GNSS 数据处理中IGS 站的分布及数量的影响分析

郑雅 曹石磊 吴国昊

（1.浙江省国土勘测规划有限公司 浙江杭州 310000 2.杭州市勘测设计研究院有限公司 浙江杭州 310000）

1 引言

随着GNSS 技术（全球导航卫星系统，Global Navigation Satellite System）的日臻提高和完善，高精度GNSS 在地学中的应用越来越广泛[1]。目前GNSS接收机的配套软件已能够满足绝大多数工程应用的需要，但在板块运动监测、框架网联测及高精度基准点联测等长基线、大面积定位应用中，对GNSS 数据的精度要求越来越高，如何提高GNSS 数据的处理精度是目前存在的一个热点和难点问题，近年来也引起国内不少专家学者的深入研究。提高GNSS 基线解算的精度是提高GNSS 控制网点精度的基础，其中IGS 站的选取对于提高基线解算的精度至关重要[2]。IGS 站的选择不当或数据处理不当，对平差结果有系统性的影响。

GAMIT/GLOBK 是一套高精度数据处理软件，主要用于分析研究地壳变形、高精度GNSS 测量数据处理等领域[3]，由美国麻省理工学院（MIT）和加州大学圣地亚哥分校Scripps 海洋研究所（SIO）研制。采用精密星历和高精度起算点时，其解算长基线的相对精度能达到。其运算速度快，在精度许可范围内自动化处理程度高，因此得到了广泛应用。

本文从IGS 站选取的几何意义和统计意义上进行了两组实验：选取不同的IGS 站，使用GAMIT 软件进行GNSS 数据处理，通过对基线解算的精度评定，论述了高精度GNSS 数据处理时IGS 站点的选取原则。

2 IGS 站选取对精度的影响分析

IGS 基准站选取的点位分布不同，将产生不同的结果。同时，基准站的选取除从几何上考虑外，还应有足够的数量，以获得所需要的统计强度。当选定的IGS 基准站与区域GNSS 网一起平差时，平差模型及解为[4]：

其中，P1为IGS 基准站坐标向量X1的先验权阵， PΔ为观测精度， A1、A2为系数阵。

由上式可知，平差后GNSS 点坐标精度不仅与观测精度PΔ和IGS 基准站的先验权P1有关，还与系数阵A1、A2有关，即与所选IGS 基准站的位置和数量有关。

由以上可知，IGS 基站的选取所涉及的内容很多，不同的图形分布、不同的选取数等都对最后的计算结果有影响。以下从IGS 站的分布和数量对基线处理精度的影响加以分析。

3 高精度GNSS 数据处理

3.1 数据来源及数据准备

本文选用中国某区域的四个CORS 站为待解算点，它们分别为hkfn、hksl、hknp、hkoh，选取不同分布不同数量的IGS 站，对2017 年第124 天到第130 天的数据进行解算。GAMIT 采用标准的RINEX 格式观测数据文件[5]。在数据处理之前我们需要从网上下载这些观测日的文件，包括观测数据文件O 文件和精密星历文件SP3 文件[6]。

3.2 GAMIT 软件控制参数设置

GAMIT 解算精度不仅受到原始观测数据精度的影响，还会受控制参数的影响。不同的控制参数可以用来达到不同的解算目的。控制参数中，截止高度角、天顶延迟参数、观测量和测站坐标约束比较能全面地反映控制参数对解算精度的影响。通过对上述四种参数不同的设置进行多组实验，对解算结果进行了对比，确定了如下控制参数，对此次解算更为适宜。

GAMIT 控制参数设置见表1。

表1 GAMIT 控制参数

3.3 数据处理

GAMIT 软件主要做如下的计算与处理:

（1）数据转换。将RINEX 格式转换为GAMIT 软件所采用的数据格式（X-file），生成含误差方程系数与常数项的偏导数C-file。

（2）轨道计算。主要采用惯性系中的卫星列表星历文件。

（3）利用C-file 对观测数据预处理。包括对伪距与相位观测值的检查，求取GNSS 接收机各观测历元的钟差，修复周跳，剔除粗差等。

（4）同步观测数据平差。

（5）综合平差。

（6）各种辅助计算及处理。包括坐标相似变换、计算结果比较等。

4 IGS 站选取的几何意义及统计意义

4.1 IGS 站选取的几何意义

4.1.1 不同IGS 站的分布试验

我国位于北半球且大部分位于高纬度地区，平均纬度为39°[7]。试验选用中国某CORS 站的四个点为待解算点，它们分别为hkfn、hksl、hknp、hkoh，选取南北半球共18 个IGS 站，对2017 年第124 天到130天的数据进行解算。从标准均方根NRMS 和基线重复率两个方面进行比较分析。

引入IGS 站的分布情况，其方案如下:

方案1: 均在北半球：shao-kunm-pimo-twtfwuhn-cusv

方案2: 南北均匀分布：ulab-pets-ban2-guugalic-aspa

方案3: 均在南半球：aspa-alic-ntus-pert-vacsmal2

4.1.2 结果比较及分析

（1）标准均方根的比较。

标准均方根: 通过计算得到的单天解标准化均方差NRMS 是衡量单天解质量的重要指标之一[8]，根据国内外数据处理经验，其值一般应小于0.3mm，若NRMS＞0.3mm，则说明处理过程中周跳可能未得到完全修复，或某一参数的解算存在很大偏差或解算模型设定有误。检查sh—gamit—doy.summary 文件，查看NRMS（均方根）大小，算例中各个站的NRMS值均满足要求。经过GAMIT 解算，结果见表2。

