GPS长基线数据处理方法分析

liyf · 发表于 2014-10-1 06:14:08

第３７卷第２期
２０１２年４月
测绘信息与工程
Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｅｏｍａｔｉｃｓ
Ｖｏｌ．３７Ｎｏ．２
Ａｐｒ．２０１２
文章编号：１００７－３８１７（２０１２）０２－００１３－０３文献标志码：Ａ
ＧＰＳ长基线数据处理方法分析
高丽峰１　唐卫明１　冯彦同２　陈潇３
（１武汉大学卫星导航定位技术研究中心，武汉市珞喻路１２９号，４３００７９；２山东省国土测绘院卫星定位运营中心，
济南市经十路２　３０１号，２５０１０２；３武汉大学测绘学院，武汉市珞喻路１２９号，４３００７９）
摘　要：对长基线数据处理理论及流程进行了简要介绍，并用Ｂｅｒｎｅｓｅ软件对试验数据采用不同的处理策略进行
了长基线解算（大于５００ｋｍ），系统分析了观测时间长度、截止高度角和固定ＩＧＳ站的个数，对于长基线坐标解算结
果的影响，得出了一些有益的结论。
关键词：ＧＰＳ长基线；Ｂｅｒｎｅｓｅ软件；数据处理策略
中图法分类号：Ｐ２２８．４３
　　ＧＰＳ数据处理是ＧＰＳ研究中的一个重要内容，
其目的就是获取目标的绝对坐标或相对坐标信息和
速度信息。在ＧＰＳ静态定位领域，中短距离的数据
处理应用已经比较成熟，接收机的随机附带软件已
经能够满足大多数用户的需要［１］。但是在实现
ＧＰＳ卫星定轨以及长距离、大范围的高精度定位方
面，除了要选用高精度的软件外，处理策略方法也还
有待进一步深入研究。因为选用不同的数据处理策
略和软件对ＧＰＳ数据处理结果影响很大。本文主
要结合Ｂｅｒｎｅｓｅ软件对长基线数据处理策略进行了
有益的探索。
１　难点与解决方法
通常来讲，中长基线都大于１０ｋｍ，随着基线长
度的增加，与距离相关的误差如电离层、对流层误差
等相关性越来越弱。大于５００ｋｍ时基本不存在相
关性，伪距和相位双差越来越难以消除和削弱。此
外，双差卫星数很少，并且低高度角卫星较多，这些
都是长基线数据处理的难点。由此，大范围长基线
解算与局域短基线解算相比，需要更高精度的星历
和时钟钟差，同时还需考虑更多的改正因素，如
ＧＰＳ星座的几何改正、地球极偏差改正、地球重力
场改正、大地基准改正、天线相位中心改正、海洋潮
汐改正和排除问题卫星等。各种改正理论与参数涉
及内容较多、模型复杂，ＩＧＳ、ＣＯＤＥ等机构通过
ＧＰＳ、ＶＬＢＩ等手段对上述参数进行了精密测量，所
有相关改正参数基本上都可以从各相关机构的网站
下载［２－３］。另外，科研软件解算精度高、模型精确，通
过调整对流层、高度角等参数可最大限度削弱这些
误差的影响，为实现长基线高精度解算提供了解决
方法。
２　数据处理策略及其结果分析
为了获得最优解算结果，在基线处理中一般需
考虑以下几方面的问题［４］：起算坐标不准确的影响；
星历的选择；电离层传播延迟对精密基线解算的影
响；对流层折射对精密基线解算的影响；观测量采样
率的影响；卫星截止高度角的影响；观测时间长短与
基线解算精度的关系；固定ＩＧＳ站的个数。
对于长基线解算来说，各项因素的影响更为复
杂，要想获得比较理想的解算结果，除了尽可能选择
比较准确的起算坐标外，选择精密星历来进行解算
也是非常必要的。此外，高精度的软件中电离层延
迟误差可通过双频ＧＰＳ接收机的组合观测值来削
弱；对流层折射误差在采用模型改正的基础上还可
以加入数量合适的估计因子来反映对流层，特别是
湿分量部分随时间变化的特征，从而更好地削弱其
影响；观测量采样率虽然也会对解算结果有影响，但
是影响不会很大，因为基线解算精度主要取决于卫
星星座的几何变化，即观测时间长短。至于后三种
