IGS精密星历对C级GPS网解算精度影响

张潘,李亚伦, 冯茵

(1.仪陇县自然资源和规划局,四川 南充 637000;2.四川省地震局测绘工程院,四川 雅安 625000)

0 引 言

目前我国GPS数据处理软件主要有科研软件和商业软件两种,科研软件主要是GAMIT/CLOBK软件[1],商业软件主要有Trimble的TBC、Leica的LGO、南方的GNSS数据处理软件、中海达的HGO等软件[2].

科研软件GAMIT/CLOBK虽然基线解算精度很高,但是操作不方便、数据要求较高,在工程应用中较为麻烦,而且大多研究论文都以GAMIT/CLOBK及TBC软件做研究[3],对于工程上常用基线解算软件研究很少,所以文章以TBC和HGO软件为载体,研究其加载国际全球卫星导航系统(GNSS)服务(IGS)精密星历后对工程中较高等级的C级GPS网基线解算精度是否存在影响,工程上C级GPS网及以下等级的GPS数据是否有必要加载精密星历进行解算,以及这两款软件在工程中加载精密星历进行数据解算的数据质量是否可靠.

1 理论分析

1.1 星历数据分析

星历数据分为广播星历、超快速星历、快速星历、精密星历四种[4],它们在精度、更新、时延等方面有所不同,广播星历与精密星历具体情况如表1所示.

表1 GPS星历信息

从表1可以看出精密星历比广播星历在轨道及钟差精度方面提高很多,但是其时延长,至少需要13天后才能获取.

1.2 星历数据对基线解算精度理论分析

卫星星历误差相对定位估算公式[5]如下:

(1)

文章主要是对精密星历和广播星历数据文件进行分析,广播星历数据文件与观测数据一并获得,精密星历数据文件是通过IGS网站获取以igs开头的数据[2],数据格式为sp3,文中所用的TBC软件及HGO软件都能很好地加载sp3格式的数据,以下是通过对sp3数据进行编辑得到的方正数据,便于研究.

图1 精密星历sp3格式

2 工程实例

为满足西藏某地区地理信息数据生产需要,单位在国家高等级控制网的基础上布设C级GPS网,作为该区域地理信息数据生产的起算数据,并统一平面基准系统框架.

项目布设埋石控制点30个,联测高等级已知控制点8个,布设的埋石控制点分布均匀,相邻点间平均距离约20 km,各网点均匀分布,相邻点间最大距离不超过3倍,最小距离不低于平均距离的1/3.

项目分两步施测,先自南向北依次推进进行GPS网观测,观测时段数不少于2,每时段观测时间不低于4小时,在观测完成后,再进行GPS骨架网观测.观测网布设如图2所示,其中红色线代表骨架网.

图2 GPS网形布设

观测结束后2周在IGS网站下载精密星历,由于IGS基准站选取点位分布不同,其数量及观测时间等的不同都将会产生不同的影响,因此下载覆盖项目区域所需观测站的精密数据进行后期数据处理.

2.1 基线解算分析

项目利用TBC 4.1版本软件及HGO2.0.2软件进行基线处理,在基线处理时分别加载广播星历和精密星历进行处理,因篇幅原因随机选取57条在两种软件中加载广播星历和精密星历进行处理结果的基线进行比对分析,分析情况如表2、3所示.

表2 TBC加载广播星历和精密星历基线解算结果对比 m

表2(续) m

表3 HGO广播星历和精密星历基线解算结果对比

表3(续)

对基线处理结果对比分析可知,利用TBC进行C级GPS网解算时,分别采用精密星历和广播星历对基线解算结果影响不大[7];而利用HGO进行C级GPS网解算时,分别采用精密星历和广播星历对基线解算结果有一定的影响,精密星历均方根值略小于广播星历,其差值在±0.0005 mm,其中利用精密星历解算基线结果更接近TBC基线解算结果.

2.2 约束平差及平差结果对比分析

在两种星历基线解算的结果上进行三维约束平差,并对已有的平差结果与获取的已知数据进行对比分析,分析结果如表4、5所示.

