精密星历与广播星历下C级GPS网解算精度分析

徐东彪,刘豪杰,范朋飞,刘朋俊,姚家俊

(1.黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州450003;2.中国铁路设计集团有限公司,天津300251)

0 引 言

全球定位系统(GPS)星历文件按照精度可分为精密星历、快速星历和广播星历．通常广播星历的获取可以直接通过GPS接收机接收卫星的导航电文经过解码获得卫星星历,而精密星历则是国际GNSS服务机构(IGS)提供,它们在获取方式,更新率,精度及时延方面有所不同,具体情况如表1所示．

表1 GPS星历参数表

目前工程中多采用广播星历进行D、E级网短基线数据处理．在不考虑客观因素对基线解算精度影响的前提下,采用广播星历进行中长基线计算引起的误差远大于采用精密星历的误差[1-2],对于高等级高精度的GPS控制网而言,采用广播星历引起的轨道误差不容忽视．运用GAMIT/GLOBK进行软件解算数据结构复杂,准备文件繁多,工程勘测单位往往不具备这样的条件,然而精密星历是根据GPS跟踪网的观测数据进行拟合得到的,通常两周之后才在IGS网站上下载到,工程建设中这是严重制约条件,虽然目前IGS提供的快速星历在一般情况下也能代替精密星历进行解算[3],但就工程勘测单位来说,下载数据和预处理等步骤还是会给项目带来不必要的麻烦.因此，加载广播星历进行高等级高精度GPS控制网数据处理精度是否可靠成为需要探讨的问题．

1 TBC加载精密星历与广播星历数据处理

通常TBC加载精密星历文件处理GPS数据时, 要先在IGS服务中心下载所需要的精密星历文件(*.sp3)并做数据预处理,在导入野外测站数据的同时可将精密星历文件导入工程,在具体解算基线时将设置改为广播星历或者精密星历进行数据处理[4-6],具体流程如图1 所示．

图1 TBC加载精密星历文件与广播星历文件处理流程图

2 GAMIT+COSAGPS数据处理

2.1 GAMIT 基线解算

GAMIT软件是由美国麻省理学院(MIT)和斯克利普斯海洋研究所(SIO)联合开发的用于定位和定轨的GPS数据分析软件包.从1987年起,软件正式移植到了Unix的平台下进行数据处理,目前在Unix/Linux操作系统下均可进行高精度GPS数据处理分析[7]．GAMIT软件在利用精密星历和高精度起算点的情况下,连续时段静态定位和长基线处理解算相对精度能够达到10-8～10-9左右,解算短基线的精度可以达到1 mm精度,在大地测量领域应用广泛．该软件不仅精度高,功能强大,并且科研单位可以免费申请获取软件,软件更大的特点是开放源代码,对于大部分科研工作者来说可以自行根据需要修改源程序,进行人工干预进行数据处理,在科学研究中应用广泛．

GAMIT软件是由许多功能不同的模块组成,这些模块可以单独运行:

1)ARC(轨道积分);

2)MODEL(求偏导数,生成观测方程);

3)SINCLN(单差自动修复周跳);

4)DBLCLN(双差自动修复周跳);

5)CVIEW(人工交互式修复周跳);

6)CFMRG(为SOLVE创建一个M文件,定义和选择有关参数);

7)SOLVE(利用双差观测值进行最小二乘法求解参数);

8)辅助模块等．

GAMIT基于最小二乘算法,考虑了潮汐、大气、章动极移等多项改正,并将测站的相对位置、轨道和地球自转参数以及天顶对流层延迟等诸多参数一起反复迭代平差估计,因而可以获得高精度的基线解算结果[7-14]．

2.2 COSAGPS平差处理

COSAGPS是武汉大学自主研制的GPS数据平差软件,操作简便易学,在同步环闭合差,异步环闭合差以及重复基线限差分析方面具有无可比拟的优势．

3 工程实例

为了满足治黄需要,在国家GPS控制网的基础上,对黄河托克托以下河段平面控制基础进行加强与完善,为该重点区域的各项治黄工作提供系统统一、精度可靠、使用方便的平面控制基准,建立黄河托克托以下重点区域GPS控制网,使该区域的平面控制基准统一至2000国家大地坐标系,更好地使现行坐标系与历史测绘成果进行联系对接,为本区域内治黄工作提供支撑．本区域内的规划、设计、防洪减灾、工程建设、科学研究、淤积测验、水土保持、信息化建设、决策管理等工作,都需要系统统一和高精度的平面基准框架的支撑．

