在线数据处理系统精度分析

张锡越，王　权，赵春梅

(1.中国测绘科学研究院，北京　100830；2.国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心，北京　101300)



在线数据处理系统精度分析

张锡越1，王权2，赵春梅1

(1.中国测绘科学研究院，北京100830；2.国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心，北京101300)

摘要：全球导航定位技术和信息科学技术的发展，促进了在线全球定位系统数据处理服务的产生。针对传统的静态相对定位需要多台接收机同步观测、数据处理专业性高、处理过程复杂等的问题，澳大利亚地球科学局提出并研发了在线数据处理系统，以它的实用性、高精度及可靠性等特点吸引了越来越多的用户。本文阐述了澳大利亚网上数据处理系统的现状，并对最新的数据处理系统的精度进行了分析，结果表明：该系统使用24 h的观测数据可获得mm级的内符合精度和mm级的外符合精度，不同的星历解算并没有对结果产生大的影响；系统解算的精度与观测时间的长短有关；另外，网解并不能提高解算结果的内符合精度，但可以相对提高外符合精度。因此，该系统完全可以满足用户高精度定位的要求。

关键词：全球定位系统；AUSPOS；在线定位服务；精度分析

0引言

随着高精度全球定位技术和网络信息技术的不断发展，测量数据的处理和分析变得更加自动化、便捷化，高精度全球定位系统(global positioning system，GPS)数据处理服务的出现给广大用户提供了一个方便、快捷的数据解算平台。传统的静态相对定位需要多台接收机同步观测定位，数据处理软件专业性高且处理过程复杂，不仅受到软件和硬件方面的限制，而且数据处理的结果因工作人员经验的不同而受到影响[1]。针对这些问题，在过去十几年的时间里，全球多个研究机构先后开发出在线数据处理服务平台，并面向用户免费开放。例如：美国喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)的全球差分GPS自动精密定位服务系统(The automatic precise positioning service of the global differential GPS system，AUTO-GIPSY)、美国加州大学的斯克里普斯坐标更新工具(scripps coordinate update tool，SCOUT)、澳大利亚地球科学局的澳大利亚在线GPS数据处理系统(australian online GPS processing service，AUSPOS)、美国大地测量局的用户在线定位服务(online positioning user service，OPUS)等[2]。

虽然提供服务的研究机构不同，但提供服务的形式非常相似。用户将观测数据上传至服务网站，系统便会以邮件或服务器下载的形式免费提供数据处理的结果。由于各个研究机构采用的数据处理软件和方式的不同，使得它们的定位精度也存在着差异。另外，各个系统也在不断进行着维护与升级，一些系统的数据处理软件和方法也在发生着变化，定位精度和系统可靠性也在不断提高[3-5]。本文旨在对最新的AUSPOS系统的精度进行分析，来验证该系统能否满足用户高精度定位的要求。

1AUSPOS在线GPS数据处理系统

1.1AUSPOS系统的服务类型及特点

AUSPOS是由澳大利亚地球科学局提供的的一项免费的在线GPS数据处理服务，主要是为那些需要澳大利亚94地心基准坐标(geocentric datum of Australia，GDA94)和国际地球参考框架(international terrestrial reference frame，ITRF)2008坐标的用户提供服务。这些服务包括差分GPS参考站定位、远距离的GPS观测站定位、超长GPS基线定位、高精度的GPS垂直向定位、以及GPS网的质量控制等。用户需要在网页上传送的数据包括高精度的双频接收机独立交换格式(receiver independent exchange format，RINEX)的静态数据，以及GPS接收机天线的类型和天线高。该系统要求RINEX数据的采样间隔为30 s，观测历元要多于1 h。同时，用户一次最多可以上传7个RINEX格式的文件，每个文件的观测历元要低于7 d，并统一进行网平差的解算[6]。

最新的AUSPOS系统的数据处理依然采用网平差的方法，所有的计算是基于伯尔尼5.0软件进行的。在计算过程中使用高精度的国际GPS服务(international GPS service，IGS)产品，包括精密轨道参数、地球自转参数、高质量的静态观测文件及解算的精密坐标等。一旦用户上传了符合系统要求的RINEX格式的文件，系统会自动选取距离用户站最近的15 个IGS和亚太参考框架(Asia-Pacific reference frame，APREF)站作为固定参考站参与数据处理，并利用双差技术进行精密的解算。另外，IGS最终精密星历大约两周的时间才可以得到，快速星历也需大约2 d的时间才可以得到。系统在进行数据处理时会优先使用最终精密星历，如果前两种星历都无法得到的话，那就使用超快速精密星历。

