基于GPS定位的工程測量實例數據分析研究

黃培森

摘 要：本文基于筆者多年從事城市工程測量的相關工作經驗，以GPS單點定位在城市工程測量中的應用為研究對象，論文探討了BERNESE 5.0軟件數據處理流程、IGS精密星歷等關鍵技術，在此基礎上，筆者結合案例進行了分析，結果表明精密單點定位完全滿足城市工程測量的日常需要，全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：GPS單點定位 城市工程測量 BERNESE 5.0 精密星歷

中圖分類號：TB22 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（b）-0028-02

GPS相對定位技術，通過組成雙差觀測值消除接收機鐘差、衛星鐘差等公共誤差及削弱對流層延遲、電離層延遲等相關性強的誤差影響，來達到提高精度的目的，這種作業方式無需考慮復雜的誤差模型，具有解算模型簡單、定位精度高等優勢。網絡RTK的出現更是將差分GPS技術發揮到了極致，通過發布差分改正信息實現了高精度的實時動態定位，由于其方便、快捷、高效的作業技術方法，得到了快速的發展。我國各大城市、地區相繼建立了各自的CORS系統。但是，這種網絡RTK技術也存在著不足，如受到通訊網絡、覆蓋范圍等條件的限制，城市工程測量中通常工期較緊、要求效率較高，當測區范圍內需要少數控制點而CORS系統無法使用的時候，如果建立靜態GPS控制網，則大大影響了作業效率，提高了作業成本。精密單點定位技術是利用載波相位觀測值以及IGS等組織提供的精度衛星星歷及鐘差來進行高精度單點定位的方法，能夠實現厘米定位精度，完全滿足城市工程測量的需求。目前，在一些發達國家精密單點定位技術已經得到廣泛的應用，在我國這項技術在生產實踐中的應用相對較少。

為了實現GPS單點定位達到厘米級精度，必須解決如下關鍵問題：（1）在定位過程中需要同時采用相位和偽距觀測值；（2）衛星軌道精度需達到厘米水平；（3）衛星鐘差改正精度需達到納秒量級；（4）需要考慮更精確的誤差改正模型。實質上，衛星位置和衛星鐘差是影響精密單點定位精度的重要因素。本文主要從IGS提供的各種精密星歷和鐘差改正相關產品著手，利用國際著名導航定位軟件BERNESE 5.0進行計算，分析快速星歷和最終星歷以及不同采樣間隔星歷鐘差產品對靜態單點定位精度的影響，進而討論GPS單點定位技術在城市工程測量中的應用。

1 BERNESE 5.0軟件數據處理

到目前為止，國際上GPS高精度單點定位軟件主要有美國噴氣推進實驗室的GIPSY軟件、瑞士伯爾尼大學的BERNESE軟件、德國地學研究中心的EPOS軟件。

GIPSY軟件只供科研使用，不供商用，且不提供源代碼，EPOS軟件應用范圍較為局限，主要在歐洲國家使用，也是以科研為主，而BERNESE軟件可以商用，且提供源代碼，使用較為廣泛。圖1中給出了BERNESE 5.0單點定位數據處理的簡要流程，主要包括數據格式轉換、鐘差改正、誤差模型改正、預處理和參數估計，除了得到測站坐標之外，還可以選擇輸出對流層、電離層、接收機鐘差等參數的估計結果。

2 IGS精密星歷

隨著GPS定軌理論和技術的提高，軌道計算數學模型的完善，以及全球跟蹤站數目的增多和跟蹤站分布的改善，IGS確定GPS衛星軌道的精度有了明顯的提高。目前，國際IGS服務局提供的事后精密衛星星歷的精度已優于5 cm，精密衛星鐘差的精度已達0.1 ns。其提供的精密衛星星歷和衛星鐘差產品包括：超快速產品（Ultra Rapid）、快速產品（Rapid）和最終產品（Final）3種，它們在精度、時延、更新率和采樣率方面是不同的。如表1所示。

由表1知IGS給出的快速星歷和最終星歷在采樣率和精度指標上均相同，那么快速星歷和最終星歷對靜態精密單點定位精度的影響是否相同，在實際應用中是否需要等待最終產品解算精密單點定位，下面將用實例進行比較分析。

3 實例數據分析

本文選用北京CORS系統基準站的觀測數據，分別選取超快速星歷（實測部分）和最終星歷，以及相對應的鐘差改正文件，利用BERNESE 5.0軟件進行精密單點定位計算，假設該站已知的精確坐標為真值，將兩種單點定位結果分別與之求差，求得點位中誤差，進而比較分析。

為了分析數據處理結果的統計特性，且避免誤差偶然性，本文將全觀測數據分為24個時段，分別使用兩種精密星歷進行單點定位計算。圖2中給出了使用兩種精密星歷單點定位的點位誤差，可以看出采用超快星歷和最終星歷的精度均在±0.06 m之內，大部分時段是在±0.03 m范圍之內，14：00～20：00之間的誤差相對較大，與廣州地區活躍的電離層活動有關，兩種結果相比較，使用最終星歷的單點定位精度相對較高，但并不明顯。

