張 懷,聶兆生*,劉 剛,熊 維,劉格格,黃健德,王東振,倪乙鵬
(1. 中國地震局地震研究所,湖北 武漢 430071; 2. 武漢大學(xué) 測繪學(xué)院, 湖北 武漢 430079)
GNSS精密單點(diǎn)定位(Precise Point Position,PPP)技術(shù)采用單臺全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)接收機(jī),利用國際GNSS服務(wù)組織(International GNSS Service,IGS)提供的精密星歷和衛(wèi)星鐘差可實(shí)現(xiàn)毫米級到分米級定位精度,具有無需設(shè)置地面基準(zhǔn)站、機(jī)動靈活、可單機(jī)作業(yè)、定位不受距離限制等特點(diǎn),在高精度定位導(dǎo)航、地震大地測量學(xué)和地球板塊運(yùn)動與動力學(xué)研究等方面具有突出優(yōu)勢。全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)用于導(dǎo)航定位的技術(shù)已非常成熟,但是觀測條件較差時其定位精度和衛(wèi)星可用性均有所下降,無法滿足需求。2020年,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)全面組網(wǎng)完成,該系統(tǒng)是中國自主建設(shè)運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。目前,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在軌衛(wèi)星45顆,包括北斗二號衛(wèi)星15顆,北斗三號衛(wèi)星30顆,可為全球用戶提供高精度定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)。國內(nèi)外學(xué)者利用多系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)(Multi-GNSS Experiment,MGEX)跟蹤站數(shù)據(jù),分析了BDS、GPS等系統(tǒng)精密單點(diǎn)定位性能,得出BDS/GPS雙系統(tǒng)可提高可視衛(wèi)星數(shù),從而改善衛(wèi)星的空間幾何分布、提高定位精度、增強(qiáng)結(jié)果穩(wěn)定性的結(jié)論。
中國地震地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),西南地區(qū)更是地震地質(zhì)災(zāi)害的重災(zāi)區(qū),近幾年破壞性較大的地震地質(zhì)災(zāi)害中超過2/3發(fā)生在該地區(qū)。四川石棉地區(qū)位于川滇菱形塊體東部邊界中段,是鮮水河斷裂、安寧河斷裂、小金河斷裂、大涼山斷裂等多條斷裂匯聚的“三岔口”,貢嘎山在此隆起至7 500 m,大渡河流經(jīng)該處最低不足1 000 m,地形起伏劇烈,高差巨大。中國地震局地震研究所在石棉地區(qū)布設(shè)了GNSS地殼形變監(jiān)測網(wǎng),用于研究鮮水河斷裂的震間構(gòu)造變形。受限于交通和地形,觀測網(wǎng)主要布設(shè)在近EW向峽谷中,SN向遮擋比較嚴(yán)重,大部分流動測站的BDS可視衛(wèi)星數(shù)遠(yuǎn)多于GPS。
此前研究大多基于MGEX跟蹤站數(shù)據(jù),模擬較差的觀測條件,且GPS可視衛(wèi)星數(shù)與BDS相當(dāng),與四川石棉地區(qū)實(shí)際觀測情況相差較大,針對實(shí)際觀測環(huán)境下的單系統(tǒng)與多系統(tǒng)精密單點(diǎn)定位精度及可靠性有待進(jìn)一步研究?;诖?,本文基于四川石棉地區(qū)GNSS地殼形變監(jiān)測網(wǎng)實(shí)測數(shù)據(jù),利用GREAT程序進(jìn)行精密單點(diǎn)定位的靜態(tài)、動態(tài)解算,評估BDS、GPS單系統(tǒng)和BDS/GPS雙系統(tǒng)在實(shí)際惡劣觀測環(huán)境下的定位精度、收斂速度、穩(wěn)定性、歷元利用率和幾何精度衰減因子(GDOP)等。
