基于KUNM站和KMCORS的GPS接收机校准试验与分析

2023-01-13

为确保GPS (Global Positioning System, 全球定位系统) 接收机使用的准确性和可靠性, 维护计量法规的严肃性和计量标准的有效性, 保障GPS测绘成果的质量, 对GPS接收机进行计量校准, 是一项不可缺少的重要工作。

为实现快速高精度定位, 在全球地基GPS连续运行站 (约200个) 的基础上我国在西安、昆明等地建设了IGS (International GPS Service) 台站, 同时基于连续运行卫星跟踪站CORS (Continuously Operating Reference Stations) 开展相关研究和服务。

根据云南省测绘局科研课题研究项目《利用IGS站和CORS技术进行GPS接收机校准研究》 (云测发 (2007) 115号) , 利用昆明地区拥有国际IGS跟踪KUNM站、昆明市测绘研究院建立的G P S连续运行参考站K M C O R S的条件, 进行基于K U N M、KMCORS站观测数据进行GPS接收机校准方法 (简称研究新方法) 的科学性和有效性的试验, 分析和研究KUNM站和KMCORS数据的特性、质量及站点的稳定性, 本文研究结果表明, 运用该新方法进行GPS接收机校准, 能有效提高昆明GPS接收机校准基线的科学性和实用性, 避免在GPS接收机校准过程中的一些不必要的重测工作, 对提高工作效率, 降低校准成本具有重要的意义。

1 GPS接收机校准

1.1 KUNM站和KMCORS简介

1 9 9 8年6月1 6日中国科学院云南天文台与美国宇航局 (NASA) 喷气推进实验室 (JPL) 合作建成KUNM IGS Station G P S卫星观测站, 采样间隔为3 0 s, 接收机类型:Rogue SNR 8000, 用户可直接从f t p://c d d i s.g s f c.n a s a.g o v网站下载观测数据等相关资料;昆明市连续运行GPS参考站系统 (KMCORS) , 建成于2005年5月, 主要由6个GPS参考站组成, 分别建在昆明市西山赛马场公园 (SAIM) 、昆阳气象站 (KUNY) 、宜良职高 (YILI) 、呈贡县建设局 (CHGO) 、浑水塘光华学校 (GHXX) 、市测绘院 (K M K C) , 覆盖昆明地区约6000km2, 全天24小时不间断地接收GPS卫星信号、采集原始观测数据。表1列出KUNM站和KMCORS的设备及数据格式情况 (见表1) 。

1.2 昆明GPS检定场现状

根据《全球定位系统 (GPS) 接收机校准规范》 (JJF 1118-2004) 技术指标要求, 利用昆明地区拥有KUNM站和KMCORS数据的条件, 昆明GPS接收机检定场观测点11个增至18个, 中长基线网如图1所示。

利用KUNM站和KMCORS进行GPS接收机校准, 参与解算的观测基线数在中长基线5km以上成倍增加, 尤其在30km以上基线有更多的选择条件, 基线最长边30km扩展到60km以上, 基线数从原来55条增加到现在的100条以上。

1.3 试验设备及方法

试验仪器主要选择目前在国际上较为知名的生产厂商有美国Trimble (天宝) 导航公司、瑞士LeicaGeosystems (徕卡测量系统) 、日本TOPCON (拓普康) 公司、美国Magellan (麦哲伦) 公司 (原泰雷兹导航) 、国内有上海华测导航、中海达、南方六个品牌GPS接收机40台套, 所使用的主要仪器情况, 见表2。

目前国内GPS接收机校准主要采用常规的GPS接收机校准基线测量, 在经检定的校准场基线点上架设受校准仪器台 (套) 组成同步观测, 进行中长基线的测量误差的测定;项目研究的新方法是利用KUNM、KMCORS站同步观测数据, 选择昆明GPS接收机校准场较为便利的基线点进行GPS接收机台 (套) 校准, 共同组成同步观测环, 进行随机软件基线解算, 仪器观测高度改正至天线相位中心, KUNM、KMCORS站数据采用国际通用的标准Rinex (Verion 2.10) 格式, 大地基准为WGS-84, 校准结果按《全球定位系统 (GPS) 接收机校准规范》 (JJF1118~2004) 主要指标进行评价分析。

2 校准试验分析

2.1 KUNM站和KMCORS稳定性分析

根据IGS发布的有关信息资料, 自1998年6月建成以来, 除2000年因仪器故障损失了9天的观测资料, 其它年份都保持了365天有资料纪录, 每天的资料都按规定在UTC 2∶00前TTP到JPL的UNAVCO数据中心存档, 提供全世界的研究者使用。KUNM站自建站以来点位坐标时序变化情况如图3所示, 可以发现KUNM站每年以20mm的速率向南, 30mm的速率向东方向移动的趋势, 在高程方向以1.4mm的速率逐年向上。

KMCORS系统于2005年5月开始投入使用, 迄今已有4年多的时间。对KMCORS站间点位的稳定分析, 每年选用1个时段的数据, 用Topcon Pinnacle V1.0软件分别进行数据处理。因浑水塘光华学校 (GHXX) 在2008年前后站址发生变动, 故未对其进行稳定性分析。KMCORS站与KUNM站间基线变化量及相对精度见表3, 根据图表可看出, KMCORS站与KUNM站点之间的基线年变化量小于2.0ppm, 均未超过常规测量仪器2倍标准差σ (3.0mm+0.5ppm) , 见表3。

综上所述, 不论是K U N M站还是KMCORS站点, 每年度均存在一定的变化, 但测量误差范围符合《全球定位系统 (GPS) 接收机校准规范》 (JJF 1118-2004) 技术标准, 因此, KUNM站和KMCORS站数据的质量、稳定性满足GPS接收机校准条件要求。

2.2 校准结果比较与分析

试验采用在昆明GPS检定场进行常规传统方法和研究新方法进行校准结果比对, 与常规传统方法相比, 研究新方法中利用KUNM、KMCORS站观测数据进行基线解算, 基线边由原来的每台 (n-1) 增至 (n+6) 条, 长度也随之相应增加, 提高了基线合格数。仪器随机软件两种校准方法的基线解算精度见图2, 校准结果情况如图3所示。

由此可见, 利用KUNM站和KMCORS进行GPS接收机校准, 基线解算相对精度、稳定性和可靠性成倍增长;所获得的校准结果是可靠和准确的, 稳定性也得到较大的提高, 完全满足《全球定位系统 (GPS) 接收机校准规范》 (JJF 1118-2004) 有关指标要求, 符合昆明GPS检定场的建设要求。

2.3 校准误差

利用KUNM站和KMCORS进行GPS接收机校准, 校准基线测量误差影响主要来源于GPS卫星、信号传播、接收设备以及人员操作;其次, 不排除利用KUNM站和KMCORS观测数据在不同品牌仪器随机软件解算带来的影响, 包括数据格式转换、观测时间、误差模型改正、不同仪器解算的兼容性等不确定误差因素的影响, 经多例试验分析表明, 可认为其所产生的影响远比受检GPS接收机之间的测量解算误差小得多, 从量值溯源的角度分析, KUNM、KMCORS站在昆明GPS检定场中发挥的作用可当作高一级的标准器, 与所要校准的仪器相比, 其误差源是微小误差, 不是主要误差源。