常用坐标系间GNSS基线向量误差转换方法研究

在GNSS控制网平差中,需将GNSS基线向量误差在不同坐标系间转换。以足够的精度推导了GNSS基线向量误差从空间直角坐标系到大地坐标系、再到高斯平面直角坐标系的严密转换公式。鉴于严密转换过程分两步进行且转换矩阵复杂,从转换过程中的全微分公式入手,将大地坐标系中的误差单位统一用长度表示,推导了基线向量误差从空间直角坐标系到大地坐标系的转换公式。在此基础上,也研究了GNSS基线向量误差从空间直角坐标系到站心直角坐标系的转换。理论和算例证明,严密公式是正确的,而后两种简化公式亦可代替严密公式,且形式更为简单。

浅析对流层对GNSS基线解算的影响

对流层是影响GNSS信号传播的主要因素之一。利用中国境内及周边IGS站URUMLHAZ(乌鲁木齐-拉萨)、BJFS-PIMO(北京房山-菲律宾)的南北基线和URUM-BJFS(乌鲁木齐-北京房山)、BJFS-DAEJ(北京房山-韩国)的东西基线数据,分别计算其对流层改正前后基线长,总结改正前后基线变化规律,分析对流层改正时影响基线长波动的因素,对探究对流层对基线影响及改进GNSS定位精度具参考意义。

GNSS基线向量与点位协方差传播方法的等价性

在GNSS控制网平差和点位测量中,需将GNSS基线向量协方差和点位协方差在不同坐标系间进行传播。推导了GNSS基线向量协方差从高斯平面直角坐标系到大地坐标系、再到空间直角坐标系的严密和简化传播公式,研究了GNSS基线向量协方差和点位协方差传播的等价性和统一性。理论和算例证明,推导的传播公式是正确的,可用点位协方差传播公式代替复杂的基线向量协方差传播公式,基线向量协方差和点位协方差在空间直角坐标系与高斯平面直角坐标系间的传播,都可统一到形式简单的空间直角坐标系与站心直角坐标系间的传播。

垂线站心坐标系中基于GNSS基线向量的高差计算

利用GNSS平差后的基线向量求解工程面内垂线站心直角坐标系中不同控制点之间的高差,按照距离定权的方式内插计算未知点的最终高程。当传统的高程测量方法难以实施时,该方法具有实际意义。

顾及粗差和不合理方差—协方差阵的改进GNSS基线网平差算法

GNSS基线网平差的函数模型和随机模型分别是基于基线向量及其方差—协方差阵构造。然而由于种种因素,经基线解算后获得的基线向量中往往含有粗差,且获得的方差—协方差阵难以精确反映基线的精度信息。含粗差的基线向量以及不合理的方差—协方差阵势必会导致函数模型和随机模型的偏差,严重影响网平差的参数估计。本文综合考虑粗差以及不合适的方差—协方差,提出一种改进网平差算法,该算法可有效削弱粗差对参数估值的污染且能够正确恢复出基线向量的精度,平差后点位坐标精度相比传统算法有明显提升。

沿海验潮站GNSS观测网BDS与GPS基线处理精度分析

为了评估北斗卫星导航系统(BDS)用于验潮站沉降监测的可靠性和精度,该文利用北海区沿海8个验潮站2022年全年的GPS和BDS观测数据,从基线解标准均方根误差、基线重复性和GPS与BDS基线互差等方面对GPS和BDS解算结果进行对比分析。结果表明,BDS基线解的NRMS值在0.17~0.25之间,GPS基线解的NRMS值在0.18~0.23之间,二者基线解的NRMS值基本相当;GPS基线解的长度和各分量基线重复率平均值要小于BDS,从GNSS网固定误差和比例误差看,GPS和BDS的基线长度重复性精度达到10^(-9)~10^(-8)量级,基线东西和南北分量重复性达到10^(-9)量级,基线垂直分量重复性精度达到10^(-7)~10^(-8)量级。在GPS和BDS基线结果互差方面,GPS解算得到的基线长度均要大于BDS,二者平均差值为10.7 mm;东西分量差值最小,其次是南北分量,垂直分量差异最大,南北分量、东西分量和垂直分量差值平均值分别为-8.5 mm、-3.7 mm和10.6 mm。南北分量、东西分量、垂直分量和基线长度差值平均值最大值分别为23.6 mm、20.9 mm、30.4 mm和22.1 mm。总体而言,BDS基线与GPS基线结果存在一定的差异,但差值不大,相对于基线长度而言,二者差值在10^(-8)量级,均能够满足长序列高精度数据要求,可用于验潮站沉降监测的需要。

