李斐,刘智敏,2,郭金运,李洋洋

(1.山东科技大学 测绘科学与工程学院,青岛 266590;2海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室,青岛 266590)

GNSS在线数据处理系统对比分析

李斐1,刘智敏1,2,郭金运1,李洋洋1

(1.山东科技大学 测绘科学与工程学院,青岛 266590;2海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室,青岛 266590)

为避免用户使用不同GNSS在线数据处理系统可能具有的盲目性,提高系统在国内的利用率及应用价值,本文对国际上流行的AUSPOS、OPUS、APPS、CSRS和GAPS五个系统进行了对比分析。利用IGS测站进行算例测试,得出结果为:五个系统具有界面友好，定位精度高等特点;不同系统对数据量的要求存在差异; APPS和CSRS较GAPS 、AUSPOS和OPUS精度高,X和Y方向均可达到mm级,且在不同纬度位置的测站的精度差异小;国外GNSS在线数据处理系统在我国测区范围内均可达到cm级定位精度。

GNSS;在线数据处理系统;定位服务

0 引 言

20世纪90年代以来,随着空间定位技术的发展,GNSS逐渐被人们所熟知,并在交通、农业、电信、导航、定位、气象预报、坐标参考框架、工程测量等领域中得到广泛应用,GNSS成为主要的测量和定位技术手段已是不争的事实[1]。国际上有许多诸如GAMITGLOBK、BERNESE、JIPSY、GPSGET、TopNet、Spider、TGO等科研和商用软件[2],可用于进行高精度GNSS数据处理和分析,但这些软件并不都是免费的,用户要想顺利地使用这些软件,大量的学习培训、专业知识储备和经验技巧也是必不可少的,因此,寻求更为方便快捷的GNSS高精度数据处理方式迫在眉睫。随着互联网引领全球化的到来以及GNSS定位技术和数据处理技术的发展,国外成功开发出基于Web的GNSS在线数据处理系统,用户不受区域和数据处理专业水平的限制,将野外采集数据上传,即可得到理想的数据处理结果,真正实现了操作简便化、数据处理自动化、处理结果高精准化、成果及应用多样化。

目前国际上流行的GNSS在线数据处理系统主要有澳大利亚的AUSPOS、美国的OPUS和APPS、加拿大的CSRS-PPP和GAPS.其中,前两者为差分在线数据处理系统,系统自动选取IGS站或CORS站作为参考站进行网平差解算;后三者为精密单点在线数据处理系统,系统利用GPS或GNSS产品(钟差、星历及轨道误差等)进行精密单点定位。目前,这几大系统在国外已广泛地应用在控制点的设立、变形监测、地图应用、GIS、海道测量、地学分析等方面[3,4],但在国内应用率不高,且国内尚无对用户免费开放的GNSS在线数据处理系统。由于各系统设计的出发点和侧重点不尽相同,GNSS在线处理各具特点,为使用户充分了解各系统的特点,方便用户在实践应用中选择最优的在线处理系统,实现其多用途、多功能、多层次的服务,并进一步促进国内GNSS在线数据处理系统的发展,本文从不同系统的特点、数据量需求、定位模式和系统所在纬度位置等方面对国际上广泛使用的五个GNSS在线数据处理系统静态事后处理进行对比分析。

1 GNSS在线数据处理系统

1.1 数据处理过程

如图1所示,位于全球任何区域的用户,只需一台GPS接收机,在野外采集原始观测数据,将转换为RINEX格式的观测数据通过Web网页或ftp提交给该系统,在线处理系统将处理结果通过E-mail或网页反馈给用户[5-7],在线数据处理系统虽为免费的,有的系统仍需用户进行注册申请登录,如用户申请登录APPS系统后,可获得更大的权限,根据实际需求,配置参数以进行高精度数据处理。

图1 在线数据处理过程示意图

1.2 系统特点比较

鉴于国际上各种GNSS在线数据处理系统的特点不同,用户在使用前,除了考虑定位结果,还应关注诸如系统所用软件、上传数据要求、用户得到反馈结果时间、解算结果内容等其他因素,对五个GNSS在线数据处理特点进行归纳[8-16],如表1所示。

表1 不同在线处理系统特点

各系统的其他特点还有:

