今天是:

GNSS数据处理若干基础知识及一道特殊基线处理实例

时间:2016-12-12 17:49 来源:未知 作者:admin 点击:
1、RINEX标准数据交换格式
不同接收机厂商所定义的专有格式各不相同,而RINEX(Receiver Independent Exchange)是一种在GNSS测量中被普遍采用的标准数据格式,它以文本文件形式存储数据,数据记录格式与接收机的制造厂商和具体型号无关,其版本由1.0、2.0、2.11、2.20、3.01,发展到现在的3.02,目前最常用的为2.1版,可以用于包括静态和动态GNSS测量在内的不同观测模式数据。RINEX已成为各厂商、学校、研究单位和用户在编制软件时所采用的标准数据格式,意味中实际作业中可以采用不同厂商、不同型号的接受机进行混合作业,而数据处理可在某一特定软件中进行。
RINEX常用格式文件有三种,及观测值文件(Observation Data File)、导航电文文件(Navigation Message File)、气象数据文件(Meteorological Data File)。RINEX标准命名为ssssdoyf.yrt:ssss为4个字符长度的控制点名称;doy(Day Of Year)年积日,表示该天在当年的第多少天,1月1日为001,如2016年10月10日的年积日为284;f为时段号,注意它是以整个项目在一天内的同步观测时段为基础,而不是以某台接收机在一天内的观测时段为基础,如在第2时段,增加了一台接收机参与观测,在该时段中此台接收机的时段号为2,不是1;yr(Year)为2个字符长度的年份,如2016年记为16;t为文件类型,O表示观测值文件,N表示GPS导航电文文件,M表示气象数据文件。
2、卫星星历
卫星星历是描述卫星运动轨道的信息,分为预报星历(广播星历)、后处理星历(精密星历)。广播星历是主控站利用跟踪站收集的观测资料计算并外推出未来两周的星历,然后注入到GNSS卫星,形成导航电文供用户使用。GPS广播星历是用两种波码进行传送,分为C/A码星历和P码星历。C/A码星历是民用的标准定位服务(Standard Positioning Service,SPS),1991年美国实施SA(Selective Availability)政策后,其单点定位精度为100米左右,2000年5月2日关闭SA政策后,C/A码星历单点定位精度达到数十米。P码星历是军用的精确定位服务(Precise Positioning Service,PPS),单点定位精度达到5m,只有工作于P码的接收机才能使用。C/A码星历主要面向全世界的民用用户,P码星历主要面向美国及其盟国的军事部门及民用的特许用户。广播星历不能满足高精度GPS测量的需要,根据卫星跟踪站所获得的对GPS卫星的精密观测资料,应用与确定广播星历相似的方法而计算的卫星星历即为精密星历。精密星历可以向我们提供在用户观测时间内的卫星星历,避免星历外推误差,可以通过网络等方式为需要的用户服务。
Sp3精密星历数据格式的全称是标准产品第3号(Standard Product #3),是一种广泛使用的精密星历的数据格式,专门用于存储卫星精密星历。SP3格式文件是文本文件,其基本内容是卫星位置和卫星钟记录,有时也包含卫星的运行速度和卫星钟的变率。SP3格式文件命名规则为tttwwwwd.sp3:ttt表示精密星历的类型,包括igs(事后精密星历)、igr(快速精密星历)、igu(超快预速报精密星历)三种;wwww表示GPS周,从1980年1月6日0时开始起算的周数,起算周为0;d表示星期,0表示星期日,1~6表示星期一到六。文件名如igr19181.sp3表示第1918个GPS周星期一(公历日期2016年10月10日)的快速精密星历。
四种星历卫星轨道数据有关指标
类型
精度
滞后性
更新
采样率
广播星历
100cm
实时
每2h
每天
预报精密星历
5cm
实时
在UTC03,UTC09,
UTC15,UTC21
15分钟
快速精密星历
2.5cm
17-41小时
每天UTC17点
15分钟
事后精密星历
2.5cm
12-18天
每周三发布
15分钟
注:UTC=北京时间-8h
广播星历存储在RINEX数据的N文件(导航电文)中,可见卫星发送,可由接收机在野外观测中接收;三种精密星历数据可以从数据中心下载,主要有美国CDDIS、美国SOPAC、法国IGN、韩国KASI几个数据中心。美国CDDIS数据中心地址为ftp://cddis.gsfc.nasa.gov;美国SOPAC数据中心地址为ftp://;法国IGN数据中心地址为ftp://;韩国KASI数据中心地址为ftp://nfs.kasi.re.krigs.ensg.ign.frgarner.ucsd.edu
例如在美国CDDIS数据中心下载2016年10月10日(1918 GPS周星期一)的快速精密星历:在我的电脑地址框输入地址ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps/products/1918/,转到如下界面:
 