GPS與BDS的時間系統(tǒng)和坐標(biāo)系統(tǒng)存在一定的差異。其中,GPS時間是GPS進(jìn)行定位導(dǎo)航的時間基準(zhǔn),秒長與原子時相同,不閏秒,起始?xì)v元是協(xié)調(diào)世界時(UTC)1980年1月6日0時,GPS時間與UTC的時刻相一致,之后隨著時間的積累,GPS時間與UTC的差異為秒的整倍數(shù)。UTC最近一次閏秒是在2016年12月31日23點(diǎn)59分59秒,閏秒后GPS時間與UTC之間累積的差異已達(dá)到18 s。其表達(dá)式為
=+18 s
(1)
式中:為GPS時間;為協(xié)調(diào)世界時。
BDS的時間基準(zhǔn)為北斗時。北斗時采用國際單位制(SI)秒為基本單位連續(xù)累計,不閏秒。起始?xì)v元為UTC 2006年1月1日00時00分00秒。北斗時通過UTC(NTSC)與國際UTC建立聯(lián)系,北斗時與國際UTC的偏差保持在50 ns以內(nèi)。因此,北斗時與GPS時間的秒級偏差約為18 s。其表達(dá)式為
=-18 s
(2)
式中:為北斗時。
GPS坐標(biāo)系統(tǒng)采用WGS-84,BDS采用中國2000大地坐標(biāo)系(CGCS2000)。兩坐標(biāo)系統(tǒng)所定義的原點(diǎn)、尺度、定向及定向演變的尺度均相同,均對準(zhǔn)于國際地球參考框架(ITRF2014)。WGS-84優(yōu)化后的精度可以達(dá)到2 cm,與ITRF2014精度相差無幾,而CGCS2000與ITRF2014的一致性約為5 cm,因此,WGS-84和CGCS2000的差異在厘米級。對于導(dǎo)航定位來說,WGS-84和CGCS2000坐標(biāo)系統(tǒng)被認(rèn)為是相容一致的,無需進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
(3)
(4)
為了削弱電離層對定位精度的影響,本文使用雙頻無電離層線性組合觀測值來消除電離層延遲一階項(xiàng)影響??紤]到BDS、GPS兩系統(tǒng)之間的時間偏差和頻間偏差,可得到BDS/GPS雙系統(tǒng)無電離層相位和偽距組合模型。其表達(dá)式為
(5)
(6)
(7)
(8)
為了充分闡述BDS在BDS/GPS雙系統(tǒng)精密單點(diǎn)定位中的作用,本文將BDS、GPS兩系統(tǒng)觀測值的權(quán)重設(shè)為等權(quán)。對于不同衛(wèi)星觀測值定權(quán),本文采用較為常用的高度角定權(quán)模型,將觀測值精度()表達(dá)為以高度角為變量的函數(shù)。具體隨機(jī)模型為
(9)
(10)
式中:為觀測值的先驗(yàn)精度;與高度角相關(guān),即高度角小于30°時觀測值權(quán)重降低,大于等于30°時則等權(quán)。
針對四川石棉地區(qū)觀測環(huán)境較為復(fù)雜的實(shí)際情況,探究在復(fù)雜實(shí)際觀測環(huán)境中不同定位模式的定位精度,本文選取石棉地區(qū)GNSS監(jiān)測網(wǎng)中10個流動測站為實(shí)驗(yàn)對象(圖1),選取2021年DOY 107、DOY 108兩天的流動測站觀測數(shù)據(jù)為處理資料,采樣間隔為30 s。所有流動測站均配備了Trimble NetR9 GNSS接收機(jī),可以同時接收BDS B1/B2和GPS L1/L2雙頻數(shù)據(jù)。
圖1 四川石棉地區(qū)流動測站位置分布Fig.1 Location Distribution of Station in Shimian Area of Sichuan