為了更加詳細地比較兩種精密星歷對單點定位結果的影響，對兩種精密星歷定位結果的坐標分量分別求差，圖3給出了X、Y、Z分量較差，可以看出坐標分量較差均在±0.02 m范圍之內，這種差異對于城市工程測量來說影響并不算大，因此不必等到最終星歷的發布，可以直接使用超快速星歷進行單點定位，從而保證了精密單點定位技術在城市工程測量當中的可用性。

4 結語

目前精密單點定位在靜態定位方面理論已經比較成熟，采用高精度GPS計算軟件以后處理方式得到的定位結果已完全可以達到厘米級精度。本文分別選取超快速星歷和最終星歷兩種精密星歷文件，利用BERNESE 5.0軟件進行計算，對全天24個時段的結果進行分析，可以看出，無論采用何種精密星歷以及提供的鐘差改正參數，解算結果均處于厘米級精度水平，兩種測量結果相差甚微，完全可以滿足城市工程測量的日常需要。隨著美國GPS現代化的逐步完成，以及Galileo系統的正式運行，偽距碼和多頻觀測值的增加，可以大大提高精密單點定位的精確性和可靠性，相信精密單點定位技術在城市測量中將會發揮更大的作用。

參考文獻

[1] 施展，孟祥廣，郭際明，等.GPS精密單點定位中對流層延遲模型改正法與參數估計法的比較[J].測繪通報，2009（6）.

[2] 曲偉菁，朱文耀，宋淑麗，等.三種對流層延遲改正模型精度評估[J].天文學報，2008（1）.

[3] 張民偉，郭際明，黃全義.基于GPS雙頻P碼偽距進行單點定位研究[J].地理空間信息，2005（3）.

[4] 王解先，徐志京.三種坐標間轉換的雅可比矩陣數值導數計算方法[J].大地測量與地球動力學，2004（4）.endprint

摘 要：本文基于筆者多年從事城市工程測量的相關工作經驗，以GPS單點定位在城市工程測量中的應用為研究對象，論文探討了BERNESE 5.0軟件數據處理流程、IGS精密星歷等關鍵技術，在此基礎上，筆者結合案例進行了分析，結果表明精密單點定位完全滿足城市工程測量的日常需要，全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：GPS單點定位 城市工程測量 BERNESE 5.0 精密星歷

中圖分類號：TB22 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（b）-0028-02

GPS相對定位技術，通過組成雙差觀測值消除接收機鐘差、衛星鐘差等公共誤差及削弱對流層延遲、電離層延遲等相關性強的誤差影響，來達到提高精度的目的，這種作業方式無需考慮復雜的誤差模型，具有解算模型簡單、定位精度高等優勢。網絡RTK的出現更是將差分GPS技術發揮到了極致，通過發布差分改正信息實現了高精度的實時動態定位，由于其方便、快捷、高效的作業技術方法，得到了快速的發展。我國各大城市、地區相繼建立了各自的CORS系統。但是，這種網絡RTK技術也存在著不足，如受到通訊網絡、覆蓋范圍等條件的限制，城市工程測量中通常工期較緊、要求效率較高，當測區范圍內需要少數控制點而CORS系統無法使用的時候，如果建立靜態GPS控制網，則大大影響了作業效率，提高了作業成本。精密單點定位技術是利用載波相位觀測值以及IGS等組織提供的精度衛星星歷及鐘差來進行高精度單點定位的方法，能夠實現厘米定位精度，完全滿足城市工程測量的需求。目前，在一些發達國家精密單點定位技術已經得到廣泛的應用，在我國這項技術在生產實踐中的應用相對較少。

為了實現GPS單點定位達到厘米級精度，必須解決如下關鍵問題：（1）在定位過程中需要同時采用相位和偽距觀測值；（2）衛星軌道精度需達到厘米水平；（3）衛星鐘差改正精度需達到納秒量級；（4）需要考慮更精確的誤差改正模型。實質上，衛星位置和衛星鐘差是影響精密單點定位精度的重要因素。本文主要從IGS提供的各種精密星歷和鐘差改正相關產品著手，利用國際著名導航定位軟件BERNESE 5.0進行計算，分析快速星歷和最終星歷以及不同采樣間隔星歷鐘差產品對靜態單點定位精度的影響，進而討論GPS單點定位技術在城市工程測量中的應用。

1 BERNESE 5.0軟件數據處理

到目前為止，國際上GPS高精度單點定位軟件主要有美國噴氣推進實驗室的GIPSY軟件、瑞士伯爾尼大學的BERNESE軟件、德國地學研究中心的EPOS軟件。

GIPSY軟件只供科研使用，不供商用，且不提供源代碼，EPOS軟件應用范圍較為局限，主要在歐洲國家使用，也是以科研為主，而BERNESE軟件可以商用，且提供源代碼，使用較為廣泛。圖1中給出了BERNESE 5.0單點定位數據處理的簡要流程，主要包括數據格式轉換、鐘差改正、誤差模型改正、預處理和參數估計，除了得到測站坐標之外，還可以選擇輸出對流層、電離層、接收機鐘差等參數的估計結果。