1.2AUSPOS系统软件的组成与功能

AUSPOS系统软件主要由网络界面、GPS工作处理控制服务器、基于伯尔尼的用户数据处理软件三部分组成。其中网络界面部分通过实用报表提取语言(practical extraction and report language，Perl)编写的通用网关接口(common gateway interface，CGI)程序建立网络页面与Perl脚本语言之间的联系，并利用Perl脚本语言来处理用户输入的信息。GPS工作处理控制服务器负责将不同用户的数据放在队列中，并对用户数据进行质量检核和准备。另外，数据处理状态报告、参考站数据的下载、可移植文档格式(portable document format，PDF)报告的生成及发送也由该部分完成。用户数据处理部分主要是利用伯尔尼软件完成参数的估计及高精度基线的解算[6]。

1.3AUSPOS系统GPS数据处理结果

用户成功将RINEX数据上传至AUSPOS系统服务器后，系统会根据观测历元数量和观测文件个数的不同，在几分钟到几十分钟不等的时间内将解算结果以PDF报告的形式发送到用户的邮箱里。报告内容主要包括：用户数据信息、选取的参考站信息、ITRF2008及GDA94坐标结果信息、95%置信度的位置不确定度信息、基线解算信息及伯尔尼软件解算的标准等。另外，对数据处理报告的分析可以得出：在IGS站与APREF站较少且分布不均匀的地区，选取的参考站的数量受基线长度和测站位置的制约而小于15个。利用伯尔尼5.0软件解算的主要策略与模型如表1所示。

表1　利用伯尔尼5.0软件解算的主要策略与模型

2AUSPOS系统解算精度分析

本文选用欧洲境内的GRAS、PENC、PTBB、TLSE、WTZZ 5个IGS站的数据作为研究对象，根据不同的精度分析方式将五个站的数据上传至AUSPOS系统。

2.1精度评定方法

首先将2015-05-08、2015-05-26、2015-05-27五个IGS站24 h的单站观测数据分别上传至AUSPOS系统进行解算，将解算的结果与已知的ITRF2008坐标真值进行比较，分析AUSPOS定位的精度以及不同星历的使用对定位精度的影响，结果如图1～图3所示。由于欧洲境内IGS站分布较密集，为了进一步分析不同星历对解算结果的影响，在IGS站较稀疏的不同地区选取了ALRT、TIXI、PIMO 3个站，结果如表2所示。然后利用TEQC(translation，editing and quality checking)软件将2015-05-08 PTBB站24 h的观测数据分割成2 h，4 h，6 h，8 h，10 h，……，24 h的观测数据[7]，分别上传至AUSPOS在线服务系统，分析观测历元的数量对AUSPOS定位精度的影响，结果如图4、图5所示。最后，先将2015-05-08 5个站的数据分别上传至AUSPOS数据处理系统，再将5个站的数据一起上传至数据处理系统，比较单站解与整体网解的精度高低。将单站解与ITRF坐标真值较差的绝对值和网解坐标较差的绝对值取差后结果如图6所示，单站解与网解单位权中误差的比较如图7所示。

2.2结果分析

图1至图3中给出3种不同星历的解算值与真值的较差，通过分析可以得出，水平X方向的较差最大值都在6 mm左右，水平Y方向较差最大值都在2 mm左右，垂直方向较差最大值在10 mm左右。从整体上来看，AUSPOS系统使用24 h的观测数据可以获得mm级的内符合精度和外符合精度，星历的误差并没有对定位的结果造成大的影响。当AUSPOS系统采用超快速星历进行解算时，在解算报告中会给用户警告信息，因为利用超快速星历进行解算的可靠性及精度相对于最终星历是低的。由于欧洲境内可供选择的参考站数目较多且分布均匀，解算时选用了15个参考站，在不使用最终星历的情况下依然获得了精度较高的结果。

图1　AUSPOS最终星历解算值与ITRF2008坐标真值的差值

图2　AUSPOS快速星历解算值与ITRF2008坐标真值的差值

图3　AUSPOS超快速星历解算值与ITRF2008坐标真值的差值

表2中给出ALRT、TIXI、PIMO 3个测站不同星历结算结果的较差值。通过比较可以发现，星历的精度依然没有对解算结果造成大的影响。但是，从星历可靠性的角度来说，建议优先使用精密星历。

