结合质量控制与频间偏差改正的GNSS-IR海面高度反演

侯金华, 贺凯飞, 石文文, 王硕

侯金华, 贺凯飞, 石文文, 王硕. 结合质量控制与频间偏差改正的GNSS-IR海面高度反演[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版). DOI: 10.13203/j.whugis20230325
引用本文: 侯金华, 贺凯飞, 石文文, 王硕. 结合质量控制与频间偏差改正的GNSS-IR海面高度反演[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版). DOI: 10.13203/j.whugis20230325
HOU Jinhua, HE Kaifei, SHI Wenwen, WANG Shuo. GNSS-IR Sea Level Retrieval Combining Quality Control with Inter-Frequency Bias Correction[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University. DOI: 10.13203/j.whugis20230325
Citation: HOU Jinhua, HE Kaifei, SHI Wenwen, WANG Shuo. GNSS-IR Sea Level Retrieval Combining Quality Control with Inter-Frequency Bias Correction[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University. DOI: 10.13203/j.whugis20230325

结合质量控制与频间偏差改正的GNSS-IR海面高度反演

基金项目: 

国家自然科学基金(42174021);山东省自然科学基金(ZR2021MD060)

详细信息
    作者简介:

    侯金华,硕士生,主要从事 GNSS-R 海洋遥感方向的研究, s20160039@s.upc.edu.cn

    通讯作者:

    贺凯飞,博士,教授,博士生导师。 kfhe@upc.edu.cn

GNSS-IR Sea Level Retrieval Combining Quality Control with Inter-Frequency Bias Correction

  • 摘要: 全球导航卫星系统干涉反射测量(GNSS-IR)技术已被证实可用于海面测高, 为提升 GNSSIR 海面高度反演精度,本文在常用 SNR 频谱质量控制方法的基础上,提出考虑频谱峰值尖锐程度的质量控制新方法,联合对初始反演结果进行质量控制, 利用质量控制新方法定权与频间偏差改正建立顾及频间偏差二阶动态海面改正模型,实现对初始反演结果的多频多系统数据融合与误差改正。 通过处理美国 SC02 和中国香港 HKQT 两个测站 GNSS 数据, 分析实验结果表明:使用了质量控制新方法可有效控制粗差出现,较未使用前精度普遍提升 1 cm 以上; 使用顾及频间偏差二阶动态海面改正模型对初始反演结果进行处理,反演精度提升 3 cm 以上,在观测环境、数据质量良好的情况下 GNSS-IR 海面高度反演精度可达厘米级,但在风速超过 20 m/s 以上情况下反演结果较差;在较大时间窗条件下,本文所建模型比一阶模型具有更优的动态海面改正效果,反演精度则比未顾及频间偏差模型有明显提升,验证了该模型的可用性。
    Abstract: Objectives: Global Navigation Satellite System Interferometric Reflectometry (GNSS-IR) technique has been proved to be able to monitor sea level. Improving accuracy is the key to GNSS-IR sea level retrieval based on signal-to-noise ratio (SNR) data. Method: This paper proposes a new quality control method considering the sharpness of spectrum peak on the basis of the common SNR spectrum quality control methods, which those methods jointly control the quality of the initial retrievals. Then a second-order dynamic sea surface correction model considering inter-frequency bias is established by combining the new quality control method used for weighting with inter-frequency bias correction, which is realizes multi-frequency multi-system data fusion and error correction of initial retrievals. Results: The GNSS data collected from SC02 in USA and HKQT in China's Hong Kong was processed in the experiment. The accuracy of initial retrievals is generally improved by more than 1 cm after using the new quality control method. The second-order dynamic sea surface correction model considering inter-frequency bias is applied to initial retrievals and improves accuracy by more than 3 cm. When the observation environment and data quality are favorable, the accuracy of GNSS-IR sea level retrieval reach centimeter level, but the retrievals are poor when the wind speed is more than 20 m/s. Under the circumstance of larger time window, the model proposed in this paper has better dynamic sea surface correction effect than the firstorder model, and the retrieval accuracy is significantly improved than the model without taking into account the inter-frequency bias. Conclusion: The new quality control method can effectively control the occurrence of gross errors. The second-order dynamic sea surface correction model considering inter-frequency bias has better correction effect than the conventional first-order model and the model without considering the inter-frequency bias.
  • 目前,北斗导航卫星系统(BDS)已实现局域覆盖,随着系统建设的不断完善和应用的不断拓展,与之相关的各类数据处理软件的开发成为重要的研究内容。因此,自主开发北斗高精度数据处理软件,成为发展高精度位置服务的迫切任务[1-8]。因北斗导航卫星系统与GPS在星座构造、坐标框架、时间系统、信号频率等方面具有明显差异[9-15],现有的高精度GPS数据处理软件无法直接处理北斗数据。本文针对北斗高精度数据处理的系统设计、数据流、功能模块及高精度算法实现等进行了研究,研制开发了一套高精度北斗基线解算软件BGO(BeiDou Navigation Satellite System/Global Positioning System Office),并将其用于高速铁路高精度控制测量建网。通过与商业软件TGO(Trimble Geomatics Office)和TBC(Trimble Business Center),及高精度科研软件Bernese进行对比测试、性能分析,验证了该软件的正确性和有效性。

