魯洋為，王振杰

(中國(guó)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(diǎn)定位精度分析

魯洋為，王振杰

(中國(guó)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(guó)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(jiǎn)單介紹了Bernese5.0軟件精密單點(diǎn)定位的數(shù)據(jù)處理策略，采用bjfs、harb兩個(gè)IGS站1570周的數(shù)據(jù)，分析了靜態(tài)精密單點(diǎn)定位時(shí)不同星歷產(chǎn)品、鐘差采樣間隔對(duì)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(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位中衛(wèi)星截止高度角、先驗(yàn)對(duì)流層模型、鐘差采樣間隔對(duì)定位精度的影響。最后，結(jié)合2011年日本“3·11”地震時(shí)mizu站的數(shù)據(jù)，提取GPS地表同震形變，驗(yàn)證了Bernese 5.0精密單點(diǎn)定位的可靠性。

關(guān)鍵詞：Bernese 5.0；GPS；精密單點(diǎn)定位

精密單點(diǎn)定位是當(dāng)前GNSS領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[1-2]，利用該技術(shù)，用戶只需采用單臺(tái)接收機(jī)在目標(biāo)點(diǎn)位上觀測(cè)一段時(shí)間就可以獲得高精度的點(diǎn)位信息，具有成本低、工作量小的特點(diǎn)。目前，國(guó)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(kāi)發(fā)的Bernese軟件及JPL的GIPSY軟件[3]。其中GAMIT為開(kāi)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(cè)值，但在模糊度解算時(shí)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(jìn)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(qiáng)大等特點(diǎn)，被國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用[5-7]。本文結(jié)合bjfs、harb兩個(gè)IGS站的數(shù)據(jù)，利用Bernese 5.0的精密單點(diǎn)定位(precise point positioning，PPP)模塊，在靜態(tài)精密單點(diǎn)定位時(shí)，分析了igf(final orbit)、igu(ultra rapid orbit)、code(CODE orbit)星歷及鐘差采樣間隔對(duì)定位精度的影響；在動(dòng)態(tài)解算時(shí)，分析了衛(wèi)星截止高度角、先驗(yàn)對(duì)流層模型及鐘差間隔對(duì)定位精度的影響，并利用2011年日本“3·11”地震時(shí)mizu站的數(shù)據(jù)，提取GPS地表同震形變，驗(yàn)證了Bernese 5.0精密單點(diǎn)定位的可靠性。

一、Bernese 5.0精密單點(diǎn)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(cè)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(jìn)的TurboEdit方法進(jìn)行周跳探測(cè)與修復(fù)[8]。在周跳探測(cè)時(shí)，采用MW和LG組合，以衛(wèi)星弧段為單位，首先計(jì)算一弧段MW組合寬巷模糊度NMW的時(shí)間序列及其中誤差σ，若σ超過(guò)閾值，則認(rèn)為此弧段有周跳，需要進(jìn)行周跳探測(cè)。然后將該弧段觀測(cè)值等歷元分為兩段，若式(1)成立時(shí)，則認(rèn)為i歷元可能發(fā)生周跳。

(1)

參數(shù)估計(jì)是精密定位中最重要的環(huán)節(jié)，其估計(jì)方法直接影響解算的精度和效率，待估計(jì)的未知參數(shù)主要有接收機(jī)位置、接收機(jī)鐘差、對(duì)流層延遲及無(wú)電離層組合模糊度等參數(shù)。Bernese 5.0在參數(shù)估計(jì)時(shí)，引入?yún)?shù)消除法對(duì)多余參數(shù)進(jìn)行等價(jià)消除，以減少法方程的維數(shù)，提高計(jì)算速度和效率，對(duì)于被消除的參數(shù)，其信息仍然保留在法方程中，可以通過(guò)參數(shù)恢復(fù)法進(jìn)行求解[9-10]。在應(yīng)用Bernese 5.0軟件時(shí)，一般用其精密單點(diǎn)定位模塊解算得到的測(cè)站三維坐標(biāo)作為差分處理的先驗(yàn)近似坐標(biāo)，這是因?yàn)樵谠撃K中，忽略了測(cè)站和鐘差的相關(guān)性，使得模糊度固定的時(shí)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(diǎn)定位模塊解算精度仍然較高，并為許多研究機(jī)構(gòu)所用。

二、算例及精度分析

試驗(yàn)采用bjfs、harb兩個(gè)IGS站的數(shù)據(jù)，首先用Bernese 5.0的精密單點(diǎn)定位模塊對(duì)1570周兩測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行靜態(tài)精密單點(diǎn)定位解算，并分析了其定位精度，然后采用1570周第1天兩測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位解算并進(jìn)行了精度分析，最后結(jié)合2011年日本“3·11”地震時(shí)mizu站的數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)例分析。在動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位解算時(shí)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(shí)，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(diǎn)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(jìn)行解算，得到的結(jié)果如圖2所示。