表2 IGS 站的分布对标准均方根的影响

由表2 可知：不同的IGS 站的分布对标准均方根有很大的影响。其中，方案1 全部分布在北半球时的标准均方根最小， 其原因由于方案1 中引入的6个IGS 站均匀分布在待解算的四个点周围，而方案2 和方案3 引入的站点比较分散。因此为了提高数据的精度，在选取IGS 站时，我们需要选取均匀分布在待解算点周围的IGS 站。

（2）基线重复率的比较。

评定GNSS 基线精度的另一个重要指标是基线重复率。基线重复率单位为m，它反映了时段解之间的内符合精度。其值越小，基线的内符合精度越高，基线质量越好；反之，内符合精度越低，质量越差。基线重复率的计算公式如下[1]：

R 表示基线的相对重复率。

当标准均方根满足要求后，可以提取单天的O文件，进行基线重复率的计算。通过GAMIT 解算，我们可以得到不同年积日， 所有基线在站心坐标系下N、E、U 三个方向上的分量，以及N、E、U 的重复率和基线L 的重复率及相对基线重复率。

图1 不同的分布对IGS 站对基线重复率的影响

4.2 IGS 站点选取的统计意义

4.2.1 不同IGS 站的数量试验

试验选用中国某CORS 站的四个点为待解算点，它们分别为hkfn、hksl、hknp、hkoh，以及位于中国大陆及周围的共12 个IGS 站， 使用GAMIT 软件对2017 年第124 天到第130 天的数据进行解算。

解算时引入IGS 站数量方案如下:

（1）不引入IGS 站，直接对四个CORS 站进行基线解算。

（2）shao、kunm、pimo 3 个IGS 站。

（3）shao、kunm、pimo、twtf、wuhn、cusv 6 个IGS 站。

（4）shao、kunm、pimo、twtf、wuhn、cusv、xian、ccjm、lhaz 9 个IGS 站。

（5）shao、kunm、pimo、twtf、wuhn、cusv、xian、ccjm、lhaz、bjfs、cnmr、hyde 12 个IGS 站。

4.2.2 结果比较及分析

（1）标准均方根NRMS 的比较（见表3）。

表3 不同IGS 站个数对标准均方根的影响

表3 中:X 轴表示年积日，Y 轴表示均方根误差的大小。

结果分析：

纵向比较：

五种选站方案中的NRMS 均小于经验值0.3，说明这些站点没有单天质量特别差的数据， 所选取的站点观测数据质量非常稳定。若其超过0.3 ， 表示GAMIT 解算过程中某些系统误差没有得到有效地消除，可以通过CVIEW 模块人工修复，重新处理基线，直到其满足要求为止。

横向比较：

1）在第124 天至第130 天中，不选取IGS 站的时候，NRMS 值最大。因为没有IGS 站提供坐标约束，只依靠轨道提供的坐标框架会使误差增大。

2）在第128 天中，选取3 个IGS 站比不选取IGS 站时的标准均方根大，说明这一天三个站点中存在站点的观测不稳定，观测数据质量较差。在高精度GNSS 网的数据处理中，IGS 基准站的选择要考虑观测时间长、精度高、可靠性好、速率稳定的地心坐标。

3）根据每一天的情况， 我们发现: 选取0 个、3个、6 个IGS 站时，NRMS 随着站数量增加明显减小，在9 个和12 个站点时，NRMS 的均值跟选取6 个IGS 站点没有明显的变化，不选取IGS 站时的NRMS最大，选取12 个站时的NRMS 值最小。

（2）基线重复率的比较（见表4）。

表4 不同IGS 站数量对基线重复率的影响

由表4 可知：

1）在不选取IGS 站的时候，各基线的重复率已达到mm 级；

2）随着选取IGS 站数量的增加，基线重复率总体是减小的。在选取6 至9 个站时，各基线的重复率基本达到稳定，超过9 个站之后，部分基线的基线重复率没有降低反而有略微升高。这是因为选取的站数过多，某些站的观测质量不佳，反而会把IGS 站本身的误差带入，影响解算结果的精度。

IGS 站的数量对基线相对重复率的影响（见表5）：

表5 不同IGS 站数量对基线相对重复率的影响

由表5 可知:

不选取IGS 站时，其基线相对重复率达到，在选取3、6、9、12 个站的时候基线的相对重复率基本都能达到。这完全满足现行的地壳运动监测以及地球动力学方面的要求，因此应用GAMIT 进行基线解算的结果是完全可以信赖的[9]。

总结:通过对标准均方根和基线重复率的比较分析，可知在高精度GNSS 数据处理中，我们需要选取IGS 站对其进行约束来提高精度，本着经济省时的原则，选择6 个左右的IGS 站最合适。

5 结论

本文从理论上分析IGS 基准站选取的几何意义和统计意义，进行不同IGS 站的选取实验。

实验1:不同的IGS 站分布情况。本文选取中国某四个CORS 站hkfn、hksl、hknp、hkoh 作为待解算点，选取全球18 个IGS 站，2017 年第124 天到第130 天的数据，采用不同的站点分布，使用GAMIT进行解算，对结果从标准均方根、基线重复率两个方面做了比较和分析。

实验2:不同的IGS 基准站个数。本文选取中国四个CORS 站hkfn、hksl、hknp、hkoh 作为待解算点，选取中国大陆及周边12 个IGS 站2017 年第124 到第130 天的数据，采用不同的站点个数，使用GAMIT进行解算，对结果从标准均方根、基线重复率两个方面进行了比较和分析。

经研究， 对于GNSS 数据处理精度不同的要求，在IGS 站分布上选择应采用不同的标准:

（1）在选取IGS 站时，我们应该选取均匀分布在待测点周围的IGS 站。

（2）使用GAMIT 处理GNSS 数据时，最好选取IGS 站为区域提供参考框架。对于IGS 站个数的选择来讲，应选择6 个左右IGS 站作为起算数据，解算结果最为理想。