利用GREAT程序?qū)γ總€流動測站進(jìn)行BDS、GPS單系統(tǒng)以及BDS/GPS雙系統(tǒng)精密單點(diǎn)定位的靜態(tài)解算和動態(tài)解算。將DOY 107、DOY 108兩天的單日解平均值作為參考值,對比分析每個流動測站0.5、1、2、4、8、12、18、24 h等8個時段的精密單點(diǎn)定位結(jié)果。另外,模擬更加惡劣觀測環(huán)境將高度截止角分別設(shè)為10°、20°、30°和40°,分析不同高度角下3種定位模式的定位性能。
本文基于GNSS地震監(jiān)測網(wǎng)流動測站觀測數(shù)據(jù),分別進(jìn)行了精密單點(diǎn)定位的靜態(tài)解算和動態(tài)解算。GNSS地殼形變監(jiān)測一般分為地殼長周期形變監(jiān)測、地震發(fā)生前后的地表同震位移觀測、地震發(fā)生時地殼三維坐標(biāo)隨時間的變化監(jiān)測以及地震預(yù)警中的連續(xù)測站位置實(shí)時監(jiān)測。在地殼長周期形變監(jiān)測和地震發(fā)生前后的地表同震位移觀測中,由于地殼處于相對穩(wěn)定狀態(tài),所需監(jiān)測精度較高,一般需要達(dá)到毫米級;而在地震發(fā)生時,地殼隨時間發(fā)生較劇烈的位移變化,需要對地表位移變化進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測,監(jiān)測精度一般需達(dá)到厘米級。
靜態(tài)解算一般用于周期性監(jiān)測地表位置的長周期運(yùn)動變化以及當(dāng)發(fā)生地震后利用靜態(tài)解算獲取因地震導(dǎo)致的地表位移。動態(tài)解算一般用于分析地震發(fā)生時地表位移隨時間的變化以及地震預(yù)警中地表位置實(shí)時監(jiān)測,以便從中提取地震波到時、水平峰值位移等信息。
對10個流動測站進(jìn)行精密單點(diǎn)定位的靜態(tài)解算,所有流動測站定位精度、可視衛(wèi)星數(shù)以及幾何精度衰減因子如圖2、3所示。從圖2可以看出:BDS單系統(tǒng)在水平方向上大部分流動測站精度優(yōu)于1.5 cm,垂直方向優(yōu)于7 cm;GPS單系統(tǒng)在水平方向精度優(yōu)于1 cm,垂直方向優(yōu)于5 cm;BDS/GPS雙系統(tǒng)精度最高,水平方向優(yōu)于0.5 cm,垂直方向大部分流動測站優(yōu)于1 cm。由圖3可以看出,單系統(tǒng)可視衛(wèi)星數(shù)較少,幾何精度衰減因子偏大,表明流動測站實(shí)際觀測環(huán)境較差。BDS/GPS雙系統(tǒng)可有效解決單系統(tǒng)可視衛(wèi)星數(shù)較少的問題,保證有充足的衛(wèi)星參與解算,并可改善衛(wèi)星空間幾何結(jié)構(gòu),提高定位精度。BDS單系統(tǒng)精度相比GPS單系統(tǒng)要差的主要原因有兩方面:其一,目前BDS跟蹤站數(shù)量分布不均、數(shù)量較少,導(dǎo)致由此計算得到的BDS衛(wèi)星精密星歷和精密鐘差精度比GPS低;其二,目前BDS衛(wèi)星沒有提供精確的天線相位中心偏移(PCO)和天線相位中心變化(PCV)改正信息,在解算過程中帶入了噪聲,導(dǎo)致BDS定位精度比GPS稍差。
圖2 3種定位模式下所有流動測站靜態(tài)精密單點(diǎn)定位精度Fig.2 Static PPP Positioning Accuracies of All Stations Under Three Positioning Modes
圖3 3種定位模式下所有流動測站平均可視衛(wèi)星數(shù)和幾何精度衰減因子Fig.3 Average Number of Visible Satellite and GDOP of All Stations Under Three Positioning Modes