影响因素，在长基线解算中不但同样重要，而且多数
情况下是提高解算精度非常有效的调整因素。基于
此，本文结合Ｂｅｒｎｅｓｅ软件解算结果，分别对观测时
间长度、截止高度角和固定ＩＧＳ站的个数，对于基
线解算结果进行了分析与验证。
２．１　数据准备
选择位于我国浙江省舟山群岛东南部朱家尖的
ＣＯＲＳ站点的１０７２点，２０１０年２０９ｄ的２４ｈ观测
测绘信息与工程第３７卷
数据，采样率为３０ｓ，并且获取了该点长时间静态观
测所得的稳定坐标，在精度分析中作为已知准确坐
标用于求差。在本次数据解算中，联合１０７２点附近
的４个ＩＧＳ参考站：ＳＨＡＯ、ＴＮＭＬ、ＳＵＷＮ、ＵＳＵＤ
一起解算，站点位置分布图如图１所示。
图１　ＩＧＳ站点与试验数据点位置分布图
Ｂｅｒｎｅｓｅ软件根据设定的基线生成准则共生成
４条基线（１０７２－ＮＭＬ、ＳＨＡＯ－ＳＵＷＮ、ＳＨＡＯＴＮＭＬ
、ＳＵＷＮ－ＵＳＵＤ），基线长度为５８２～１　０１７
ｋｍ，属于长基线甚至超长基线。卫星星历统一采用
当前历元下的ＩＧＳ事后精密星历。参考站初始坐
标文件统一采用ＩＴＲＦ２００５框架。参考历元为１２
ｈ／ｄ。计算前除了应更新ＧＥＮ文件中的表文件外，
还需准备相关辅助文件，如ＡＴＭ中存放ＣＯＤＥ提
供的全球电离层图文件；ＯＲＢ中从ＩＧＳ中心下载的
精密星历、地球自转参数文件以及ＤＣＢ文件；ＯＵＴ
中从ＩＧＳ中心下载的精密钟差文件以及ＳＴＡ中与
项目相关的坐标文件、坐标信息文件、海洋潮汐文件
ＢＬＱ、板块所属文件ＰＬＤ和项目时段信息表等。
２．２　处理策略
将２０１０年７月２８日全天记录的ＧＰＳ数据用
ＴＥＱＣ软件进行数据分割，利用Ｂｅｒｎｅｓｅ软件分别
按１３个不同的数据量进行解算［５］。具体参数设置：
对流层改正模型为Ｓａａｓｔａｍｏｉｎｅｎ；基线生成准则为
ＯＢＳ－ＭＡＸ；对流层残差用分段线性估计，每２ｈ引
入一个延迟参数；模糊度解算策略为ＱＩＦ；天线相位
中心改正用相对相位中心模型。
具体解算时有如下几种设计：①截止高度角设
为１０°，固定４个ＩＧＳ站，解算１３个时段，以研究坐
标精度与数据量的关系。②改变截止高度角为５°
和１５°，其他参数不变，以分析截止高度角对高精度
坐标解算的影响。③截止高度角仍设为１０°，改变
软件关于检查ＩＧＳ核心站质量的参数设置，分别固
定２个和４个ＩＧＳ站，以验证固定ＩＧＳ站的个数对
高精度坐标解算的影响。
每次先进行非差解算，再进行双差处理。由于
Ｂｅｒｎｅｓｅ软件输出结果主要为坐标信息，基线信息
并不丰富，因此以下精度分析为部分主要统计坐标
结果。
２．３　精度分析
１）观测时间长度对高精度基线解算的影响。
图２分别统计了该点Ｎ、Ｅ、Ｕ三个方向不同数据量
的解算坐标与已知坐标的差值，以体现解算结果的
外符合精度。由以上统计结果可知：①较１ｈ的观
测数据，２ｈ数据的解算精度有了较大提高，而与
超过１０ｈ的数据相比其精度变化并不明显。在载
波相位观测中，如果整周未知数需作为待定量与其
他未知参数在数据处理中一并求解，那么根据情况
将需长达１～３ｈ的观测时间［６］。如果同步观测时
间段很短，所测卫星的几何分布变化很小，因而使观
测站至卫星间的距离变化也很小，这样便降低了不
同历元观测结果的作用，在平差计算中，影响法方程
解的可靠性，所以必须适当延长观测时间。②从图
２中可以看出，Ｂｅｒｎｅｓｅ软件１０ｈ的解算坐标趋于
稳定，解算结果中Ｎ、Ｅ方向的外符合精度可达ｍｍ
级，１～１０ｈ精度变化较大，精度明显提高；１０ｈ以
上定位精度保持稳定，Ｎ、Ｅ方向精度相当，明显高
于Ｕ方向的精度。
２）截止高度角对高精度基线解算的影响。解
算过程中，分别选择５°、１０°、１５°为截止高度角，对
１０７２点进行解算，与已知坐标比较得到该点的三维
