不同星历产品对高速铁路框架控制网解算精度的影响

牟春霖

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300142)

随着我国高速铁路的快速发展，对框架控制网(CP0)平面坐标精度的要求越来越高。框架控制网(CP0)[1]是高速铁路平面GPS控制测量二维约束平差的关键，直接影响着基础平面控制网(CPI)、线路平面控制网(CPⅡ)及轨道控制网(CPⅢ)平面坐标的解算精度。目前，国际公认的GPS基线解算软件主要有：美国麻省理工学院(MIT)和斯克里普斯海洋研究所(SIO)联合开发的GAMIT/GLOBK、瑞士伯尔尼大学天文研究所研制的Bernese以及德国的EPOS等[2]。其中，GAMIT/GLOBK[3-8]不但精度高而且开放源代码，使用者可以根据需要进行源程序的修改，依据不同的需要建立适合科研及生产的数学模型[9]，适用于中长距离的GPS定位数据处理，在地壳变形、高精度测量数据处理等众多领域得到非常广泛的应用。

现阶段，对于框架控制网解算结果的精度及时效性要求越来越高，国际GNSS服务组织(IGS)可提供三种精密星历产品[10，11]：最终产品(IGF)、快速产品(IGR)及超快速产品(IGU)，其中，IGF产品精度最高，但其时延为12～18 d，时效性差，很难满足高速铁路框架控制网对于时效性的要求，IGR及IGU产品精度比IGF产品略低，但其时间延迟大大降低(IGU更能达到实时)，满足高速铁路框架控制网对于时效性的要求。以某高速铁路框架控制网(CP0)的观测数据为例，利用GAMIT/GLOBK软件对基于不同星历产品(IGR和IGU)的基线进行解算，并利用TGPPS软件进行二维约束平差，将基线解算及网平差结果与IGS最终星历产品(IGF)的解算结果进行比较和分析，对IGR和IGU产品在基线解算及网平差中的应用进行探讨。

1 IGS三种精密星历产品精度及时效性分析

采用GAMIT/GLOBK进行基线解算时，需要准备多个文件，如观测文件、精密轨道文件(即精密星历文件)、广播星历文件，以及章动、极移表、太阳、月球星历、跳秒等[12]。其中，影响GAMIT/GLOBK基线解算精度最重要的文件之一为精密星历文件[13，14]。为了满足不同用户的需要，国际GNSS服务组织(IGS)提供了三种精密星历产品[10，11]，包括最终产品(IGF)、快速产品(IGR)及超快速产品(IGU)，其相关参数如表1所示。

表1 三种精密星历产品相关参数

从表1可以看出，三种精密星历产品在采样间隔上并无差别，从精度及时效性来看，最终产品(IGF)的精度虽然最高，但时间延迟为12～18 d，每周只更新一次，时效性较差；IGR产品精度与IGF相当，但时间延迟大大降低，且产品每天更新一次；IGU产品分为实测部分和预报部分，两者与IGF产品相比，精度稍差。有研究表明，精度最差的IGU预报部分5 cm的轨道误差对于100 km的基线在最不利情况下的影响也不会超过0.1 mm[13]，此产品时间延迟大大降低，每天更新4次，时效性好，其预报部分可达到实时的目的。

综上所述，IGF产品虽然轨道精度最高，但时延较长，很难满足目前高速铁路框架控制网对于时效性的要求，而IGR及IGU产品与IGF产品相比，轨道精度相当或略有降低，但时间延迟大大降低，在获取观测数据后，可以利用GAMIT/GLOBK快速获得基线解算结果，能够满足高速铁路框架控制网对于时效性的要求。

2 基线解算

采用GAMIT/GLOBK批处理模式进行基线解算，解算步骤如下[15]。

①建立工程目录，最好以4个英文字符命名。

②在工程目录下建立以年积日命名的文件夹(如234)、rinex文件夹(用于存放观测数据文件)、igs文件夹(用于存放sp3，即精密星历文件)、brdc文件(用于存放广播星历文件)。

③输入sh_setup命令，将GAMIT/GLOBK安装目录下的tables文件夹链接到工程目录下。tables文件夹包括：soltab太阳星历表、luntab月球星历表、pole.极移表、潮汐表、周跳表、卫星天线及相位中心偏移参数、卫星编号及卫星状况表、接收机天线类型表、数据解算参数设置文件等。

④对tables文件夹中的参数文件进行设置，设置基线解算的开始时间、采样间隔、参与计算的历元数、参与计算的测站等。

⑤输入sh_gamit命令进行基线批处理解算，得到基线解算结果。

⑥批处理完成后，查看基线解算结果，利用GAMIT/GLOBK或其它网平差软件进行网平差处理。

某高速铁路框架控制网(CP0)的数据包括7个测站(测站名分别为GPS01、GPS02、GPS03、GPS04、GPS05、GPS06及GPS07)，采用的技术指标为：①观测卫星数≥4颗；②卫星截止高度角为15°；③数据采样间隔为30 s；④数据采样方式为L1+L2。测站分布如图1所示。其中，距离最长的基线为GPS01-GPS07，长度为188 526.778 m，距离最短的基线为GPS06-GPS07，长度为27 400.145 m。

图1 某高速城际铁路框架控制网(CP0)

借助GAMIT/GLOBK基线解算模块，基于上述框架控制网(CP0)数据，利用IGR及IGU星历产品分别对此框架控制网的基线进行解算，将解算结果与IGF星历产品解算的基线结果进行对比，以IGF产品解算的基线为真值，对两种产品(IGR及IGU)解算的基线坐标分量(X，Y，Z)及基线长度(L)进行误差统计，如图2及表2、表3所示。

