GNSS基准站网数据处理方法与应用：算例分析成果

1.实验方案

为了检验基于非差改正数的网络RTK方法在各类电离层活动性区域、不同范围参考站网的实用效果，以下分别选取高、中、低纬度地区的三组测试网进行了试验分析。将每天的观测数据以1h为间隔划分为多个观测时段，分别采用静态和动态逐历元PPP解算模式进行处理，测站坐标值是采用PANDA软件对各测试网全部实测双频数据的单天网解取平均得到。在逐历元解算时由于仅采用了当前历元及之前的观测数据，因此是一种准实时的数据处理模式，该处理模式可以对未来将基于非差改正数的网络RTK方法应用于PPP模式实时精密定位的应用前景进行有效的模拟分析。

根据基于非差改正数的网络RTK方法误差改正模型的构建特点，该模型可以有效吸收卫星轨道和钟差误差，因此采用广播星历按照PPP模式进行单频接收机精密快速定位也是可行的。为了进一步验证以上结论，在各算例的数据处理中均采用以下四种卫星轨道和钟差的组合分别进行了测试：

·igs＋igs：采用IGS精密卫星轨道和IGS精密卫星钟差；

·igs＋rec：采用IGS精密卫星轨道和利用区域参考站网估计的卫星钟差；

·brd＋brd：采用广播星历卫星轨道和广播星历卫星钟差；

·brd＋rec：采用广播星历卫星轨道和利用区域参考站网估计的卫星钟差。

利用基于PANDA的GNSS单频数据处理软件按照PPP模式逐历元解算各监测站每小时的观测数据，其中卫星截止高度角设定为7°，观测值加权策略为p＝1，E＞30°；p＝sin2E，E≤30°，考虑了对流层、相对论效应、相位缠绕、固体潮、大洋潮、极潮、天线相位中心等各项误差改正，卫星轨道和钟差固定，测站天顶对流层延迟采用随机过程噪声的方式进行估计，测站坐标在三个方向均给予了10m的误差，以模糊度固定的RATIO值达到3.0以上作为定位结果是否收敛的判定条件。一旦模糊度被正确固定则将该时刻的精密定位结果加入统计列表，而此后该历元段的解算结果则未参与统计分析。测站坐标差值的RMS采用下式计算：

式中，n为测段数，dX为某一方向的坐标差值，dXRMS为该方向坐标差值的RMS。

由于目前只是处于测试分析阶段，本书在逐历元精密定位时是对每个历元的解算结果分别进行模糊度固定，前一个历元的模糊度固定信息并未传递到下一个历元，因此在接收到新的卫星信号时，由于对该卫星的有效观测历元数过少将会导致模糊度固定RATIO值急速下降，在实际的应用中如将之前历元的模糊度固定信息传递到当前历元的数据解算，则这一问题将能被有效解决。

由于大规模观测网高采样率(1s或更高采样率)的观测数据一般较难获取，本节所选用的试验数据采样间隔均为30s，如采用更高采样率的观测数据进行测试分析，其模糊度收敛时间较本书中试验结果应该还会有较大幅度的提升。

2.算例一(德国SAPOS网)

(1)算例说明

从德国SAPOS网选取14个双频观测站于2009年第250～第269间为期20天的一组实测双频数据进行了试验分析，该组数据位于中高纬度地区，其电离层活跃性较为平缓。通过设定不同测站作为参考站，分析了参考站间平均距离为120km和221km的2组测试网(如图5-16所示)，选定参考网之外的网内单频试验测站仅用其C/A码和L1相位观测值以模拟单频测站进行检验分析。图5-16中三角为选取的双频参考站，网内圆点为模拟的单频检测站。其中中等站间距测试网的三个参考站(红线连接)也作为模拟的单频测站参与了对较大站间距测试网(黑线连接)的检测。

(2)结果分析

图5-16　德国SAPOS网测站分布示意图

表5-5(Van Dam，et al.，2010)是按照基于非差改正数的网络RTK方法分别对中高纬度地区2组不同站间距参考网建模后，网内单频测站PPP模糊度固定静态和动态逐历元解算坐标结果于东西、南北和高程方向的精度统计。从表中可以看到，对于参考站间平均距离为120km的检测网，如采用模糊度固定静态逐历元解算模式，网内模拟的单频测站L1模糊度平均初始化时间约为9.5min，且一旦有效固定L1模糊度，即可获得东西、南北、高程方向6.1mm、8.7mm和28.7mm的定位精度。动态逐历元模式解算时模糊度收敛速度较静态逐历元模式稍慢，平均初始化时间约为12.9min。

表5-5　基于非差改正数的网络RTK方法德国SAPOS网坐标差值比较

续表

注：igs代表IGS精密卫星轨道或IGS精密卫星钟差；
brd代表广播星历卫星轨道或广播星历卫星钟差；
rec代表由参考网估计的卫星钟差。

此外，从表5-5的统计结果还可以发现，由于基于非差改正数的网络RTK方法在建模时可以有效吸收卫星轨道和钟差误差，无论采用何种卫星轨道或钟差组合，其精密定位结果基本一致，因此利用广播星历按照PPP模式进行单频接收机实时快速精密定位是完全可行的。(www.xing528.com)

