shù)據(jù),分析了動態(tài)精密單點定位中衛(wèi)星截止高度角、先驗對流層模型、鐘差采樣間隔對定位精度的影響。最后,結(jié)合2011年日本“3·11”地震時mizu站的數(shù)據(jù),提取GPS地表同震形變,驗證了Bernese 5.0精密單點定位的可靠性。

關(guān)鍵詞:Bernese 5.0;GPS;精密單點定位

精密單點定位是當(dāng)前GNSS領(lǐng)域研究的熱點[1-2],利用該技術(shù),用戶只需采用單臺接收機在目標(biāo)點位上觀測一段時間就可以獲得高精度的點位信息,具有成本低、工作量小的特點。目前,國內(nèi)外廣泛使用的高精度GNSS數(shù)據(jù)處理軟件主要有MIT和SCRIPPS研究所共同研發(fā)的GAMIT軟件、瑞士伯爾尼大學(xué)天文研究所開發(fā)的Bernese軟件及JPL的GIPSY軟件[3]。其中GAMIT為開源軟件并采用雙差方法處理GPS數(shù)據(jù),而GIPSY只提供可執(zhí)行文件,采用非差方式處理GPS觀測值,但在模糊度解算時采用差分模式[4]。Bernese作為有償使用軟件,很好地兼顧了兩種數(shù)據(jù)處理策略,既能夠進行差分?jǐn)?shù)據(jù)解算,也有高精度的非差數(shù)據(jù)處理模塊,并且具有用戶界面友好、模塊條理清晰、功能強大等特點,被國內(nèi)外廣泛應(yīng)用[5-7]。本文結(jié)合bjfs、harb兩個IGS站的數(shù)據(jù),利用Bernese 5.0的精密單點定位(precise point positioning,PPP)模塊,在靜態(tài)精密單點定位時,分析了igf(final orbit)、igu(ultra rapid orbit)、code(CODE orbit)星歷及鐘差采樣間隔對定位精度的影響;在動態(tài)解算時,分析了衛(wèi)星截止高度角、先驗對流層模型及鐘差間隔對定位精度的影響,并利用2011年日本“3·11”地震時mizu站的數(shù)據(jù),提取GPS地表同震形變,驗證了Bernese 5.0精密單點定位的可靠性。

一、Bernese 5.0精密單點定位數(shù)據(jù)處理方法

在GNSS數(shù)據(jù)處理中,數(shù)據(jù)預(yù)處理的好壞直接決定著定位精度,而周跳探測與修復(fù)是數(shù)據(jù)預(yù)處理的關(guān)鍵,Bernese軟件中,利用改進的TurboEdit方法進行周跳探測與修復(fù)[8]。在周跳探測時,采用MW和LG組合,以衛(wèi)星弧段為單位,首先計算一弧段MW組合寬巷模糊度NMW的時間序列及其中誤差σ,若σ超過閾值,則認為此弧段有周跳,需要進行周跳探測。然后將該弧段觀測值等歷元分為兩段,若式(1)成立時,則認為i歷元可能發(fā)生周跳。

(1)

參數(shù)估計是精密定位中最重要的環(huán)節(jié),其估計方法直接影響解算的精度和效率,待估計的未知參數(shù)主要有接收機位置、接收機鐘差、對流層延遲及無電離層組合模糊度等參數(shù)。Bernese 5.0在參數(shù)估計時,引入?yún)?shù)消除法對多余參數(shù)進行等價消除,以減少法方程的維數(shù),提高計算速度和效率,對于被消除的參數(shù),其信息仍然保留在法方程中,可以通過參數(shù)恢復(fù)法進行求解[9-10]。在應(yīng)用Bernese 5.0軟件時,一般用其精密單點定位模塊解算得到的測站三維坐標(biāo)作為差分處理的先驗近似坐標(biāo),這是因為在該模塊中,忽略了測站和鐘差的相關(guān)性,使得模糊度固定的時間不穩(wěn)定,甚至難以固定。盡管如此,用Bernese 5.0軟件的精密單點定位模塊解算精度仍然較高,并為許多研究機構(gòu)所用。

二、算例及精度分析

試驗采用bjfs、harb兩個IGS站的數(shù)據(jù),首先用Bernese 5.0的精密單點定位模塊對1570周兩測站數(shù)據(jù)進行靜態(tài)精密單點定位解算,并分析了其定位精度,然后采用1570周第1天兩測站數(shù)據(jù)進行動態(tài)精密單點定位解算并進行了精度分析,最后結(jié)合2011年日本“3·11”地震時mizu站的數(shù)據(jù)進行了實例分析。在動態(tài)精密單點定位解算時將數(shù)據(jù)重采樣為60 s采樣間隔的數(shù)據(jù)(mizu站數(shù)據(jù)除外),在精度分析時,以1570周單天解的均值作為真值(鐘差產(chǎn)品為IGS的30 s采樣間隔的最終精密鐘差)。