為進(jìn)一步分析3種定位模式的定位收斂速度,本文統(tǒng)計了所有流動測站不同時段長度(0.5、1、2、4、8、12、18、24 h)下BDS、GPS單系統(tǒng)和BDS/GPS雙系統(tǒng)的平均定位精度(圖4)。由圖4可知,GPS單系統(tǒng)的收斂速度要比BDS單系統(tǒng)快,GPS單系統(tǒng)經(jīng)過約1 h的水平方向定位精度可收斂至10 cm以內(nèi),而BDS單系統(tǒng)達(dá)到相同精度需要2 h左右;GPS單系統(tǒng)經(jīng)過2 h的水平方向定位精度可收斂至5 cm以內(nèi),而BDS單系統(tǒng)達(dá)到相同精度需要約4 h。BDS/GPS雙系統(tǒng)收斂速度最快,經(jīng)過約20 min收斂,E、N、U等3個方向精度即可收斂至10 cm以內(nèi),經(jīng)過約60 min精度即可達(dá)到5 cm以內(nèi)。BDS/GPS雙系統(tǒng)可有效縮短收斂時間,相對于BDS和GPS單系統(tǒng),BDS/GPS雙系統(tǒng)收斂到10 cm以內(nèi)的時間分別減少了83%、80%,收斂到5 cm以內(nèi)的時間分別減少了75%、50%。
圖4 2021年DOY 108所有流動測站不同時段靜態(tài)精密單點(diǎn)定位平均精度Fig.4 Static PPP Average Positioning Accuracies of All Stations in Different Time on DOY 108, 2021
為評估3種定位模式在更加惡劣環(huán)境中的定位性能,以期滿足各種工作環(huán)境需求,本文進(jìn)一步將高度截止角分別設(shè)為10°、20°、30°、40°進(jìn)行精密單點(diǎn)定位的靜態(tài)解算。以sm02測站為例,圖5給出了該流動測站DOY 108的BDS、GPS單系統(tǒng)以及BDS/GPS雙系統(tǒng)的衛(wèi)星星空圖。BDS、GPS單系統(tǒng)以及BDS/GPS雙系統(tǒng)24 h分時段平均定位精度如圖6所示。每個流動測站詳細(xì)解算數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果見表1。從圖5可知:衛(wèi)星星空圖在近EW向可視衛(wèi)星數(shù)較多,與圖1所示觀測環(huán)境相一致;與BDS、GPS單系統(tǒng)相比,BDS/GPS雙系統(tǒng)可顯著改善衛(wèi)星空間幾何結(jié)構(gòu)。
圖5 sm02測站3種定位模式下的衛(wèi)星星空圖Fig.5 Skyplots for Station sm02 Under Three Positioning Modes
結(jié)合圖5、6及表1可知:隨著高度角不斷增高,GPS歷元數(shù)和可視衛(wèi)星數(shù)減少,幾何精度衰減因子急劇增加,定位精度顯著降低;BDS歷元數(shù)基本保持不變,可視衛(wèi)星數(shù)減少,幾何精度衰減因子增加,精度降低;BDS/GPS雙系統(tǒng)大大增加了可視衛(wèi)星數(shù),即使在40°高度角時歷元利用率仍為100%,可視衛(wèi)星數(shù)保持在12顆左右,幾何精度衰減因子有所增加,但仍保持較低值,其定位精度和收斂速度都明顯優(yōu)于單系統(tǒng)。
圖6 BDS、GPS單系統(tǒng)及BDS/GPS雙系統(tǒng)在不同高度角下的靜態(tài)精密單點(diǎn)定位精度Fig.6 Static PPP Positioning Accuracies of BDS, GPS and BDS/GPS at Different Altitude Angles
表1 所有流動測站不同高度角下解算數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果
使用與靜態(tài)解算相同的處理策略和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行精密單點(diǎn)定位的動態(tài)解算,評估在實(shí)際較差觀測環(huán)境下BDS、GPS單系統(tǒng)和BDS/GPS雙系統(tǒng)動態(tài)定位性能。所有流動測站動態(tài)解算結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出:GPS單系統(tǒng)在E、N、U等3個方向的平均定位精度為0.119、0.150、0.322 m,多個流動測站水平方向定位精度超過0.2 m;BDS單系統(tǒng)在E、N、U等3個方向的平均定位精度為0.019、0.014、0.069 m;BDS/GPS雙系統(tǒng)在E、N、U等3個方向的平均定位精度為0.022、0.022、0.086 m,平均精度比BDS單系統(tǒng)低,這是由于GPS單系統(tǒng)精度過低,降低了BDS/GPS雙系統(tǒng)精度。