1) 用户均可通过E-mail向五个GNSS在线数据处理系统提交RINEX观测数据,AUSPOS还可以通过ftp获取用户的RINEX观测数据,数据处理时,OPUS忽略GLONASS观测数据,而其他系统数据处理前清除GLONASS数据,GAPS可以处理混合多系统(GPS、Galileo和Beidou)数据;

2) 除了CSRS-PPP外,系统对观测文件的时长有要求,OPUS要求至少观测2 h,而AUSPOS、APPS和GAPS的观测文件至少为1 h;

3) 网速、用户上传文件的大小、GNSS接收机的质量和站点环境等因素均会影响用户获取定位结果的时间,而表中所列的获取结果的时间为向系统提交6天观测数据的平均处理时间,仅作为对比分析的参考。

2 GNSS在线数据处理系统精度比较分析

2.1 数据来源

本文选取全球均匀分布的14个IGS站,如图2所示,从ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/gps下载2016年1月1日的采样间隔为30 s的观测数据,并以从SOPAC下载的该GPS周的坐标的均值作为相应测站的参考坐标。

图2 所选14个IGS站点示意图

2.2 精度对比分析

2.2.1 不同系统对定位精度的影响

为避免系统处理不同站点可能出现的偶然性,本文选取全球均匀分布的14个测站单天观测文件,利用五个GNSS在线数据处理系统分别进行解算,每个系统对选取的测站解算得到的定位结果与参考坐标的差值如图3所示。

从图3可以看出各系统在X、Y和Z方向的精度存在差异性,这是由于地磁场、接收机和卫星间几何关系、系统自身抗差能力不同等原因造成的[17-18];采用网平差解算方式的AUSPOS和OPUS精度有较高的一致性,而采用精密单点定位解算方式的APPS和CSRS精度一致;AUSPOS、OPUS和GARS在不同测站的精度波动较大,在X方向上,除SUTH站外,精度均在6 cm内,Y方向精度在8 cm内,Z方向精度较差,在15 cm内;APPS和CSRS系统解算的精度具有良好的稳定性,在X、Y、Z方向均为mm级的精度。

图3 14个IGS站定位误差

2.2.2 数据量大小对定位精度的影响

选用DUBO站分析数据量大小对解算结果的影响。由于AUSPOS、APPS和GAPS要求观测文件至少为1 h,本文以2 h时间间隔对数据量进行分析。数据处理前,利用数据预处理软件TEQC对该站原始观测文件进行数据分割[19],分别得到观测时长为2h、4h、6h、…、24h的RINEX文件,五个GNSS在线数据处理系统得到的定位结果与参考值的差值如图4所示。

从图4可以看出,随着数据量的增大,五个GNSS在线数据处理系统的处理结果逐渐趋于稳定,10 h的数据量定位结果已达到最佳,即定位精度不会随着数据量的增大而进一步提高。图5为前10 h各方向详细的差值图,可以看出,系统AUSPOS和OPUS的精度相当,X方向精度达到mm级,Y、Z方向精度为cm级,但AUSPOS系统在前4 h波动较大,随着数据量的增大精度逐渐提高,在4 h及以上定位精度达到稳定状态,而OPUS系统2 h即可达到稳定的定位结果。APPS、CSRS和GAPS的精度差异不大,在10 h虽然有小范围波动,但基本趋于稳定状态,且在X、Y和Z方向精度均可以达到mm级。

图4 数据量大小对在线数据处理系统的影响

图5 前10 h数据量大小的影响

2.2.3 不同纬度位置对定位精度的影响

GNSS数据处理时要对电离层延迟、对流层延迟、地球自转及固体潮等进行改正,而这些误差源在不同的纬度存在差异性。对本文选取的14个测站,按照不同的纬度区域,对利用五个GNSS在线数据处理系统处理2016年1月1日的定位结果进行分析,低纬度区域、中纬度区域和高纬度区域测站处理结果与参考坐标的差值分别如图6、图7和图8所示。

图6 低纬度区域不同测站坐标差值图

由图6、图7、图8可以看出:

1) 在低纬度地区,AUSPOS、OPUS和GAPS系统在X、Y和Z方向均可达到cm级精度,而APPS和CSRS可以达到mm级的定位精度。

2) 在中纬度地区,AUSPOS和OPUS精度一致,除个别点外,X方向精度在0.3～3 cm范围内,Y方向精度达到cm级,在1～6 cm范围内,而在Z方向精度较差,精度在9 cm内;GARS、APPS和CSRS精度相吻合,在X方向精度波动较大,在2～3 cm范围内,Y方向精度高,为mm级,而在Z方向精度小于4 cm,比AUSPOS和OPUS的精度高。