    北斗和GPS基线解算软件主要包含北斗基线处理、GPS基线处理及联合基线处理3大模块。各模块间相互独立,但使用相同的数据结构,且数据流基本一致。数据处理流程如图 1所示。

    图  1  BGO软件数据流
    Figure  1.  Data Stream of BGO Software

    基线解算之前,需选择有效双频观测数据,具体包含低高度角卫星剔除、观测值粗差剔除、星历未获取观测数据剔除等。剔除质量较差的观测数据可通过可视化的方式实现。通过双频数据组合有效消除电离层延迟影响,伪距消电离组合能算出测站精确至10 m内的概略位置,从而形成网络拓扑图,便于用户查看站点的平面分布。基线解算时,北斗与GPS独立系统数据处理算法相同;联合处理需选择统一的坐标和时间框架,随着多余观测数的增加,还需设置合理的模糊度固定限值。基线解算后,进行网平差,应剔除不合格基线,直至平差结果满足要求。

    高精度基线解算利用双差观测量建立误差方程,北斗双差观测量构造如式(1):

    $$ \mathit{\Delta} \nabla L^{{C_m}{C_n}}_{{S_i}{S_j}} = \left( {L^{{C_n}}_{{S_j}} - L^{{C_n}}_{{S_i}}} \right) - \left( {L^{{C_m}}_{{S_j}} - L^{{C_m}}_{{S_i}}} \right) $$ (1)

    式中,ΔL表示双差观测量;SiSj表示任意站点;CmCn表示任意北斗卫星。

    依据式(1)构建的双差观测量,建立误差方程,如式(2):

    $$ \left[ \begin{array}{l} \mathit{\Delta} \nabla \boldsymbol{\varPhi} \\ \mathit{\Delta} \nabla \boldsymbol{P} \end{array} \right] = \boldsymbol{BX} + \boldsymbol{A}\mathit{\Delta} \nabla \boldsymbol{N} + \boldsymbol{V} $$ (2)

    式中,ΔΦΔP分别表示卫星载波相位和伪距双差观测量;X表示基线向量;ΔN表示双差整周模糊度;BA为系数阵;V为残差向量。

    利用式(2)构建的误差方程,解算基线向量和双差整周模糊度浮点解。利用LAMBAD方法[16, 17]固定双差整周模糊度后去除。再利用载波相位观测值获取高精度基线向量结果。基线解算过程中,主要利用抗差估计的切比雪夫多项式拟合法[18]及MW-GF组合法[19]探测与修复周跳。

    对北斗和GPS双系统基线解算,只需将各系统的双差观测量误差方程叠加后平差计算,即可实现双系统联合基线解算。但需注意,星间差分需选择同一系统卫星,否则会引入系统间信号硬件延迟[20],影响双差整周模糊度的固定。另外,北斗和GPS在时间框架、坐标框架等存在一定差异,双系统联合解算需保证框架的统一。