表4 TBC精密星历及广播星历约束平差结果与已知数据对比 m

通过TBC软件解算结果与已知数据进行对比,可以看出精密星历与广播星历解算结果差别不大,广播星历解算结果及精密星历解算结果与已知数据差值最大都是在9 mm.

表5 HGO精密星历及广播星历约束平差结果与已知数据对比 m

将HGO软件解算结果与已知数据进行对比可知,HGO软件利用精密星历与广播星历解算结果有一定的差值,但不大,其中精密星历解算结果与已知数据差值最大为13.9 mm,广播星历解算结果与已知数据差值最大为14.4 mm.

2.3 平差结果与已知数据差值原因分析

GPS数据平差成果质量的好坏主要取决于基线解算质量、起算点数据质量及所提供的精密星历数据参考站,而基线解算质量又主要取决于基线解算时对各种误差的消除及基线平差的数学模型,试验将TBC及HGO两种软件解算结果和从国家大地数据处理中心获取的部分已知数据进行对比,发现两种软件解算结果与已知数据有一定的差值,产生差值的原因主要是解算时采用的起算数据及解算软件不同造成,分析如下:

1) 误差消除及解算软件问题

不同的软件采用的数学解算模型不同,考虑的误差消除方式不同,从而造成不同的解算软件在相同的条件下解算的结果存在一定的差异.国家大地数据处理中心使用的解算软件为科研软件GAMIT,该软件是基于最小二乘算法,考虑大气、章动极移、潮汐、精密钟差等多项改正,并将测站的相对位置、地球自转参数和轨道参数以及对流层天顶延迟估计、电离层等参数进行反复迭代平差估算,基线解算时采用组网平差,从而使基线解算的结果精度更高;该项目所用的TBC软件是基于最小二乘算法,在解算时考虑了电离层、对流层对基线解算的影响,并对基线进行组网平差,使基线解算结果精度高,基线数据稳定,基线成果质量可靠;而该项目采用的中海达HGO软件考虑了对流层的影响,基线解算为单条基线解算合格即可,并未对基线进行组网平差,从而使HGO的基线解算结果相对较差,基线成果质量稳定性较差.

2) 起算数据及参考站提供精密星历数据问题

国家大地数据处理中心起算数据采用CHAN、BJFS、URUM、LHAZ、SHAO、TWTF、TCMS七个IGS站的数据作为起算数据[8],起算数据分布均匀,精度高,能对测区整网进行很好的控制,而此次试验起算数据采用从数据处理中心获取的已知数据作为起算点,数据质量相对较弱,同时该实验采用的IGS精密星历数据只是一个观测站的数据,且并未考虑钟差、地球自转等因素的影响.

3 结 论

本文利用TBC及HGO两种软件分别加载精密星历和广播星历进行C级GPS网基线解算及约束平差,并与已知数据进行对比分析,得出结论如下:

1)从基线解算结果来分析,在相同条件下,利用精密星历与广播星历解算C级及以下等级的GPS网基线,其基线解算结果相差不大.同时相对于HGO软件,TBC软件基线解算采用基线组网平差迭代计算,其基线成果质量较为稳定可靠,而HGO基线解算为单条解算,基线可靠性较弱,解算时利用精密星历解算基线结果与TBC基线解算结果更为相近.

2)在只考虑精密星历的情况下,从解算结果与已知数据对比来看,TBC软件在精密星历与广播星历解算的结果基本一致,且与已知数据对比最大差值是9 mm;HGO软件精密星历与广播星历解算结果有一定差值,但不大,与已知数据对比最大差值是14.4 mm.

3)考虑精密星历获取时间需要在观测时间的基础上延后13天,为了更快更有效地进行工程施工,在C级及以下等级GPS网解算上,可以采用广播星历进行解算.

4)从TBC及HGO解算表现来看,在一般的工程上,商业软件可以满足解算需要,而且商业软件便于安装维护,较GAMIT/CLOBK科研软件操作简单适用,所以在一般工程上都可以采用,但在较为重要工程上采用TBC软件进行基线解算,其结果更为可靠.