GPS监测网数据处理方案研究

1、测会学报ACTA GEODAETICA et ACRTOGRAPHICA SINICA1999年 第28卷 第1期 vol.28 No.1 1999GPS监测网数据处理方案研究*李延兴胡新康赵承坤摘要处理大尺度GPS监测网多期复测成果的时候，数据处理方案是一个重要问题。作者在处理首都圈GPS地形变监测网数据的过程中，经过长期探索和大量试算，提出了制定数据处理方案的基本原则：要采用一个自洽的地球参考框架和常数系统；要采用精度最高的同一种精密星历和相应的地球自转参数；要采用最先进的同一种数据处理软件以及采用同一的参考基准和约束条件。由于地壳处于运动之中，大尺度GPS监测网的参考基准应是动态基准。研

2、究表明，选择3个以上观测历史长，具有精确地心坐标和稳定精确位移速率的GPS跟踪站组成的参考基准可能是一个最佳选择。首都圈GPS地形变监测网在数据处理中采用了最佳的技术方案，获得了高精度的定位结果。关键词GPS监测网处理方案参考基准分类号P228.41Study on data processing programfor GPS monitoring networkLi Yanxing， Hu Xinkang， Zhao Chengkun(First Crustal Deformation Monitoring Center State Seismological Bureau of China

3、,Tianjin,300180)AbstractData processing program is of very importance in processing multiperiod remeasurement data of large-scale GPS monitoring network. In processing the data from Capital-circle GPS crustal deformation monitoring network, the authors have proposed basic principles for making data

4、processing program through long-term explorations and large amounts of calculations. The principles are: Using the selfconsistent earth reference frame and the constant system using the same kind of precise ephemeris with the highest precision and the corresponding parameters of earth rotation, usin

5、g the most advanced same kind of data processing software and using the same reference datum and constraint conditions. Since the crust is in the state of movement, the reference datum for large-scale GPS monitoring network should be a dynamic datum. Our study has indicated that a reference datum co

6、nsists of more than 3 GPS tracing stations with long observation history, accurate geocentric coordinate, stable and accurate displacement rate might be the best selection. In data processing for Capital-circle GPS crustal deformation monitoring network, the best technical program has been used and

7、high-precision positioning results have been obtained.KeywordsGPS monitoring network, Processing program, Reference datum1前言众所周知，在GPS监测网的数据处理中，采用不同的技术方案，将得到不同精度的处理结果。在大尺度GPS监测网多期观测数据的处理中，这个问题尤其突出。为了得到高精度的处理结果，研究科学的数据处理方案特别重要。2GPS数据处理应遵循的一般原则在制定GPS监测网数据处理方案时，要考虑的问题很多，其中主要的有参考框架、星历、软件、参考基准、约束条件的确定、精度分

8、析方法等，而最重要的是参考基准的选择和约束条件的确定。对于大尺度已有多期观测成果的GPS监测网，在制定数据处理方案时，一般应遵循以下原则：2.1采用一个自洽的地球参考框架和常数系统参考框架是GPS数据处理的基础，在进行数据处理之前首先要确定采用什么参考框架。由于地球的岩石圈处在运动、变化之中，GPS监测网中各点的位置时刻都在变化。因此，采用的坐标框架必须是全球统一的、连续自洽的、不断精化的框架。具有这些条件的参考框架目前只有国际地球参考系，即ITRF参考框架1。ITRF参考系根据全球VLBI、SLR、GPS监测网的最新观测成果不断精化形成一个连续自洽的系列：ITRF0ITRF95，目前ITRF

9、96已开始使用1。在处理GPS数据时，要尽量采用最新的ITRF参考系，并把过去处理的结果及时转换成最新的ITRF参考系中的成果。2.2采用精度最高的同一种精密星历和相应的地球自转参数采用不同的精密星历，得到的处理结果会产生一定的差异。为了便于分析研究，对于不同期的GPS观测成果在处理时应采用同一种精密星历和相应的地球自转参数。2.3采用先进的同一种处理软件系统为了得到最好的处理结果，采用最先进的GPS处理软件自不待言。为了保持处理成果的统一，对于不同期的GPS观测成果，在处理时应采用同一种处理软件系统。2.4采用同一的参考基准和约束条件在处理GPS地形变监测网的观测数据时，有多种处理方案，不同

10、的处理方案之间不可避免地存在系统差。为了求各期观测成果所反映的地壳运动，必须采用“同一的”方案。我们研究的GPS监测网是大尺度、高精度、具有多期复测成果的GPS网。对于这样的GPS网，在进行数据处理时，不可能找到静止不动的基准点作为参考基准。这个基准应有3个以上的基准点组成。每个基准点在任一时刻的地心坐标必须是已知的、精确的。换言之，它必须具有某一时刻精确的地心坐标和精确稳定的位移速率。同一个GPS网各期成果在处理时应采用同一的参考基准的约束条件。3参考基准的试验研究目前，无论国内或者国外，在大尺度GPS网的数据处理中，存在一个突出的问题：各个研究单位使用同样的软件、同样的精密星历、处理相同的