    北斗和GPS时间转换公式如式(3):

    $$ {t_C} = {t_G}-14\;{\rm{s}} $$ (3)

    式中,tCtG分别表示北斗时和GPS时,两者均为原子时,起算原点不同[13]

    北斗和GPS坐标转换公式如式(4):

    $$ \begin{array}{c} \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{X_C}}\\ {{Y_C}}\\ {{Z_C}} \end{array}} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{X_G}}\\ {{Y_G}}\\ {{Z_G}} \end{array}} \right] + \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{T_X}}\\ {{T_Y}}\\ {{T_Z}} \end{array}} \right] + \\ \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} D&{ - {R_Z}}&{{R_Y}}\\ {{R_Z}}&D&{ - {R_X}}\\ { - {R_Y}}&{{R_X}}&D \end{array}} \right]\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{X_G}}\\ {{Y_G}}\\ {{Z_G}} \end{array}} \right] \end{array} $$ (4)

    式中,北斗坐标(XCYCZC)与GPS坐标(XGYGZG)可通过七参数TXTYTZDRXRYRZ进行转换。北斗CGCS2000坐标系采用ITRF97框架2000历元的坐标和速度场,当前GPS WGS84坐标和ITRF08基本一致。因此,可利用ITRF97框架2000历元与ITRF08间转换的七参数(ITRF网站公布)实现北斗与GPS坐标框架的统一[11, 12]

    处理高速铁路CPI控制网时,通过读取观测文件和星历文件,单点定位生成控制网的基线网络拓扑图,如图 2所示。基线解算前,设置相关参数包括卫星截止高度角、误差限差参数、框架、对流层模型、电离层模型、模糊度Ratio值、同步最小观测历元数等。设置完成后,可选择北斗、GPS、联合3种模式进行基线解算。基线解算完成后,软件界面中将显示解算的基线分量及其精度,并可显示残差向量检核基线解算效果。

    图  2  BGO软件主界面
    Figure  2.  Software View of BGO

    为了测试BGO解算GPS基线的正确性,将其与TGO和Bernese软件处理结果进行了比较,得到57条GPS基线(基线最长6 667 m,最短446 m)的比较结果,如图 3所示。

    图  3  BGO、TGO、Bernese软件处理GPS基线分量比较
    Figure  3.  Comparing GPS Baseline Components from BGO, TGO and Bernese Software

    图 3(a)3(b)分别表示BGO软件与TGO、Bernese软件处理GPS基线分量的差值ΔX、ΔY、ΔZ图 3(a)中,BGO和TGO有52条基线在XYZ方向的分量差值均在2 cm内,有48条基线各分量差值在mm级。TGO解算少量基线验后方差分量超限,与BGO基线分量差值较大。图 3(b)中,BGO和Bernese有55条基线在XYZ方向的分量差值均在2 cm内,有49条基线各分量差值在mm级。

    图 4(a)~4(c)分别表示BGO、TGO、Bernese软件处理GPS基线的内符合精度σXσYσZ(BGO、TGO、Bernese软件基线解算精度分别精确至0.1 mm、1 mm和0.1 mm)。整体上,约90%的基线3个软件的解算精度相当。

    图  4  BGO、TGO、Bernese的GPS基线内符合精度比较
    Figure  4.  Comparing GPS Baseline Precision from BGO, TGO and Bernese Software

    为了测试BGO解算北斗与GPS联合基线的性能,本文选用美国Trimble的商业软件TBC与之进行比较。同上57条基线,每条基线观测数据均包含北斗与GPS观测数据。图 5展示了BGO和TBC处理北斗与GPS联合基线分量的差值ΔX、ΔY、ΔZ图 5可见,98%的基线分量差值分布在mm级,表明BGO软件处理联合基线能达到与TBC软件相当的水平。另外,两者内符合精度绝大部分均在mm级,故图 5中未加以比较。

    图  5  BGO与TBC软件处理北斗与GPS联合基线分量比较
    Figure  5.  Comparing BDS and GPS Combined Baseline Components from BGO and TBC Software