项目采用分级布网模式,首先B级控制网利用国家B级观测墩73座,埋设B级观测墩83座．控制点编号自北向南、自西向东依次为2001～2156．C级控制网利用国家B级观测墩23座,陕西省C级点38座,山西省C级点13座,河南省C级点17座,山东省C级点33座,黄河干流禹门口以下GPS网点31座,古贤C 级点32座,水准点21座,水利枢纽施工控制网点10座,共利用老点218座,新埋设C级点202座．C级网采用同步环边连接静态相对定位作业模式．C级网自北向南、自西向东共布设主点210点,联测B级网点26点,与210个C级网主点布设成大地四边形或三角形网．

本文研究采用黄河山东入海口河段控制网数据进行计算分析,控制网布设网形图如图2所示.

由图2可以看出本测段中含有23个GPS测站点,其中包含3座B级GPS起算点(同时期观测解算)以及20座C级GPS点,最短基线边长约5 km,最长基线边长约44 km,平均边长约20 km．由于IGS基准站选取的点位分布的差异,数量及观测时间等的不同都将会产生不同的影响[14],因此根据我国GPS连续运行站分布,下载覆盖项目区域所需的IGS连续运行观测站精密星历数据进行后期数据处理．

图2 黄河托克托以下重点区域C级GPS控制网某测段点位分布图(黄河入海口段)

分别利用GAMIT数据处理软件和TBC 2.8软件进行基线数据处理,在进行TBC基线解算时分别采用精密星历和广播星历解算,将各软件不同模式下解算基线结果进行比对分析(随机抽取78条基线),统计结果如表2所示．

表2 不同软件基线计算结果统计分析表

基线名称(观测)TBC+精密星历椭球距离/mTBC+广播星历椭球距离/mGAMIT基线解算结果椭球距离/mGAMIT-精密星历结果A/mmGAMIT-广播星历结果B/mm精密星历-广播星历/mm|A|-|B|基线名称(观测)TBC+精密星历椭球距离/mTBC+广播星历椭球距离/mGAMIT基线解算结果椭球距离/mGAMIT-精密星历结果A/mmGAMIT-广播星历结果B/mm精密星历-广播星历/mm|A|-|B| 1111X.420X.417X.42010.13.13-35015X.227X.228X.23598.97.9-11 1218X.399X.397X.40637.39.32-25113X.827X.827X.844517.517.500 1318X.397X.394X.40306.09.03-35217X.137X.136X.14235.36.31-1 148X.729X.727X.73445.47.42-25310X.076X.077X.095719.718.7-11 1519X.976X.974X.98195.97.92-25413X.841X.841X.84736.36.300 1619X.969X.967X.97394.96.92-25517X.138X.136X.13991.93.92-2 1723X.109X.108X.11627.28.21-15610X.091X.09X.09281.82.81-1 1822X.977X.973X.9692-7.8-3.8445743X.524X.525X.4961-27.9-28.9-1-1 1935X.583X.579X.5817-1.32.74-15817X.241X.241X.261120.120.100 2022X.979X.975X.9765-2.51.5415918X.898X.899X.919621.620.6-11 2115X.889X.887X.89283.85.82-26018X.465X.466X.4631-1.9-2.9-1-1 2223X.818X.816X.82193.95.92-26126X.992X.99X.9910-1.01.020 2336X.988X.984X.9815-6.5-2.5446228X.644X.645X.6413-2.7-3.7-1-1 2419X.823X.821X.82592.94.92-26311X.388X.389X.3826-5.4-6.4-1-1 2523X.819X.816X.82728.211.23-3642X.705X.707X.7015-3.5-5.5-2-2 2611X.917X.919X.934517.515.5-226523X.783X.784X.7791-3.9-4.9-1-1 2714X.999X.997X.009410.412.42-26621X.437X.438X.4335-3.5-4.5-1-1 2814X.991X.99X.009318.319.31-16723X.766X.771X.76721.2-3.8-5-3 2919X.566X.564X.5605-5.5-3.5226817X.580X.581X.5792-0.8-1.8-1-1 3030X.946X.947X.9443-1.7-2.7-1-16914X.943X.945X.9408-2.2-4.2-2-2 3116X.720X.719X.72959.510.51-17018X.947X.948X.9459-1.1-2.1-1-1 3216X.723X.724X.733710.79.7-117114X.939X.937X.93920.22.22-2 3314X.413X.412X.4128-0.20.81-17217X.244X.247X.2413-2.7-5.7-3-3 3413X.839X.838X.84768.69.61-17317X.237X.241X.2347-2.3-6.3-4-4 3515X.798X.797X.809611.612.61-17422X.986X.987X.9825-3.5-4.5-1-1 364X.785X.784X.79126.27.21-1757X.946X.948X.9453-0.7-2.7-2-2 3724X.696X.692X.69620.24.24-47631X.842X.845X.8396-2.4-5.4-3-3 389X.245X.245X.258813.813.8007712X.456X.457X.4536-2.4-3.4-1-1 3920X.383X.382X.38926.27.21-17813X.781X.783X.7791-1.9-3.9-2-2