11、观测数据，最后得到的结果却不相同，甚至会存在较大的差异。出现这种情况的一个重要原因就是各单位在处理的过程中选用的参考基准不同。在选择参考基准时，有人选择1个GPS基准点2，有人选择2个基准点，有人认为选择3个以上比较好。对参考基准的使用也存在差别，有人主张把参考基准完全固定2；有人则主张根据精度高低给予不同程度的约束3等等。采用什么样的基准最好，怎样使用基准最好，这是一个需要研究解决的最基本、最重要的问题。为了研究这个问题，作者在首都圈GPS地形变监测网数据处理的过程中进行了试验研究。以下为研究情况。首都圈GPS网共有108个GPS点，1995年和1996年进行了两期观测4。对这两期成果按3种

12、处理方案进行了处理。第一方案：不设固定参考基准。以IGS全球站中日本的USU3、TSBK，台北，上海，乌兹别克斯坦的KIT3、POL2，印度的IISC，俄罗斯的IRKT，韩国的TEAJ和国内的长春、天津、西安、海口、乌鲁木齐5个定轨站作为参考基准，不固定，给各站较强的约束。N：0.005m,E:0.005m, U:0.015m第二方案：设一个固定参考基准。固定上海站的地心坐标及位移速率，其余IGS全球站和国内定轨站不固定，给予较强的约束。N：0.005m,E:0.005m, U:0.015m第三方案：设三个固定参考基准。在处理首都圈GPS地形变监测网的两期数据时，我们选用的是ITRF94参考框

13、架。在1995年，在我国周围的IGS全球跟踪网中，仅有上海站、台北站和日本USU3三个站有精确的坐标和运动速率，所以只能用这三个站作为固定参考基准。这个基准并不理想。第一，这三个站都在首都圈GPS网的东部，其他方向没有固定站；第二，台湾站和USU3站不太稳定。限于当时的条件，只好权且采用之。固定上海站、台北站、USU3站的地心坐标及位移速率，其余IGS站和国内定轨站不固定给予较强的约束。N：0.005m,E:0.005m, U:0.015m经过处理得到首都圈GPS网中各点两期的坐标和基线成果。怎样比较三种处理方案的优劣?研究表明在两期GPS观测期间，首都圈地区地壳运动在整体上以断块体之间的相对

14、运动为主，这种运动近似于刚性运动。在断块边缘和内部的少部分地区发生了塑性形变。在这种条件下，网中各GPS点之间的基线在总体上不会发生大的变化，两期成果所有基线长度比的平均值应接近于1。令式中Li95、Li96分别为第i条边1995年、1996年的边长值，n为总边数。上式可改写为式中Li=|Li96-Li95|。上式的计算结果见表1。表1的计算结果清楚地表明，固定参考基准比不固定基准要好，而固定3个点的参考基准要比固定1个点的基准要好。可以推断，只要参考点的地心坐标是准确的，其位移速率是稳定的、精确的，固定的参考点越多，参考基准的效果则越好。本文采用的固定基准不是静止的，而是一个动态的基准，它可

15、以给出任一时刻3个参考站在ITRF94坐标框架中的位置。表1各种方案计算的边长比Tab.1Ratio of side lengths calculated by different programsL/kmn第一方案第二方案第三方案L1002901+10.9910-91+10.6210-91+8.5410-9100L1000921+8.4610-91+7.9610-91+6.5110-9总计3828平均1+5.7010-91+5.2210-91+3.4510-9由表1可以看出，采用这样的参考基准可获得高精度的解算结果。1995年与1996年两期成果基线的一致性达到了3.4510-9量级的高水平

16、。这样高的精度完全可以检测10-710-8量级的地壳水平形变。从表1中可以看出，虽然1995年与1996年两期成果的基线非常接近，其差别仅为3.4510-9量级，但其差别在总体上反映为各GPS点之间的基线1996年比1995年有些伸长。这表明，首都圈地区各断块除了刚体运动外，还存在以张性(伸长)为主的地壳形变。这个结果与文献5的结论“总体上东部地壳块体相对西部块体之间存在拉张”是完全一致的。 4首都圈GPS地形变监测网数据处理方案在深入研究和大量试算的基础上，制定了首都圈GPS地形变监测网数据处理的技术方案。4.1参考框架、精密星历、处理软件的选择参考框架：ITRF94。精密星历：IGS精密星

17、历。处理软件：GAMIT与GLOBK。4.2GPS定轨站地心坐标计算为了提高首都圈GPS网的精度，在首都圈GPS网观测期间，在国内布设了长春、天津、西安、乌鲁木齐、海口5个GPS定轨站。从首都圈GPS网观测开始到观测结束，这5个定轨站一直连续运行。利用IGS全球站中的USU3、TSBK、TEAJ、台北、上海、KIT3、IRKT、IISC的坐标和同步观测数据与5个定轨站一起处理确定定轨站的地心坐标。把1995年的观测资料分为三段，每段取连续二十天的观测数据进行GAMIT计算。在得到结果后进行GLOBK平差处理，最终得到定轨站的坐标。GAMIT计算的约束条件IGS全球站坐标约束N：0.050m,