    由此可知,BGO软件处理GPS基线、北斗与GPS联合基线的内外符合精度能达到TGO、Bernese、TBC相当的水平。因此,以BGO软件处理GPS、北斗与GPS联合基线结果为参考值,分析该软件处理北斗基线结果的正确性和可靠性,如图 6图 7所示。图 6比较了北斗与GPS、联合基线分量的差值,图 7比较了北斗、GPS、联合基线解算的内符合精度。

    图  6  BGO软件处理北斗与GPS、联合基线分量比较
    Figure  6.  Comparing BDS, GPS and BDS/GPS Combined Baseline Components from BGO Software
    图  7  北斗、GPS、联合基线解的内符合精度统计
    Figure  7.  The Statistics of Precision of BDS, GPS and BDS/GPS Combined Baseline Solutions

    图 6(a)表示BGO软件处理北斗与GPS基线分量的差值ΔXΔYΔZ,其中有43条基线在XYZ方向上的分量差值ΔxΔyΔz在2 cm内,有31条基线在XYZ方向上的分量差值在mm级。图 6(b)表示BGO软件处理北斗与联合基线分量的差值,其中有54条基线在XYZ方向上的分量差值在2 cm内,有38条基线在XYZ方向上的分量差值在mm级(图 6中第6条基线北斗为浮点解,各分量差值结果较大,图中置为0)。

    图 7中,93%的联合基线在XYZ方向上的分量精度分别优于0.5 mm、1 mm、0.5 mm;约90%的北斗基线和95%的GPS基线在XYZ方向上的分量精度分别优于1 mm、2 mm、1 mm。由北斗、GPS、联合基线3者精度比较可知,在北斗试运行阶段,GPS基线内符合精度略优于北斗,北斗与GPS联合系统基线内符合精度明显高于独立系统。

    BGO具备网平差功能,根据网平差后的基线分量改正数、相对中误差、点位精度等判断基线解算结果的可靠性。对上述解算的北斗、GPS、联合基线分别进行无约束网平差。

    北斗、GPS、联合基线无约束网平差的平差改正数δXδYδZ绝大部分在±1 cm内,如图 8(a)~8(c)所示。最弱边相对中误差优于5.5 ppm(规范限值),具体见表 1。据图 8表 1及《高速铁路工程测量规范》[21]可知,BGO能合理稳定地解算北斗、GPS及联合基线,解算结果中的基线向量改正数、最弱边相对中误差、最弱点点位精度均满足CPI控制测量要求,各系统解算均能精确获得24个CPI控制点坐标。

    图  8  GPS、北斗、联合无约束网平差基线向量改正数
    Figure  8.  Baseline Vector Corrections from GPS, BDS and BDS/GPS Combined Unconstrained Adjustment
    表  1  GPS、北斗、联合无约束平差结果统计
    Table  1.  The Statistics of GPS, BDS and BDS/GPS Combined Unconstrained Adjustment Results
    解算模式 独立基线 多余观测数 控制点个数 最弱边相对中误差/ppm 最弱点点位精度/mm
    GPS 55 66 24 3.6 23.6
    北斗 51 57 24 3.1 26.9
    联合 57 72 24 3.7 17.9
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    本文系统地研究了北斗与GPS联合基线解算的算法,自主开发了北斗高精度基线解算软件BGO。通过实测高铁CPI控制网的数据处理测试表明:软件能进行高精度地处理北斗与GPS数据, 以及北斗与GPS联合数据处理;GPS基线解算性能与天宝TGO软件相当,能达到与Bernese软件一致的精度;北斗与GPS基线处理能达到与TBC相当的水平。BGO最大的优势在于能对北斗和GPS进行联合解算,从而提高北斗或GPS单系统的基线解算合格率和精度。经高速铁路CPI控制网实例测试,证明该软件处理基线结果可用于高精度北斗和GPS测量控制网的数据处理。

  • 期刊类型引用(6)

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  • 收稿日期:  2024-05-19
  • 网络出版日期:  2024-06-23

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