1. 靜態(tài)精密單點定位及精度分析

分別采用igf、igr及code星歷產(chǎn)品得到1570周的單天解,并與真值比較,結(jié)果如圖1所示。分別采用5 min采樣間隔的鐘差產(chǎn)品和30 s采樣間隔的鐘差產(chǎn)品進行解算,得到的結(jié)果如圖2所示。

圖1 不同星歷產(chǎn)品對靜態(tài)精密單點定位的影響

由圖1可以看出,在總體趨勢上,三者的定位精度相差不大,bjfs站在x、y、z 3個方向的差值均在1cm以內(nèi),對于harb站,差值最大的也在2cm之內(nèi),即無論是快速星歷產(chǎn)品,還是code的星歷產(chǎn)品和igs星歷產(chǎn)品,都能得到比較穩(wěn)定的定位結(jié)果。并且,由表1可以看出,3種星歷產(chǎn)品得到定位結(jié)果的RMS值最大為8.92mm,最小1.83mm,這說明Bernese5.0精密單點定位模塊的精度較高,并且可以達到毫米級。在3種結(jié)果中,igf和code星歷產(chǎn)品的結(jié)果略顯平穩(wěn),但igf結(jié)果的RMS均小于code解算結(jié)果;igr結(jié)果變化較大,其RMS均大于igf的結(jié)果,并且對于bjfs、harb兩站,只有一個方向RMS大于code解算結(jié)果,即igr的結(jié)果比igf和code略差,而igf略優(yōu)于code的結(jié)果。由圖2可以看出,30s采樣間隔與5min采樣間隔的鐘差產(chǎn)品的定位精度相當(dāng),沒有較大的差異。從表1的統(tǒng)計結(jié)果同樣也可以看出,采用30s采樣間隔的鐘差產(chǎn)品解算的結(jié)果與5min采樣間隔的鐘差產(chǎn)品的結(jié)果精度相當(dāng)。

圖2 鐘差采樣間隔對靜態(tài)精密單點定位的影響

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2. 動態(tài)精密單點定位及精度分析

(1) 衛(wèi)星截止高度角對定位精度的影響分析

衛(wèi)星截止高度角影響著可視衛(wèi)星的幾何結(jié)構(gòu),當(dāng)衛(wèi)星截止高度角較低時,可視衛(wèi)星較多,但多路徑效應(yīng)和周跳會明顯增加,因此在試驗中,將衛(wèi)星截止高度角分別設(shè)為10°、20°、30°進行動態(tài)解算,得到的結(jié)果如圖3所示。由圖3可以明顯地看出,在截止高度角為10°時,bjfs、harb兩測站的定位結(jié)果都很穩(wěn)定,沒有出現(xiàn)較大的跳動;當(dāng)高度角變?yōu)?0°時,就開始出現(xiàn)了跳動,如在bjfs的x、y、z方向上均出現(xiàn)了一些較小的跳動,在harb站出現(xiàn)的跳動更大,x、z方向偏差均達到2 m左右的情況;當(dāng)高度角變?yōu)?0°時,跳動的幅度更大,bjfs站在x、y方向的跳動達到10 m,z方向的跳動也達到3 m左右,harb略好于bjfs,x方向跳動約為5 m,y、z方向的跳動在2 m左右。在衛(wèi)星截止高度角變大時,定位結(jié)果出現(xiàn)較大的跳動,這是由于高度角影響著可見衛(wèi)星的幾何結(jié)構(gòu)的原因。高度角越高,盡管多路徑效應(yīng)和周跳的影響變小,但可見衛(wèi)星變少,使得觀測結(jié)構(gòu)變差,從而使定位結(jié)果變差。