表2　不同星历的解算结果与坐标真值的较差

图4及图5中分别给出PTBB站的坐标精度和坐标较差值随时间的变化规律。从坐标的内符合精度来看，2 h和4 h的数据水平精度已经在10 mm以内，垂直精度在20 mm左右。随着时间的增加，定位精度不断提高，14 h时基本达到稳定状态，水平精度在4 mm左右，垂直精度在10 mm左右。从坐标的外符合精度来看，2 h和4 h的定位精度就在mm水平，18 h后精度基本达到稳定状态，水平精度5 mm左右，垂直精度10 mm左右。

图4　PTBB站的坐标精度随时间的变化

图5　PTBB站解算坐标与ITRF坐标真值的差值随时间的变化

图6中，dX1，dY1，dZ1是单站解与真值的3维偏差，dX2，dY2，dZ2是网解与真值的三维偏差。从图6可以看出，多数情况下，单站解与真值的偏差比网解要大，说明网解的外符合精度相对较高。图7中，sigmaX1、sigmaY1、sigmaZ1为单站解的三维精度，sigmaX2、sigmaY2、sigmaZ2为网解的三维精度。从图7可以看出，网解不能提高用户的内符合精度。有些站的网解精度还不如单站解的高(例如TLSE站)，前两个站也只有垂直精度稍微有些提高。

图6　单站解与网解坐标较差的比较

图7　单站解与网解单位权中误差的比较

3结束语

本文从三个方面对AUSPOS系统的精度进行了分析，说明了AUSPOS系统完全可以为用户提供高精度的定位服务。近年来，AUSPOS系统的用户数量不断增加，至少能为用户提供厘米级的定位精度。澳大利亚的地理空间、采矿、建筑工业都广泛的使用AUSPOS系统来建立它们精密的测量控制点，同时，AUSPOS系统也在全世界被广泛应用于科研。但AUSPOS系统也存在它的局限性，它只能处理大于1 h的静态观测数据，并且最多只能同时处理7个测站的数据，数据处理的效率比较低。处理过程中需要用户提供准确的天线高和天线类型，提交错误的情况下，无法获得精确的坐标结果。在用户提交信息无误的情况下，定位精度与选取的邻近参考站的位置与数据质量、轨道产品的质量、用户观测数据的质量等有关[8-9]。由于全球IGS站和APREF站分布不均匀，有些地方可供选择的参考站数目有限，可能需要较长观测时间的数据才能得到较高的定位精度。

参考文献

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Accuracy Analysis of Online Data Processing System

ZHANGXiyue1，WANGQuan2，ZHAOChunmei1

(1.Chinese Academy of Surveying and Mapping，Beijing 100830，China；2.The Satellite Surveying and Mapping Application Center for National Geographic Information Bureau of Surveying and Mapping，Beijing 101300，China)

Abstract：The development of global navigation positioning technology and information technology has promoted the emergence of online data processing services.Aiming at the problem of simultaneous observation with several receivers，highly specialized and complicated data processing for traditional static relative positioning，Geoscience Australia has put forward and developed an online data processing system，which attracts more and more users depending on its utility，high precision and reliability.This paper introduced the current situation of Australia online data processing system，and analyzed the accuracy of current system.The results indicated that this system can get millimeter level precision of inner coincidence and outer coincidence using 24 hours of observation data，and different ephemeris have little impact on the final results.Calculation precision is related to the length of observation time.What’s more，network adjustment cann’t improve the solved precision of inner coincidence，but can improve the outer precision relatively.As a result，the system can completely meet the requirements of users for high precision positioning.

Key words：global positioning system；AUSPOS；online positioning service；accuracy analysis

中图分类号：P228

文献标识码：A

文章编号：2095-4999(2016)-01-0109-05

作者简介：第一张锡越(1991—)，男，山东滕州人，硕士生，主要从事卫星导航定位方面研究工作。

基金项目：国家自然科学基金(41274018)，科技部基础专项(2015FY310200)，中国测绘科学研究院基本业务费(7771509)。

收稿日期：2015-07-12

引文格式：张锡越，王权，赵春梅.在线数据处理系统精度分析[J].导航定位学报，2016，4(1)：109-112,116.(ZHANG Xiyue，WANG Quan，ZHAO Chunmei.Accuracy Analysis of Online Data Processing System[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(1)：109-112,116.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160121.