对比表5-5上下两部分，即中等站间距检测网和较大站间距检测网的统计结果可以注意到，以上结论在两组测试网中均较为一致，只是随着参考网站间平均距离的增大，在模糊度解算时会需要相对更长的收敛时间。

为了对采用不同类型卫星星历和钟差组合时在不同参考网站间距离中的定位结果有更加直观的认识和对比，以2009年250天8：00～9：00am的一组数据为例，给出了单频检测站0651在中等间距参考网(图5-16中红线连接，参考站间平均距离为120km)和较大间距参考网(图5-16中黑线连接，参考站间平均距离为221km)内采用不同类型卫星星历和钟差组合时L1模糊度固定动态逐历元解算结果。从图5-17可以看到，无论采用何种卫星星历和钟差组合，其单频精密定位结果均较为一致，当采用较大间距参考网进行建模时(如图5-17左侧所示)，在35个历元(采样间隔为30s)后模糊度即可有效收敛(RATIO值大于3.0)并得到厘米级的定位结果；当采用中等间距参考网进行建模时(如图5-17右侧所示)，其模糊度收敛速度相对更快，只需30个历元即可完成初始化(采样间隔为30s)。

3.算例二(江苏CORS网)

(1)算例说明

图5-17　不同星历和钟差组合的单频模糊度固定动态逐历元解算结果

从江苏省CORS网选取12个双频观测站于2007年023～034间为期10天的一组实测双频数据进行了试验分析，该组数据位于中纬度地区，其电离层活跃性处于太阳活动平均年。参考网站间平均距离为170km(如图5-18所示)，参考网之外的各测站仅用其C/A码和L1相位观测值以模拟单频测站进行检验分析。图5-18中三角形为选取的双频参考站，圆点为模拟的单频检测站点。

(2)结果分析

表5-6为按照基于非差改正数的网络RTK方法对中纬度地区一组站间平均距离为170km的参考网建模后，网内及周边模拟单频测站L1模糊度固定动态、静态逐历元解算坐标结果于东西、南北和高程方向的精度统计。该试验统计结果与前一组算例的结论基本一致，对于静态和动态PPP模式下采用广播星历的L1单频接收机精密定位应用，平均仅需要15.0min和20.3min即可实现模糊度快速收敛，定位精度在东西、南北、高程方向分别为(7.7mm，9.0mm，38.4mm)和(9.9mm，13.6mm，42.3mm)。与算例一的统计结果相比，由于该测区电离层活跃性增强导致模型构建时会引入更多的误差，因此需要相对略长的模糊度收敛时间。

图5-18　江苏CORS网测站分布示意图

表5-6　基于非差改正数的网络RTK方法江苏CORS网坐标差值比较

4.算例三(广州CORS网)

(1)算例说明

选取了广州市CORS网2006年年积日197～206采样间隔为30s的一组实测双频观测数据进行试验分析。该组数据位于低纬度地区，电离层活跃性较强，其测站分布如图5-19所示。由于已有数据的网形分布及站间距离限制，本算例选择的测试网由3个参考站和1个检测站点组成。图中三角形为选取的双频参考站，圆点为模拟的单频检测站点。参考站间的平均站间距离为44km，主参考站(huad)与检测站(wush)间距离为28km，wush站仅用其C/A码和L1相位观测值以模拟单频测站进行检验分析。

图5-19　广州CORS网测站分布示意图

(2)结果分析

从表5-7的统计结果可以看到，基于非差改正数的网络RTK方法在电离层活动剧烈地区同样非常有效，平均仅需要11.5min和17.6min即可利用广播星历实现L1单频接收机静态和动态模式下的模糊度收敛，一旦有效固定了L1模糊度，可获得东西、南北、高程方向(8.1mm、7.4mm、37.2mm)，(9.5mm、10.4mm、38.2mm)的静态和动态定位精度。

表5-7　基于非差改正数的网络RTK方法广州CORS网坐标差值比较

5.结果分析

利用广播星历卫星轨道和钟差的PPP模式精密定位结果与采用其他三种卫星轨道和钟差组合时基本一致，这进一步验证了基于非差改正数的网络RTK方法可以有效吸收卫星轨道和钟差误差，实现基于广播星历的区域精密单点定位。由于广播星历以及本书提出的基于非差改正数的网络RTK方法均可以实时提供相关参数信息，并且上述实验在数据处理时采用的是逐历元解算，仅利用了当前历元及之前的观测数据，因此是一种准实时的数据处理模式，以上算例的试验分析结果有效证明了未来将基于非差改正数的网络RTK方法应用于PPP模式实时精密定位的可行性和广阔的应用前景。并且通过上述试验分析可以认为，基于非差改正数的网络RTK方法完全能够满足未来对GNSS单频接收机在PPP模式下水平方向1cm，高程方向2～4cm快速实时精密静态和动态定位的应用需求。只是由于参考网站间平均距离的差异以及测区内电离层活跃性的变化，其模糊度收敛时间会略有不同，对于同一组参考网所生成的模型改正信息，网内单频测站在动态模式解算时较静态模式需要略多的模糊度收敛时间。