圖1　不同星歷產(chǎn)品對(duì)靜態(tài)精密單點(diǎn)定位的影響

由圖1可以看出，在總體趨勢(shì)上，三者的定位精度相差不大，bjfs站在x、y、z 3個(gè)方向的差值均在1cm以內(nèi)，對(duì)于harb站，差值最大的也在2cm之內(nèi)，即無(wú)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(shuō)明Bernese5.0精密單點(diǎn)定位模塊的精度較高，并且可以達(dá)到毫米級(jí)。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(duì)于bjfs、harb兩站，只有一個(gè)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(méi)有較大的差異。從表1的統(tǒng)計(jì)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(duì)靜態(tài)精密單點(diǎn)定位的影響

mm

2. 動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位及精度分析

(1) 衛(wèi)星截止高度角對(duì)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(shí)，可視衛(wèi)星較多，但多路徑效應(yīng)和周跳會(huì)明顯增加，因此在試驗(yàn)中，將衛(wèi)星截止高度角分別設(shè)為10°、20°、30°進(jìn)行動(dòng)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(shí)，bjfs、harb兩測(cè)站的定位結(jié)果都很穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)較大的跳動(dòng)；當(dāng)高度角變?yōu)?0°時(shí)，就開(kāi)始出現(xiàn)了跳動(dòng)，如在bjfs的x、y、z方向上均出現(xiàn)了一些較小的跳動(dòng)，在harb站出現(xiàn)的跳動(dòng)更大，x、z方向偏差均達(dá)到2 m左右的情況；當(dāng)高度角變?yōu)?0°時(shí)，跳動(dòng)的幅度更大，bjfs站在x、y方向的跳動(dòng)達(dá)到10 m，z方向的跳動(dòng)也達(dá)到3 m左右，harb略好于bjfs，x方向跳動(dòng)約為5 m，y、z方向的跳動(dòng)在2 m左右。在衛(wèi)星截止高度角變大時(shí)，定位結(jié)果出現(xiàn)較大的跳動(dòng)，這是由于高度角影響著可見(jiàn)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(jiàn)衛(wèi)星變少，使得觀測(cè)結(jié)構(gòu)變差，從而使定位結(jié)果變差。

圖3　截止高度角對(duì)動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位的影響

(2) 先驗(yàn)對(duì)流層模型對(duì)定位精度的影響分析

Bernese軟件在精密單點(diǎn)定位解算時(shí)，一般采用“先驗(yàn)值+估計(jì)”的方法，下面討論先驗(yàn)對(duì)流層模型對(duì)定位精度的影響。解算時(shí)，將截止高度角設(shè)為10°，先驗(yàn)對(duì)流層模型分別為Hopfield模型、Saastamoinen模型、Niell模型及Non(先驗(yàn)值為零)時(shí)，進(jìn)行動(dòng)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(yàn)對(duì)流層模型為Non，即不采用任何先驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)，解算結(jié)果偏離真值最大，以bjfs站為例，x方向偏差達(dá)到3 cm左右，y方向偏差也達(dá)到了18 cm左右，z方向偏差約為15 cm，而附加了先驗(yàn)對(duì)流層模型的解算結(jié)果要明顯優(yōu)于不用任何模型時(shí)的解算結(jié)果；當(dāng)附加先驗(yàn)對(duì)流層模型時(shí)，可以看出，先驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑镾aastamoinen、Niell模型時(shí)的解算結(jié)果精度相當(dāng)，并且要優(yōu)于先驗(yàn)對(duì)流層模型為Hopfield模型時(shí)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(duì)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(dòng)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(shí)，在1100歷元處存在較大的跳動(dòng)，而鐘差間隔為30 s時(shí)的結(jié)果要比5 min時(shí)穩(wěn)定，但也出現(xiàn)了多處10 cm左右的跳動(dòng)；對(duì)于harb站，圖上二者的差別并不明顯。對(duì)解算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2。可以看出，bjfs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?yàn)樵?0 s鐘差解算的結(jié)果中出現(xiàn)了多處10 cm左右的跳動(dòng)，而采用5 min鐘差的結(jié)果由于鐘差是通過(guò)內(nèi)插得到的，故結(jié)果比較平滑；對(duì)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(huì)出現(xiàn)小的波動(dòng)，可以反映出微小的變化，而5 min采樣間隔的結(jié)果則會(huì)出現(xiàn)較大的跳動(dòng)。

圖4　先驗(yàn)對(duì)流層模型對(duì)單歷元精密單點(diǎn)定位的影響

圖5　鐘差采樣間隔對(duì)動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位的影響

cm

(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(diǎn)定位提取地表同震形變，分析Bernese 5.0精密單點(diǎn)定位的精度。截取地震期間mizu站5：45—5：55 10 min的觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用動(dòng)態(tài)模式解算，得到N、E、U方向位移如圖6所示?？梢钥闯?，地震波到達(dá)時(shí)，測(cè)站開(kāi)始向東南方向發(fā)生劇烈的抖動(dòng)，測(cè)站最大位移向東達(dá)到3 m、向南達(dá)到2 m，隨著地震波的衰減，測(cè)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(jī)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(yǔ)

Bernese軟件在靜態(tài)精密單點(diǎn)定位解算時(shí)，可以達(dá)到毫米級(jí)的精度，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)數(shù)據(jù)，鐘差的采樣間隔及不同機(jī)構(gòu)發(fā)布的星歷、鐘差產(chǎn)品對(duì)定位結(jié)果影響不大。在動(dòng)態(tài)解算時(shí)，采用合理的設(shè)置可以達(dá)到厘米級(jí)的精度。Bernese具有解算速度快、速精度高的優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外許多項(xiàng)目中得到了廣泛的應(yīng)用。利用其精密單點(diǎn)定位模塊，采用單站GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)可以得到測(cè)站高精度坐標(biāo)及其時(shí)間序列，可以用來(lái)提取高精度地表同震形變，對(duì)目前的地殼形變監(jiān)測(cè)及工程應(yīng)用具有重要的實(shí)際意義。

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中圖分類號(hào)：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)02-0022-04

作者簡(jiǎn)介：魯洋為(1990—)，男，研究方向?yàn)镚NSS測(cè)量數(shù)據(jù)處理。E-mail：luwei09013201@163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41374008)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)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(diǎn)定位精度分析[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(2)：22-25.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0041.