圖3 截止高度角對動態(tài)精密單點定位的影響

(2) 先驗對流層模型對定位精度的影響分析

Bernese軟件在精密單點定位解算時,一般采用“先驗值+估計”的方法,下面討論先驗對流層模型對定位精度的影響。解算時,將截止高度角設(shè)為10°,先驗對流層模型分別為Hopfield模型、Saastamoinen模型、Niell模型及Non(先驗值為零)時,進行動態(tài)解算,得到結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出,當(dāng)先驗對流層模型為Non,即不采用任何先驗?zāi)P蜁r,解算結(jié)果偏離真值最大,以bjfs站為例,x方向偏差達到3 cm左右,y方向偏差也達到了18 cm左右,z方向偏差約為15 cm,而附加了先驗對流層模型的解算結(jié)果要明顯優(yōu)于不用任何模型時的解算結(jié)果;當(dāng)附加先驗對流層模型時,可以看出,先驗?zāi)P蜑镾aastamoinen、Niell模型時的解算結(jié)果精度相當(dāng),并且要優(yōu)于先驗對流層模型為Hopfield模型時的精度,由harb站的解算結(jié)果也可以得出相同的結(jié)論。

(3) 鐘差采樣間隔對定位精度的影響分析

采用IGS最終精密星歷與精密鐘差,鐘差采樣間隔分別為30 s和5 min,采用動態(tài)解算,結(jié)果如圖5所示。

在bjfs站的結(jié)果中,可以明顯地看出,采用5 min采樣間隔的鐘差產(chǎn)品時,在1100歷元處存在較大的跳動,而鐘差間隔為30 s時的結(jié)果要比5 min時穩(wěn)定,但也出現(xiàn)了多處10 cm左右的跳動;對于harb站,圖上二者的差別并不明顯。對解算結(jié)果進行統(tǒng)計,結(jié)果見表2??梢钥闯觯琤jfs站30 s結(jié)果的RMS在x、y方向均大于5 min鐘差解算的結(jié)果,而在z方向略優(yōu)于5 min鐘差解算的結(jié)果,這是因為在30 s鐘差解算的結(jié)果中出現(xiàn)了多處10 cm左右的跳動,而采用5 min鐘差的結(jié)果由于鐘差是通過內(nèi)插得到的,故結(jié)果比較平滑;對于harb站,只有z方向30 s鐘差解算結(jié)果的RMS稍大,x、y方向均小于5 min鐘差解算的結(jié)果??傮w上看,30 s采樣間隔鐘差解算的,結(jié)果會出現(xiàn)小的波動,可以反映出微小的變化,而5 min采樣間隔的結(jié)果則會出現(xiàn)較大的跳動。

圖4 先驗對流層模型對單歷元精密單點定位的影響

圖5 鐘差采樣間隔對動態(tài)精密單點定位的影響

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(4) GPS同震地表形變的提取

以2011年日本“3·11”地震期間mizu數(shù)據(jù)為例,采用精密單點定位提取地表同震形變,分析Bernese 5.0精密單點定位的精度。截取地震期間mizu站5:45—5:55 10 min的觀測數(shù)據(jù),采用動態(tài)模式解算,得到N、E、U方向位移如圖6所示。可以看出,地震波到達時,測站開始向東南方向發(fā)生劇烈的抖動,測站最大位移向東達到3 m、向南達到2 m,隨著地震波的衰減,測站位置發(fā)生回彈,最終造成mizu站向東約2.1 m、向南1.1 m的永久性位移,這與其他研究機構(gòu)發(fā)布的研究結(jié)果一致[11-12]。

圖6 “3·11”地震mizu站位移

三、結(jié)束語

Bernese軟件在靜態(tài)精密單點定位解算時,可以達到毫米級的精度,對于長時間的觀測數(shù)據(jù),鐘差的采樣間隔及不同機構(gòu)發(fā)布的星歷、鐘差產(chǎn)品對定位結(jié)果影響不大。在動態(tài)解算時,采用合理的設(shè)置可以達到厘米級的精度。Bernese具有解算速度快、速精度高的優(yōu)點,在國內(nèi)外許多項目中得到了廣泛的應(yīng)用。利用其精密單點定位模塊,采用單站GPS觀測數(shù)據(jù)可以得到測站高精度坐標(biāo)及其時間序列,可以用來提取高精度地表同震形變,對目前的地殼形變監(jiān)測及工程應(yīng)用具有重要的實際意義。

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中圖分類號:P228.4

文獻標(biāo)識碼:B

文章編號:0494-0911(2016)02-0022-04

作者簡介:魯洋為(1990—),男,研究方向為GNSS測量數(shù)據(jù)處理。E-mail:luwei09013201@163.com

基金項目:國家自然科學(xué)基金面上項目(41374008);中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(11CX04012A)

收稿日期:2014-12-29

引文格式: 魯洋為,王振杰. Bernese 5.0軟件下的精密單點定位精度分析[J].測繪通報,2016(2):22-25.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0041.

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