以sm02測站為例,圖8給出了BDS、GPS單系統(tǒng)以及BDS/GPS雙系統(tǒng)等3種定位模式在不同高度角下精密單點(diǎn)定位的動態(tài)解算結(jié)果以及高度角為10°時的GPS單系統(tǒng)可視衛(wèi)星數(shù)。從圖8可以看出:隨著高度角的增加,BDS、GPS單系統(tǒng)定位精度和穩(wěn)定性逐漸降低,發(fā)生定位中斷時間和頻率也有所增加,且GPS單系統(tǒng)定位精度及穩(wěn)定性隨高度角變化更明顯;BDS/GPS雙系統(tǒng)精密單點(diǎn)定位的動態(tài)解算定位精度和穩(wěn)定性與GPS單系統(tǒng)相比顯著提高,且受高度角影響較小。在山區(qū)GNSS地殼形變監(jiān)測觀測環(huán)境較差時,通過BDS/GPS雙系統(tǒng)融合可彌補(bǔ)單系統(tǒng)存在的缺陷,保證較高的可視衛(wèi)星數(shù)以及定位連續(xù)性,顯著提高定位性能。BDS/GPS雙系統(tǒng)精密單點(diǎn)定位的動態(tài)解算抗差力更強(qiáng),在地震同震形變監(jiān)測、地震預(yù)警等應(yīng)用中更具優(yōu)勢。
從圖3可知,DOY 108的GPS可視衛(wèi)星數(shù)最低為4顆,并沒有低于4顆的情況,但是在精密單點(diǎn)定位的動態(tài)解算時出現(xiàn)了定位中斷。為此,本文分析了所有流動測站BDS、GPS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量(表2),發(fā)現(xiàn)GPS在某些時段只能接收到單頻觀測值,MP1值、MP2值為測距碼的多路徑誤差。圖8(k)給出了接收到GPS單頻觀測值的時刻以及該時刻的可視衛(wèi)星數(shù),定位中斷的時刻均是接收到單頻觀測值的時刻,且該時刻可視衛(wèi)星數(shù)較少。此外,全天都有可能接收到單頻觀測值,當(dāng)觀測條件較差時,接收到單頻觀測值會嚴(yán)重影響定位結(jié)果。因此,為保證定位精度及定位連續(xù)性,可視衛(wèi)星數(shù)最好有6顆或6顆以上,BDS/GPS雙系統(tǒng)可顯著提高可視衛(wèi)星數(shù),保持較高的定位精度及穩(wěn)定性。
根據(jù)表2可知,在四川石棉地區(qū)特殊觀測環(huán)境下(在近EW向的狹長山溝中,SN向遮擋相對較嚴(yán)重),GPS較BDS存在更多的周跳、衛(wèi)星失鎖和信號丟失,且GPS多路徑誤差更大。頻繁的衛(wèi)星失鎖和信號丟失會導(dǎo)致觀測弧段不連續(xù),導(dǎo)致模糊度解算不準(zhǔn)確產(chǎn)生系統(tǒng)性粗差,從而影響精密單點(diǎn)定位的動態(tài)解算精度。此外,大量周跳和較大的多路徑誤差也會對定位精度產(chǎn)生負(fù)面影響。單頻觀測值、周跳、衛(wèi)星失鎖以及信號丟失這些因素共同導(dǎo)致了GPS精密單點(diǎn)定位的動態(tài)解算精度降低。
圖7 BDS、GPS單系統(tǒng)和BDS/GPS雙系統(tǒng)動態(tài)精密單點(diǎn)定位精度Fig.7 Dynamic PPP Positioning Accuracies of BDS, GPS and BDS/GPS
本文針對實(shí)際GNSS地殼形變流動觀測中遇到的觀測環(huán)境較差、GPS可視衛(wèi)星數(shù)較少等問題,提出采用BDS/GPS雙系統(tǒng)進(jìn)行觀測。利用GREAT程序進(jìn)行精密單點(diǎn)定位解算,對比分析其定位精度、收斂速度以及數(shù)據(jù)質(zhì)量。