图2 不同星历产品基线解算结果误差

基线长度/mIGR-IGF/mmΔXΔYΔZΔLGPS01-GPS0248703.5975.7-5.7-4.5-2.2GPS01-GPS06173428.4877.8-9.0-6.9-2.4GPS01-GPS04114439.6206.8-5.8-4.0-3.2GPS01-GPS0385930.4217.4-6.3-3.9-3.7GPS01-GPS05144690.1516.0-5.3-4.5-2.6GPS01-GPS07188526.7928.0-7.0-5.2-3.8GPS02-GPS06126547.5812.1-3.2-2.3-0.2GPS02-GPS0465746.6091.1-0.10.5-1.1GPS02-GPS0338503.6011.7-0.50.5-1.6GPS02-GPS0597609.1780.30.40.0-0.4GPS02-GPS07140199.7262.5-1.2-0.7-1.6GPS06-GPS0468511.456-1.03.22.90.5GPS06-GPS0399203.280-0.42.72.90.7GPS06-GPS0528946.984-1.83.72.30.3GPS06-GPS0727400.1430.42.01.6-1.0GPS04-GPS0331591.1150.6-0.40.00.3GPS04-GPS0541933.092-0.80.5-0.6-0.1GPS04-GPS0776204.3961.4-1.1-1.2-0.7GPS03-GPS0571257.099-1.30.9-0.60.3GPS03-GPS07107728.0050.8-0.7-1.3-0.3GPS05-GPS0747127.0712.2-1.7-0.6-1.3

表3 IGU星历产品基线解算结果误差

从图2及表2、表3误差统计的结果可以看出，基于IGR及IGU星历产品解算的基线，X分量精度均优于8 mm，Y分量精度均优于9 mm，Z分量精度均优于7 mm，基线长度误差均小于4 mm，IGU星历产品解算的基线误差略大于IGR产品。

综上所述，IGR及IGU产品基线解算结果与IGF解算结果精度相当，两者均能满足高速铁路框架控制网对于基线解算精度的要求，而IGU产品的时间延迟更短，更能满足高速铁路框架控制网对于时效性的要求。

从图2及表2、表3可以看出，随着基线长度的增加，基于IGU解算的基线各分量误差逐渐增大，但从整体结果来看，各坐标分量精度均优于10 mm，基线长度精度均优于4 mm。上述结果表明，基于IGU产品解算的基线能够满足目前高速铁路框架控制网的精度要求。

3 二维约束平差

为了进一步分析IGR及IGU产品对高速铁路框架控制网平面坐标解算结果精度的影响，利用GPS网平差软件—TGPPS对基线数据进行二维约束平差，得到各个站点的平面坐标(x，y)，并将两套(IGR和IGU)平面坐标与IGF解算的坐标(网平差后)进行误差统计。

利用GPS01、GPS03和GPS06三个已知点作为起算点，对IGF、IGR及IGU解算的基线数据进行二维约束平差，得到其余4个站点(GPS02、GPS04、GPS05及GPS07)的平面坐标(x，y)。对三种精密星历产品(IGF、IGR及IGU)解算的基线进行二维约束平差及技术指标的统计，如表4所示(表中的限差根据现行高速铁路测量规范确定)。

表4 三种精密星历解算的基线进行网平差后技术指标统计

从表4可以看出，利用三种精密星历(IGF、IGR及IGU)解算的基线进行二维约束平差后，各项技术指标均符合高速铁路测量规范所规定的限差。

三种星历(IGF、IGR、IGU)基线解算及网平差后的控制点点位精度统计如表5所示。

从表5可以看出，基线解算及网平差后，IGF产品各控制点x方向中误差最大值为0.9 mm，y方向中误差最大值为2.0 mm，所有控制点的点位中误差均在2.2 mm以内； IGR产品各控制点x方向中误差最大值为1.0 mm，y方向中误差最大值为2.0 mm，所有控制点的点位中误差均在2.2 mm以内； IGU产品各控制点x方向中误差最大值为1.0 mm，y方向中误差最大值为2.0 mm，所有控制点的点位中误差均在2.2 mm以内。由此可以看出，基线解算及网平差后，三种星历产品的点位精度均较高，证明三种产品约束平差的效果较好。

表5 各控制点点位精度统计 mm

然后，将IGR及IGU星历解算结果与IGF解算结果进行对比(以IGF为真值)，得到各个站点的平面坐标误差，如图3及表6所示。

图3 各站点平面坐标分量误差

表6 各站点平面坐标分量误差统计 mm

从图3及表6各站点平面坐标分量误差统计结果可以看出，IGR及IGU产品解算结果x分量精度均优于1.5 mm，y分量精度均优于3 mm，IGU产品解算结果误差略大于IGR，但平面误差均为mm级，可满足高速铁路框架控制网对于精度的要求。

4 结论

借助GAMIT/GLOBK基线解算模块，基于某高速铁路框架控制网(CP0)数据，利用IGR及IGU星历产品分别对此框架控制网的基线进行解算，将解算结果与IGF星历产品基线解算的结果进行对比。结果表明，IGR及IGU产品基线解算结果与IGF解算结果精度相当，两者均能满足高速铁路框架控制网对于基线精度的要求；为了进一步分析IGR及IGU产品对高速铁路框架控制网平面坐标解算结果精度的影响，对IGR及IGU产品解算的基线进行二维约束平差，得到各个站点的平面坐标，并将两套(IGR和IGU)平面坐标与IGF坐标结果进行对比。结果表明，IGR及IGU产品x分量精度均优于1.5 mm，y分量精度均优于3 mm，IGU误差略大于IGR，但平面误差均为mm级，可满足高速铁路框架控制网的精度要求，并且IGU星历产品比IGR时延更短，更能满足高速铁路框架控制网对于时效性的要求。

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