高速鐵路CPO解算及Bernese GPS不同解算策略精度分析

梁 永

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300251)

一、高速鐵路框架控制網CPO測量要求

高速鐵路工程測量規范有關CPO控制網規定：考慮CPI控制網各階段復測成果比較，結合CPO控制網選點、布網、野外測量等綜合因素，規定每50 km建造一座CPO。

1．外業觀測要求

使用標稱精度不低于5mm +1ppm的雙頻GPS接收機，同步觀測不少于4臺，GPS觀測時段數大于4，有效時段長度大于300min。

2．基線解算要求

CPO基線解算采用精密星歷且使用適合長基線的高精度GPS解算軟件(GAMIT、BERNESE等)進行解算，解算模式采用多基線解算模式;顧及對流層、電離層折射延遲對高程測量精度的影響，最大限度減少折射引起的向量偏差。

多基線解采用的是嚴密平差模型，不會產生同步環坐標閉合差問題，其結果更為準確可靠。一次提取一個觀測時段中所有進行同步觀測的n臺接收機所采集的同步觀測數據，在一個時段解算過程中共同解求出所有n-1條相互獨立的基線。

基線向量估值

式中

基線向量估值的方差-協方差陣

式中，

該解算模式特點是數學模型嚴密，能反映出同步觀測基線間的統計相關性，但數學模型和解算過程比較復雜，計算量較大，適用于對質量要求較嚴格的工程應用。

3．解算結果要求

解算結果滿足相鄰點相對中誤差小于20 mm、最弱邊相對中誤差小于1/2 000 000。

二、Bernese 5．0軟件主要操作步驟

1．數據文件準備

原始觀測文件、精密軌道文件、常用文件(GEN)、測站坐標、測站信息文件等準備。

2．輸入觀測數據文件

將觀測數據RINEX格式轉換為Bernese二進制格式。經轉換后，觀測值文件轉換成Bernese格式4種格式文件，分別為：*．PZH(相位非差頭文件)、*．PZO(相位非差觀測文件)、*．CZH(碼非差頭文件)、*．CZO(碼非差觀測文件)。

3．生成軌道數據文件

首先將IGS標準格式的地球自轉文件(文件擴展名為IEP)轉換為Bernese EOP格式文件(文件擴展名為ERP);然后將精密星歷轉化生成生成軌道列表文件(文件擴展名為TEB)，同時生成衛星鐘差文件;再利用軌道列表文件生成標準軌道文件(文件擴展名為STD)。

4．數據預處理

1)使用非差碼觀測值進行接收機鐘差改正。

2)組成基線，Bernese軟件可以自定義基線，也可由軟件根據一定原則自動生成單差基線，且基線相互獨立，自動生成單差基線原則有：

OBS-MAX 以構成的單差觀測值數量最多為原則;

SHORTEST 以構成的單差基線距離最短為原則;

STAR 選定一個點作為中線點，其他點與這個點構成星形網;

DEFINED 預先自定義好的基線。

3)利用三差解進行周跳探測和修復。

4)通過參數估計，剔除粗差觀測值。

5．基線解算

1)求浮點解。

2)確定整周模糊度。整周模糊度確定的方法軟件提供的方法有 QIF(quasi ionosphere free)、SIGMA、SEACH、Round。但適合于長基線的解算方法只有QIF、SIGMA兩種。

3)求基線最終解。

三、實例分析

1．結合某項目框架網CPO進行討論

該項目共有12個CPO點，聯測IGS站點2個(BJFS、SHAO)，其網形圖如下。

圖1 框架網CPO網形圖

2．不同方法解算數據分析

方法1：基線選擇采用OBS-MAX方式(基線選擇以構成的單差觀測值數量最多為原則)，觀測值采用Inon-Free L3，對于長基線解算時有很好的效果，不需要進行電離層模型改正。確定整周模糊度方法采用QIF，將整周模糊度N1、N2一次確定出來，其對流層延遲采用模型進行估計。同時該框架網CP0也采用GAMIT軟件進行了解算，其坐標成果比較見表1。其觀測值及觀測值方程如下。

Inon-Free線性組合

對應的雙差觀測方程

方法2：基線選擇采用事先自定義DEFINED方式(基線選擇是按照線路方向相鄰點進行連接，同時滿足基線距離最短必選的原則，即SHORTEST選擇基線方式)，觀測值采用Inon-Free L3，確定整周模糊度方法采用QIF，將整周模糊度N1、N2一次確定出來，對流層延遲采用模型進行估計。具體坐標成果比較見表2。

方法3：基線選擇采用事先自定義DEFINED方式，觀測值采用Widelane(L5)，確定整周模糊度方法采用SIGMA法。首先采用L5進行寬巷模糊度NW確定，然后采用L3觀測值并引入寬巷模糊度確定窄巷模糊度NL，對流層延遲采用模型進行估計。具體坐標成果比較見表3。其觀測值及觀測值方程如下。

Widelane線性組合

L5雙差觀測方程

L3雙差觀測方程

表1 方法1Bernese計算結果與GAM IT計算結果比較mm

續表1 mm

表2 方法2 Bernese計算結果與GAM IT計算結果比較mm

表3 方法3 Bernese計算結果與GAM IT計算結果比較mm

從表1和表2對比分析看出，在獨立基線選擇方式不一樣的情況下，采用的觀測值組合和確定模糊度的方法相同，其計算結果是不一樣的。方法1解算結果精度優于方法2計算結果精度;采用OBSMAX選擇基線的方法比自定義(或SHORTEST)等計算的效果要好，且在X、Y、Z 3個方向的坐標較差相對較均勻，其原因是OBS-MAX以構成的單差觀測值數量最多為原則進行基線選取，其觀測值比其他SHORTEST、STAR、DEFINED任何方式的同步觀測值要多。

從表2和表3對比分析看出，獨立基線挑選的方式一樣，采用觀測值組合和確定模糊度的方法不同，從標準差看出，方法2、3計算的結果基本一樣，兩種方法解算的坐標成果，且坐標差均在1mm以內。

采用QIF、SIGMA法進行模糊度確定時，其最終解算結果基本一樣，但采用QIF法較為方便，其效率高、速度快。因采用QIF法解算基線時確定模糊度只需計算一次，而SIGMA法則確定模糊度需單獨計算兩次。

四、結束語

1)Bernese GPS解算精度與基線選擇方法有關。一般情況下，沒有特殊情況建議選擇 OBSMAX選擇基線的方法進行，解算效果要比其他方式好。

2)Bernese GPS解算在獨立基線選擇方式一樣的情況下，采用不同的觀測值、不同的模糊度確定方法進行長基線解算，QIF和SIGMA的效果基本一樣，對解算結果沒有大的差別。

3)采用相位觀測值進行GPS長基線模糊度確定時，最好采用QIF法，該方法解算較為方便，比SIGMA法解算速度快、效率高。

[1]中華人民共和國鐵道部．高速鐵路工程測量規范TB10601—2009[S]．北京：中國鐵道出版社，2009．

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