3) 在高纬度地区,AUSPOS、OPUS和GAPS系统的定位精度波动较大,在X方向精度在0～5 cm范围内,Y方向为0～3 cm内,Z方向在1～15 cm内,精度差;而APPS和CSRS系统的定位精度较为稳定,在X、Y和Z方向均达到mm级。

图7 中纬度区域不同测站坐标差值图

图8 高纬度区域不同测站坐标差值图

总体来说,APPS、CSRS和GAPS系统在全球范围内不同纬度位置的测站的定位结果差异小,而AUSPOS和OPUS系统在不同纬度位置定位精度差异较大。

我国大部分区域位于北半球中纬度地区,选取我国区域内6个IGS站点进行在线数据处理,定位精度如图9所示,表明了五个GNSS在线数据处理系统在我国区域的可用性。

图9 我国区域内IGS站坐标差值图

3 结束语

本文从系统特点、数据量需求、定位模式和纬度位置等方面出发,结合实测数据,对国际上流行的五个GNSS在线定位服务系统AUSPOS、OPUS、APPS、CSRS和GAPS进行对比分析,总结起来有:

1) 五个GNSS在线定位服务系统具有界面友好性、操作简便性、获取结果便捷、定位结果精度高、成果多样化等优点,但使用时需考虑站点数据的保密性。

2) 当用户要求X、Y方向的精度为cm级,而对Z轴的精度要求较低,为dm级时,任选五个GNSS在线数据处理其一即可满足需求;当用户要求X和Y方向为mm级,Z方向为cm级时,可选用APPS和CSRS系统处理观测10 h以上的观测文件。

3) 由于精密单点定位使用了精密GPS轨道、钟差等产品[20],加上系统内部理想的数据处理策略,充足的观测时间下,采用精密单点定位的APPS、CSRS和GAPS的精度并不低于双差解算策略的AUSPOS、OPUS系统,并可为用户提供更为详细的电离层、对流层、模糊度等信息,且在全球范围内不同纬度位置的测站的定位结果差异小。我国处于北半球中纬度地区,五种GNSS在线数据处理系统可提供cm级的定位结果。

值得注意的是,定位精度除了与用户提交的数据的质量、IGS产品的质量、与参考站间距离有关外,还与接收机所处的环境、观测的时间等有关[21-22],所以,用户提交观测文件前,利用TEQC进行编辑和质量检核等预处理工作,可以得到更好的定位结果和产品。

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The Comparison and Analyzation of the GNSS Online Data Processing Systems

LI Fei1,LIU Zhimin1,2,GUO Jinyun1,LI Yangyang1

(1.GeomaticsCollege,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China;2.KeyLaboratoryofGeomaticsandDigitalTechnology,Qingdao266590,China)

In order to avoid the possible blindness when the GNSS Online Data Processing Systems are used and improve their utilization and application value in GNSS positioning and other research aspects in domestic. The paper compared and analyzed the popular five systems, such as AUSPOS、OPUS、APPS、CSRS and GAPS. The conclusion was got by testing using IGS stations in the aspect of different feature, the demand of data sets, positioning mode and latitude. The five systems is friendly interfaced, easy-to-handle and high-precision. Different systems require different data sets. Compared with the AUSPOS and OPUS, the accuracy of APPS,CSRS and GAPS in precise point positioning is higher within cm in the direction of X,Y and Z and has tiny differences when the stations are in different latitude. The GNSS online data processing systems are within cm in our country and are valuable to the regional CORS online data processing.

GNSS; online data processing system; positioning service

2016-10-17

国家自然科学基金(批准号：41374009)； 青岛市博士后研究人员应用研究项目资助(编号：2015186)

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.06.018

P 228.4

1008-9268(2016)06-0092-07

李斐(1992-),女,山东烟台人,硕士生,研究方向为GNSS数据处理与应用。

刘智敏(1975-)，女，河北唐山人，副教授，博士，主要从事GNSS定位理论技术及其应用。

郭金运(1969-)，男，山东巨野人，教授，博导，博士，主要从事空间大地测量、海洋大地测量和物理大地测。

联系人：李斐 E-mail: skchlf@163.com