点位误差ΔＤ＝（ΔＸ２＋ΔＹ２＋ΔＺ２）１／２，统计结果如
图３所示。可以看出：①三种截止高度角情况下，点
位误差随数据量的变化趋势基本一致，其中１５°时
精度较１０°和５°差。分析认为，此时是由于各观测
点间的公共同步卫星数减少，可利用的观测数据不
足所致。②前１０ｈ截止高度角１０°优于５°，是由于
减少了多路径效应对解算数据的影响。１０～２４ｈ
二者基本相当，说明随着数据量的增加，低高度角卫
星的观测值也得到了很好的修正。
３）固定ＩＧＳ站的个数对高精度基线解算的影
响。用Ｂｅｒｎｅｓｅ软件作网平差时，常通过固定几个
精度较高的ＩＧＳ站来进行方差估计及位移速度解
算，得到ＩＴＲＦ２００５框架下测站的坐标和速度［７］。
本次解算通过对２～４个ＩＧＳ参考站的约束进行框
架的三参数转换。
通过调整软件关于检查ＩＧＳ核心站质量的参
数设置，改变了解算过程中固定的ＩＧＳ站的数量，
分别计算了固定２个和４个ＩＧＳ站时的点１０７２的
坐标，并与其已知坐标比较得到该点的三维点位误
差，统计结果如图４所示。
１４
　第２期高丽峰等：ＧＰＳ长基线数据处理方法分析
　　
图２　各数据量坐标与给定
坐标的差值　　　　　
图３　不同截止高度角所对应的
点位误差统计　　　
图４　固定站个数与解算精度的
对照统计
　　可以看出，前１２ｈ固定４个站优于固定２个站
的结果，但１２～２４ｈ固定２个站又优于固定４个站
的结果，初步分析原因是数据量较少时精度主要受
数据量的限制，此时固定站多精度会有所提高。但
随着数据量的增加，精度达到一定程度会放宽对
ＩＧＳ站质量的要求，站点质量得不到保证，进而影响
参考框架的定义，固定较多的站反而损害解算结果
的精度。
３　结束语
本文通过对试验数据采用不同的处理策略进行
基线解算，系统分析了观测时间长度、截止高度角和
固定ＩＧＳ站的个数对于基线解算结果的影响，得出
了如下结论：①用Ｂｅｒｎｅｓｅ软件解算长基线，所得
ＩＴＲＦ０５框架下的坐标精度随着观测时间长度的增
加而提高，数据量大于１０ｈ时，结果较理想。当观
测条件不是很差，参数设置合理时，坐标精度可达
ｍｍ级。②选择截止高度角时，既要考虑电离层、对
流层、多路径效应等误差的影响，又要避免观测点间
的公共同步卫星数减少所导致的观测数据不足。这
就要求处理数据时，要根据观测条件、数据质
量、时间长短等合理设置截止高度角。③用
Ｂｅｒｎｅｓｅ软件处理局域网数据时，一般要求加入几
个ＩＧＳ参考站一起解算，但加入的站点数并不是越
多越好，关键要控制加入站点本身的质量。需要说
明的是，在利用软件进行长基线数据处理时要考虑
的因素很多，加之高精度解算软件模型严密，处理过
程复杂，在实际计算中需用户干预的参数设置很多，
因此需根据具体情况分别调整、仔细操作。
参考文献
［１］陈豪．ＧＰＳ长基线数据处理研究与实现［Ｄ］．成都：西
南交通大学，２０１０
［２］吕福祥，闫文林，王坚．含有ＩＧＳ连续跟踪站的长基线
精密定位［Ｊ］．矿山测量，２０１０（１）：２４－２６
［３］李征航，张小红．卫星导航定位新技术及高精度数据处
理方法［Ｍ］．武汉：武汉大学出版社，２００９
［４］汤璞．中短基线ＧＰＳ解算中影响精度的因素研究［Ｄ］．
郑州：解放军信息工程大学，２００３
［５］郭敏，金蕾．不同软件对ＣＯＲＳ站数据进行处理的比较
与分析［Ｊ］．全球定位系统，２００９（１）：４６－４９
［６］周忠漠，易杰军，周琪．ＧＰＳ卫星测量原理与应用［Ｍ］．
北京：测绘出版社，２００４
［７］李军，高咏梅．ＧＡＭＩＴ、ＧＩＰＳＹ和ＢＥＲＮＥＳＥ软件解算
结果的比较研究［Ｊ］．全球定位系统，２０１０（３）：５－９
　收稿日期：２０１１－０９－０７。