在峽谷特殊環(huán)境下,BDS/GPS雙系統(tǒng)精密單點(diǎn)定位的靜態(tài)解算精度在水平方向優(yōu)于0.5 cm,垂直方向大部分流動測站優(yōu)于1 cm;精密單點(diǎn)定位的動態(tài)解算精度在水平方向優(yōu)于2.5 cm,垂直方向優(yōu)于9 cm,可滿足地殼長周期及震時形變監(jiān)測精度需求。BDS/GPS雙系統(tǒng)與BDS、GPS單系統(tǒng)相比,靜態(tài)定位性能顯著提高,定位精度可提高20%~50%,收斂速度可提高50%~80%;BDS/GPS雙系統(tǒng)可大大增加可視衛(wèi)星數(shù),改善衛(wèi)星空間幾何結(jié)構(gòu),降低幾何精度衰減因子,保持較高的歷元利用率。因此,在高差較大、地形起伏劇烈等復(fù)雜觀測環(huán)境中,BDS單系統(tǒng)可在地殼形變監(jiān)測中發(fā)揮重要作用,BDS/GPS雙系統(tǒng)因其優(yōu)越的定位性能具有更好的應(yīng)用價值。
改變高度角模擬更加惡劣的觀測環(huán)境,發(fā)現(xiàn)單系統(tǒng)定位性能急劇降低,多系統(tǒng)則保持較高精度,穩(wěn)定性較強(qiáng)。隨著高度角升高,GPS單系統(tǒng)定位精度降低,幾何精度衰減因子顯著增高,歷元利用率急劇降低。BDS/GPS雙系統(tǒng)穩(wěn)定性較強(qiáng),在40°高度角時,歷元利用率仍為100%,可視衛(wèi)星數(shù)保持在12顆左右。BDS/GPS雙系統(tǒng)可消除單系統(tǒng)在精密單點(diǎn)定位的動態(tài)解算中由雙頻觀測值缺失導(dǎo)致的定位中斷,顯著提高定位精度和穩(wěn)定性,表明BDS/GPS雙系統(tǒng)精密單點(diǎn)定位的動態(tài)解算在地殼形變監(jiān)測以及強(qiáng)震預(yù)警等方面的應(yīng)用更具優(yōu)勢。
表2 GPS與BDS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計結(jié)果
在精密單點(diǎn)定位的動態(tài)解算方面,觀測條件受限導(dǎo)致GPS觀測值中包含更多的衛(wèi)星失鎖、信號丟失和周跳以及較大的多路徑誤差,可能導(dǎo)致GPS動態(tài)解算過程中包含了粗差。此外,接收單頻觀測值會降低可視衛(wèi)星數(shù),從而嚴(yán)重影響定位性能,因此,可視衛(wèi)星數(shù)需有6顆或6顆以上才能保證連續(xù)動態(tài)的精密單點(diǎn)定位。BDS/GPS雙系統(tǒng)融合解算可以大大提高可視衛(wèi)星數(shù),保持較高歷元利用率,有效解決觀測條件較差時可視衛(wèi)星數(shù)較少導(dǎo)致的定位中斷問題。
圖8 BDS、GPS單系統(tǒng)及BDS/GPS雙系統(tǒng)在不同高度角下動態(tài)精密單點(diǎn)定位精度Fig.8 Dynamic PPP Positioning Accuracies of BDS, GPS and BDS/GPS at Different Altitude Angles
BDS/GPS雙系統(tǒng)精密單點(diǎn)定位精度可滿足四川石棉地區(qū)地殼形變監(jiān)測精度要求。當(dāng)觀測環(huán)境更差導(dǎo)致BDS/GPS雙系統(tǒng)解算無法滿足地殼形變監(jiān)測精度要求時,可考慮同時接收BDS/GPS/GLONASS/Galileo四系統(tǒng)觀測值,并通過四系統(tǒng)融合精密單點(diǎn)定位解算提高定位精度以滿足地殼形變監(jiān)測需求。
野外數(shù)據(jù)采集工作者付出了大量辛苦,武漢大學(xué)李星星教授提供了GREAT程序,武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心提供了多系統(tǒng)精密軌道和鐘差產(chǎn)品,在此一并表示感謝!
地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報2022年5期