注：TBC+精密星历一列中X前数字代表基线千米数,例如20X代表20 km以上基线．

根据表1计算出来的对比数据进行深层次分析,分别将GAMIT软件解算基线结果与TBC精密星历模式下以及广播星历模式下解算成果进行统计分析,按照较差(单位mm)小于-10,(-10,-5], (-5,0),0, (0,5), [5,10),大于10等几个区间分布统计如表3所示．从较差分布上并未发现两种星历计算结果分布有任何明显区别,但是GAMIT与精密星历的较差成果平均值明显优于广播星历．

表3 GAMIT与精密星历/广播星历基线解算较差统计表

随后,基于表1做统计分析,即将GAMIT与精密/广播星历的较差绝对值进行比对,发现了明显存在的情况如表4所示,从统计表可以清晰地看出,精密星历解算的基线成果明显与GAMIT软件解算的较为接近,呈明显的规律性,即精密星历下解算的基线成果精度更好,平均值已经达到了1 mm,并且随着基线边长的增加,15 km以下边长无明显趋势,但是在基线边长超过20 km以上则呈现3、4 mm的绝对值较差．

表4 精密星历与广播星历与GAMIT解算成果较差比较表

由于TBC软件中不具备同步环、异步环闭合差以及重复基线限差检验功能,因此分别将精密星历下解算基线文件与广播星历下解算基线文件导出ASCII格式基线文件,然后导入COSAGPS v5.2平差软件中进行同步环闭合差,异步环闭合差以及重复基线限差检验,各项指标均满足《全球定位系统测量规范》(GB/T 18314-2009)[15]要求后,利用B级网中3个B级GPS数据作为平差起算点,在CGCS 2000坐标系下进行约束平差后比对分析如表5所示．

表5 平差结果对比表

从不同星历解算基线在同一软件中用相同起算点进行约束平差后发现,精密星历与广播星历下分别解算的基线经平差处理后的成果几乎无差异,因此两种星历下解算的结果均是满足C级GPS控制网解算要求的．

4 结束语

通过黄河托克托以下重点区域GPS控制网测量实际项目数据处理与分析结果可以看出,在TBC精密星历模式和广播星历模式解算下均能达到满足规范要求的C级GPS成果,在以后的C级GPS控制网项目中均可采取两种星历模式进行数据解算．但是通过与GAMIT解算基线成果进行比对与统计分析发现,两种星历模式下解算的结果与GAMIT基线解算结果无明显趋势倾向,但是在精密星历模式下解算基线值更为接近GAMIT的解算结果,在本项目基线长度的C级网中可以看到明显优于1 mm的解算精度．通过上述两种较差绝对值比对分析,再根据基线长度进行统计,随着基线边长的增长,TBC与GAMIT成果存在趋势性,从本项目基线长度变化带来的影响可以看出,随着边长的逐步增大,两者绝对值较差越大,在20 km左右长度以上的基线达到了3、4 mm的差值．综上所述,精密星历下在TBC软件中解算的基线精度更为准确可靠．