18、E:0.050m, U:0.150m定轨站坐标约束N：9.000m, E:9.000m, U:9.000m卫星轨道约束10-8GLOBK网平差的约束条件固定USU3、上海、台北三个站的地心坐标及其位移速率。其余IGS站坐标约束N：0.005m,E:0.005m, U:0.015m卫星轨道约束10-8定轨站坐标约束N：0.500m, E:0.500m, U:1.500m4.3首都圈GPS网地心坐标计算在进行首都圈GPS网计算时，把全球站观测数据、定轨站观测数据和首都圈GPS网观测数据放在一起计算，全球站坐标和定轨站坐标给予不同程度的约束。GAMIT计算的约束条件IGS全球站、国内定轨站坐标约束N

19、：0.050m, E:0.050m, U:0.150m首都圈GPS同步网各站地心坐标约束N：9.000m, E:9.000m, U:9.000m卫星轨道约束10-8GLOBK网平差约束条件固定USU3、上海、台北三个站的地心坐标及其位移速率。其余IGS站和国内定轨站坐标约束N：0.005m, E:0.005m, U:0.015m卫星轨道约束10-8首都圈GPS网各站坐标约束N：0.500m, E:0.500m, U:1.500m5首都圈GPS监测网的精度分析5.1监测网地心坐标精度估计首都圈GPS监测网每个分区都连续观测了34天，经过计算每个GPS点都有34个独立的坐标值，根据下式对1995、

20、1996两年各GPS站点位精度进行估计，结果列于表2。表2首都圈GPS监测网坐标精度统计/mmTab.2Statistics of coordinate Precision for Capital-circle GPS monitoring netowrk南北向东西向高程向1995年一天结果中数结果7.13.29.13.920.18.91996年一天结果中数结果4.92.15.52.113.86.2式中n为GPS站数，Ci为各站坐标分量值，C为各坐标分量的平均值，i为各站坐标分量的方差。5.2监测网基线精度估计在当天GAMIT计算结果中给出了所有点的全组合基线向量。若连续观测了m天，将得到m组

21、所有点的全组合基线向量。众所周知，在GPS测量中，如果k个点进行同步观测，那么只有k-1个独立基线向量。在作方差估计时要求子样是相互独立的。因此，在作精度统计时要在所有基线中进行独立基线选择。不同的选择会得出不同的结果。对于每一种选择i,将得到相应的统计方差Mi,对于一个监测网，若有k种选择将得到k个统计方差M1，M2，M3，Mk。这些方差的精度应当是相等的。令M=(M1M2M3Mk)1/kM就是所估计的方差。基线误差的大小与基线的长度有关。基线越长误差越大。统计结果表明，基线误差分为固定部分和与边长成正比的部分。它们之间的关系可表示为M2=a2+b2S2式中S为基线长度、a、b为待定系数。在

22、作基线精度统计时，先计算出所有基线的方差，然后根据基线的长度进行分段统计，得到各长度的方差，再进行误差关系式的系数拟合。作者将首都圈GPS网基线长度分为5段：S100 km,100 kmS300 km,300 kmS1 000 km,1 000 kmS3 000 km,S3 000 km。每段作方差估计并计算平均边长。这样得到的方差称为平均边长方差。这种估计方法使用了较多边的数据，其结果比较稳定可靠，有利于误差系数拟合。按照上述方法对1995、1996年两期观测结果的所有基线进行了统计分析，计算结果如表3所示。从表2和表3中可以看出，首都圈GPS监测网各GPS站定位的平均精度(相对于ITRF

23、94框架内上海、台北、USU3三个GPS跟踪站)水平方向优于5 mm，高程方向优于9 mm。基线边长平均相对精度优于5109量级。这样的精度是非常高的。从表1中也可以看出，第三方案1995年与1996年两期成果边长的互差为3.4510-9，这与表3的计算结果完全一致。这也证明表3的结果是可靠的真实的。表3首都圈GPS网基线精度计算结果Tab.3Calculated results of baseline accuracy for Capital-circle GPS monitoring network基线段统计边数平均边长/km统计方差/mm拟合方差/mm互差/mm127766.82.84.

24、11.3总边数=27492674194.94.34.2-0.1平均边长=1247.5 km3645664.95.64.7-0.9自由度=84048301960.08.98.0-0.9a=4.1 mm53234376.115.415.80.5b=3.5109117966.52.22.90.7总边数12.32.90.6平均边长=1564.8 mm3291797.25.03.6-1.4自由度=64048581983.66.66.0-0.6a=2.9 mm52464258.011.311.70.4b=2.7109注：横线以上为1995年计算结果，横线以下是1996年计算结果。1995年由平均边长计算的边长相对精度为4.91091996年由平均边长计算的边长相对精度为3.310-9 6结论选择不同的处理方案将得到不同的结果。本文提出的4条原则是制定GPS监测网数据处理方案应当遵循的基本准则。参考基准的选择是数据处理中的一个重要问题，选择3个以上观测历