利用GNSS基线分析芦山Ms7.0级地震前后应变演变特征

利用中国地壳运动观测网络6个GNSS基准站2011~2014年的观测数据,解算了芦山Ms7.0级地震近场区域的GNSS基线长度变化时间序列。从投影后的平面基线出发,给出了由基线长度变化求解面应变的方法。利用基线线应变、基线所得的最大剪应变、最大面应变和第一、第二剪应变等5个物理量分析了地震前后地壳运动的动态演变过程。线应变序列结果显示,整体地壳形变表现为NW-SE向挤压,S-N向拉张状态,震前线应变异常并不明显,震后经过调整又恢复为原线性变化趋势,总的线应变仍在持续积累。面应变序列结果显示,震前出现了不同程度的非正常偏离,尤其出现了明显的闭锁状态和反向加速过程,整个变化曲线类似抛物线的弧形,与岩石力学形变理论相吻合。由第一剪应变的显著异常变化,推断发震断层南缘在这次地震活动中产生了强大的左旋剪切构造力。

附加垂线偏差参数的地面常规网与GNSS基线网联合平差

根据测站的垂线站心坐标系和法线站心坐标系之间的转换公式,将垂线偏差作为未知参数,列出地面常规网观测量(水平方向、垂直角和边长)在空间直角坐标系中的观测方程,并结合GNSS网的观测方程,推导出附加垂线偏差的GNSS网和地面网联合平差的参数估计及其精度评定公式。利用含有GNSS观测量和地面常规网观测量的实例数据解算出垂线偏差,分析了垂线偏差对平差结果的影响。结果表明,将垂线偏差作为未知参数,能够消除垂线偏差对观测值的影响,显著提高未知点坐标的解算精度及可靠性。

大规模GNSS基线向量网抗差并行贝叶斯估计

针对大规模GNSS(global navigation satellite system)基线向量网平差的特点,在IGGⅢ方案的基础上,基于不同降权效率的双因子等价权的改进模型,比较了并行编程方法及环境的适应性,提出了基于多任务划分与处理的并行计算流程,实现了相关观测抗差贝叶斯估计的并行计算。实验采用IGS全网的数据,结果表明,相关抗差并行贝叶斯估计不仅能够充分利用坐标参数的先验信息,有效抵制基线向量异常误差的影响,而且能够充分利用已有的硬件平台,显著提高抗差计算效率。

一种无须变换参考星的GNSS单基线卡尔曼滤波算法

处理单基线全球导航卫星系统观测数据可获取位置、时间、大气延迟等信息,其应用包括相对定位、时频传递等。为实现实时性,常采用卡尔曼滤波递归地估计各类参数;为确保可靠性,还需形成一组独立的双差模糊度,并将其正确地固定为整数。实践中,滤波函数模型较常采用双差观测方程(即双差滤波模型)。若在当前历元原先的参考星不再可视时,双差滤波模型则需要定义新的参考星,并"映射"双差模糊度预报值以确保滤波连续。此外,双差滤波模型所计算的接收机相位钟差估值吸收了对应于参考星的站间单差模糊度,因此当参考星变换后可能会发生"整周跳跃"。在仍将双差模糊度作为一类可估参数的前提下,本文推导出以站间单差观测方程为滤波函数模型的算法(单差滤波模型),并证明了其与双差滤波模型具备理论上的等价性和实施上的差异性。与双差滤波模型相比,单差滤波模型不再需要"映射"双差模糊度预报值等运算,从而具备了更高的计算效率和灵活性;单差滤波模型所提供的接收机相位钟差估值也不受"整周跳跃"的影响,因此特别有利于频率传递应用。

LG08.4软件下基线数据处理精度优化与分析

针对工程测量中GNSS高精度数据处理需要,徕卡公司发布了LG0 8.4软件,不仅能够使用GPS/Glonass/Galileo/BDS四星系统观测数据,而且能够便捷的处理多种数据,具有精度高、速度快等特点。本文基于工程实例,在LG08.4中解算基线,通过简单设置后查看有关基线处理报告和平差报告,分析基线质量,再到软件中进行相关设置,演示提高基线处理质量的原理和方法。结果表明,简单快捷设置后,基线解算质量显著提高,能满足工程测量实际需求。

基于GNSS长基线的区域监测基准网设计

目前各水电站的外部变形基准网主要是采用常规大地测量法来建立,为此,需要有相对稳定的监测对象或目标作为工作基点,通常都是选择地质条件较好的基岩或者在基准点处加装倒垂装置,但对于某些变形区域较大的高坝、大库或者地震较频繁的区域该方法则存在一定的局限性。结合西南溪洛渡大型水电工程,讨论了现有常规基准网的缺陷,提出了一套基于GNSS长基线的大区域监测基准网设计思路,并探讨了基于GNSS长基线的基准点稳定性校核方法的适用情况。