第一作者简介：高丽峰，硕士生，现研究ＧＮＳＳ数据处理及其理论。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｌｆ２００６０１３＠１６３．ｃｏｍ
Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ＧＰＳ　Ｌｏｎｇ　Ｂａｓｅｌｉｎｅ　Ｄａｔａ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ
ＧＡＯ　Ｌｉｆｅｎｇ１　ＴＡＮＧ　Ｗｅｉｍｉｎｇ１　ＦＥＮＧ　Ｙａｎｔｏｎｇ２　ＣＨＥＮ　Ｘｉａｏ３
（１ＧＮＳＳ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，１２９Ｌｕｏｙｕ　Ｒｏａｄ，Ｗｕｈａｎ　４３００７９，Ｃｈｉｎａ；
２Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｌａｎｄ　Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ　ａｎｄ　Ｍａｐｐｉｎｇ，２　３０１Ｊｉｎｇｓｈｉ　Ｒｏａｄ，Ｊｉｎａｎ　２５０１０２，Ｃｈｉｎａ；
３Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｇｅｏｄｅｓｙ　ａｎｄ　Ｇｅｏｍａｔｉｃｓ，Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，１２９Ｌｕｏｙｕ　Ｒｏａｄ，Ｗｕｈａｎ　４３００７９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｌｏｎｇ　ｂａｓｅｌｉｎｅ　ｄａｔａ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｂｒｉｅｆｌｙ．
Ａｌｓｏ，ｗｅ　ｕｓｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ　ｔｏ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｔｈｅ　ｌｏｎｇ　ｂａｓｅｌｉｎｅ（ｍｏｒｅ　ｔｈａｎ　５００ｋｍ）ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｄａｔａ
　ｂｙ　ｔｈｅ　Ｂｅｒｎｅｓｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｔｉｍｅ，ｔｈｅ　ｅｌｅｖａｔｉｏｎ
ａｎｇｌｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｆｉｘｅｄ　ＩＧＳ　ｓｔａｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｏｎｇ　ｂａｓｅｌｉｎｅ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｓｏｍｅ
ｕｓｅｆｕｌ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＧＰＳ　ｌｏｎｇ　ｂａｓｅｌｉｎｅ；Ｂｅｒｎｅｓｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ；ｄａｔａ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ
１５】

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