找到igr19181.sp3.Z文件复制,粘贴到目标路径下再解压压缩文件,形成igr19181.sp3文件,即完成快速星历文件的下载。
3、基线处理相关规范要求及重要名词解释
《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T18314-2009)规定“AB级GPS网基线精处理应采用精密星历;C级及以下各级网基线处理时,可采用广播星历;长度小于15km的基线应采用双差固定解,长度大于15km的基线可在双差固定解和双差浮点解中选择最优结果”。《铁路工程卫星定位测量规范》(TB10054-2010)规定“框架控制网(CPI)的基线向量解算应使用适合长基线的高精度GPS解算软件,利用精密星历,采用多基线模式进行解算;其他各级控制网基线解算可采用广播星历和一般商用软件,基线解算可采用多基线解或单基线解,长度小于15km的基线应采用双差固定解,15km以上的基线可在双差固定解和双差浮点解中选择最优结果;30km以上的基线宜使用三差解”。
单差、双差、三差解分别以单差、双差、三差观测值进行解算,它们是原始载波相位观测值经过作差形成的虚拟观测值。在不同接收机间求一次差,可消除卫星钟差、削弱电离层及对流层延迟误差,形成单差观测值;对单差观测值在不同卫星见再求一次差(即在接收机和卫星间求二次差),可多消除接收机钟的相对钟差,形成双差观测值;对双差观测值在不同历元再求一次差,可多消除整周模糊度,形成三差观测值。另外,LGO中的“消除电离层(L3)”频率观测值也是原始载波相位观测值的一种线性组合,这种线性组合可以消除电离层的影响。
固定解是指在基线计算过程中,对整周模糊度固定为整数后,回代到方程解算得到的未知参数解。浮点解是指在基线计算过程中,没有对模糊度固定为整数,使用浮点结果,回代入方程得到的未知参数解。
基线解算模式分单基线解算模式和多基线解算模式。单基线解算模式是在进行基线解算时,一次仅同时提取2台GPS接收机的同步观测数据来求解它们之间的基线向量,当在该时段中有多台接收机进行了同步观测而需要解求多条基线时,这些基线是逐条在独立的计算过程中解求出来的。多基线解算模式是在进行基线解算时,一次提取一个观测时段中所有进行同步观测的n台GPS接收机所采集的同步观测数据,在一个单一解算过程中共同解求所有n-1条相互函数独立的基线。单基线解算模式是以基线为单位进行解算的,同时也被称为基线模式,它是在工程应用中采用最普遍的基线解算模式,绝大多数商业软件采用这种模式进行基线解算。多基线解算模式是以时段为单位进行基线解算的,也被叫为时段模式,它常用于有高质量要求的应用,绝大多数科学研究用软件采用此模式进行基线解算。
4、特殊基线处理实例
对工程项目而言,基线长度一般都不超过15km,基线解算一般使用广播星历,结果采用双差固定解。在基线解算困难数据处理的调整中常用到的方法是禁用卫星的某个观测残差较大的时间段、禁用整颗卫星、提高截止高度角、使用单(双)频观测值,一些特殊情况还可以考虑尝试使用精密星历或无电离层观测值。例如,本人在使用LGO软件解算2016年10月10日一个8台仪器同步观测时段数据(附件中提供实例数据)时,就遇到了这种情况。下面是本人在LGO中尝试各种处理参数配置方案基线解算的结果截图:
方案一:高度截止角-15°、星历-广播星历、解的类型- “相位:所有固定”、频率-L1+L2,其他默认,基线解算结果如下图:
方案二:高度截止角-20°、星历-广播星历、解的类型- “相位:所有固定”、频率-L1+L2,其他默认,基线解算结果如下图:
方案三:高度截止角-15°、星历-广播星历、解的类型- “相位:所有固定”、频率-消除电离层(L3),其他默认,基线解算结果如下图:
方案四:高度截止角-15°、星历-精密星历、解的类型- “相位:所有固定”、频率- L1+L2,其他默认,基线解算结果如下图:
第一种方案配置为常用设置,基线解算结果包含浮点解,不能满足要求;第二种方案配置改变了高度截止角,基线解算结果仍包含浮点解,不能满足要求,方案调整无效;第三种方案配置改用消除电离层的频率观测值,基线解算结果均为固定解,满足要求,方案调整有效;第四种方案使用精密星历,基线解算结果均为固定解,满足要求,方案调整有效。附件中提供了实例观测数据和精密星历文件,可以在LGO中进行解算验证。