GAMIT软件基线解算模式的对比研究

在使用GAMIT软件进行基线解算时,可使用两种不同高精度的基线解算模式,即BASELINE模式以及RELAX.模式。为了研究这两种基线解算模式对不同基线长度解算结果的差异,并确定其适用范围,分别应用BASELINE模式和RELAX.模式对基线进行解算,并对两种模式的NRMS值、基线重复性、三维基线向量改正数以及点位精度等指标进行对比分析。实验表明,基线长度在1 000 km以内时,两种解算模式的解算效果相当;当基线长度大于1 000 km时,BASELINE模式的基线解算效果要优于RELAX.模式。

2021年漾濞6.4级地震前地壳形变分析

利用2019-05-20~2021-05-20云南及周边54个GNSS基准站观测数据,基于最小二乘配置法求取云南地区速度场、应变场,并结合2021-05-21漾濞6.4级地震近场、远场区域的GNSS基线长度时间序列,分析地震前地壳形变特征。结果表明,震前云南西边界SSW方向运动增强,沿怒江断裂带呈发散性运动状态,震中附近的近场速度值变化不大,区域速度场异常变化不明显;震前研究区整体面膨胀率值下降至原来的0.37倍左右,同时最大剪应变率、主应变率也急剧下降,说明震前区域地壳应变积累明显减弱,而震中位于张、压交替的零值线上。GNSS基线长度时间序列结果显示,震前地震近场区域的GNSS基线异常变化不明显,而远场区域的GNSS基线出现偏离长期背景的趋势异常变化,基线KMIN-YNYM在趋势压缩背景下反向加速拉张,背离趋势运动8.4 mm,基线YNLP-KMIN在趋势压缩背景下加速压缩,背离趋势运动6.4 mm,基线YNLP-YNDZ在趋势变形较平稳的背景下加速压缩,背离趋势运动8.1 mm,基线YNSM-YNLP在趋势拉张背景下加速拉张,背离趋势运动7.8 mm,可判断震前区域应力平衡状态被打破,诱发了地震。

GNSS长度测量不确定性试验分析

针对GNSS定位结果总是存在点位误差,由此导出的长度测量值为点位误差的非线性映射,对于长距离定位量测,其非线性影响较小,线性化近似一般可以满足精度要求,但对于短距离量测,其非线性影响不容忽略的问题。该文探讨了GNSS长度测量不确定性来源,通过单点定位和差分定位试验验证了长度测量不确定性与定位精度、点间距离的关系,测试不同偏差和方差估计公式的适用性。试验表明,对于GNSS高精度、长基线测量,其长度统计偏差可以忽略,且方差为基线向量的方向方差;现有不确定性评估公式在超短基线情形适用性会变差,在这种情形下,试验表明二阶偏差和方差估计更为精确。通过消除长度统计偏差得到无偏估计量,可以有效提高距离量测的可靠性,为提高用户距离量测精度提供有益帮助。

天津地区的水平形变特征

根据天津及周边地区GNSS连续观测站资料,在计算得到各站三维站坐标时间序列结果的基础上,文章分析了天津地区GNSS基线时间序列的变化情况和水平形变变化特征。结果显示,天津地区总体呈现压扭变化,不同地段存在差异。天津地区NE-SW向和NW-SE向GNSS基线的伸长和缩短变化呈北西向条带状相间分布。日本3·11地震使天津地壳出现近东西向拉张为主的活动,一定程度上释放消减了天津地区的挤压应变。

汶川地震孕育过程中变形场变化特征研究

揭示与地震孕育过程相关的变形场特征是判别地震孕育阶段及地震危险性的一个重要途径。收集汶川Ms 8.0地震震中区汶川台自2002年10月至汶川地震前的地倾斜观测数据,利用小波分析方法和分段拟合方法,提取了震前地倾斜变化的阶段性特征;利用2001年以来全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)站坐标日解数据,计算了震中附近的泸州GNSS站与周围GNSS站间基线,通过基线变化与区域地震的Benioff蠕变结果的对比,发现了二者的协同性特征。分析结果表明,2004年底汶川台地倾斜速率出现显著下降,西向倾斜速率由230 ms/a减少到130 ms/a;2007年初至发震前减少到60 ms/a;2007年底至发震前未出现指数型加速变化。广州-泸州GNSS基线在2005年初开始的加速缩短异常与Benioff蠕变亏损异常具有较高的相关性,相关系数为0.89;该基线加速缩短持续时间约2.5 a,对应地震的震级估计为7.9级,与汶川地震震级相当,反映了其与汶川地震的应变积累具有一定的相关性。2004年苏门答腊Ms 8.9地震的发生对川滇地区应力应变场影响较为显著,对汶川地震的孕育发生起到了加速作用。研究结果对于认识地壳形变观测的意义及创新地震预测思路具有参考价值。