2 IGS精密星歷

隨著GPS定軌理論和技術的提高，軌道計算數學模型的完善，以及全球跟蹤站數目的增多和跟蹤站分布的改善，IGS確定GPS衛星軌道的精度有了明顯的提高。目前，國際IGS服務局提供的事后精密衛星星歷的精度已優于5 cm，精密衛星鐘差的精度已達0.1 ns。其提供的精密衛星星歷和衛星鐘差產品包括：超快速產品（Ultra Rapid）、快速產品（Rapid）和最終產品（Final）3種，它們在精度、時延、更新率和采樣率方面是不同的。如表1所示。

由表1知IGS給出的快速星歷和最終星歷在采樣率和精度指標上均相同，那么快速星歷和最終星歷對靜態精密單點定位精度的影響是否相同，在實際應用中是否需要等待最終產品解算精密單點定位，下面將用實例進行比較分析。

3 實例數據分析

本文選用北京CORS系統基準站的觀測數據，分別選取超快速星歷（實測部分）和最終星歷，以及相對應的鐘差改正文件，利用BERNESE 5.0軟件進行精密單點定位計算，假設該站已知的精確坐標為真值，將兩種單點定位結果分別與之求差，求得點位中誤差，進而比較分析。

為了分析數據處理結果的統計特性，且避免誤差偶然性，本文將全觀測數據分為24個時段，分別使用兩種精密星歷進行單點定位計算。圖2中給出了使用兩種精密星歷單點定位的點位誤差，可以看出采用超快星歷和最終星歷的精度均在±0.06 m之內，大部分時段是在±0.03 m范圍之內，14：00～20：00之間的誤差相對較大，與廣州地區活躍的電離層活動有關，兩種結果相比較，使用最終星歷的單點定位精度相對較高，但并不明顯。

為了更加詳細地比較兩種精密星歷對單點定位結果的影響，對兩種精密星歷定位結果的坐標分量分別求差，圖3給出了X、Y、Z分量較差，可以看出坐標分量較差均在±0.02 m范圍之內，這種差異對于城市工程測量來說影響并不算大，因此不必等到最終星歷的發布，可以直接使用超快速星歷進行單點定位，從而保證了精密單點定位技術在城市工程測量當中的可用性。

4 結語

目前精密單點定位在靜態定位方面理論已經比較成熟，采用高精度GPS計算軟件以后處理方式得到的定位結果已完全可以達到厘米級精度。本文分別選取超快速星歷和最終星歷兩種精密星歷文件，利用BERNESE 5.0軟件進行計算，對全天24個時段的結果進行分析，可以看出，無論采用何種精密星歷以及提供的鐘差改正參數，解算結果均處于厘米級精度水平，兩種測量結果相差甚微，完全可以滿足城市工程測量的日常需要。隨著美國GPS現代化的逐步完成，以及Galileo系統的正式運行，偽距碼和多頻觀測值的增加，可以大大提高精密單點定位的精確性和可靠性，相信精密單點定位技術在城市測量中將會發揮更大的作用。

參考文獻

[1] 施展，孟祥廣，郭際明，等.GPS精密單點定位中對流層延遲模型改正法與參數估計法的比較[J].測繪通報，2009（6）.

[2] 曲偉菁，朱文耀，宋淑麗，等.三種對流層延遲改正模型精度評估[J].天文學報，2008（1）.

[3] 張民偉，郭際明，黃全義.基于GPS雙頻P碼偽距進行單點定位研究[J].地理空間信息，2005（3）.

[4] 王解先，徐志京.三種坐標間轉換的雅可比矩陣數值導數計算方法[J].大地測量與地球動力學，2004（4）.endprint

摘 要：本文基于筆者多年從事城市工程測量的相關工作經驗，以GPS單點定位在城市工程測量中的應用為研究對象，論文探討了BERNESE 5.0軟件數據處理流程、IGS精密星歷等關鍵技術，在此基礎上，筆者結合案例進行了分析，結果表明精密單點定位完全滿足城市工程測量的日常需要，全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：GPS單點定位 城市工程測量 BERNESE 5.0 精密星歷

中圖分類號：TB22 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（b）-0028-02

GPS相對定位技術，通過組成雙差觀測值消除接收機鐘差、衛星鐘差等公共誤差及削弱對流層延遲、電離層延遲等相關性強的誤差影響，來達到提高精度的目的，這種作業方式無需考慮復雜的誤差模型，具有解算模型簡單、定位精度高等優勢。網絡RTK的出現更是將差分GPS技術發揮到了極致，通過發布差分改正信息實現了高精度的實時動態定位，由于其方便、快捷、高效的作業技術方法，得到了快速的發展。我國各大城市、地區相繼建立了各自的CORS系統。但是，這種網絡RTK技術也存在著不足，如受到通訊網絡、覆蓋范圍等條件的限制，城市工程測量中通常工期較緊、要求效率較高，當測區范圍內需要少數控制點而CORS系統無法使用的時候，如果建立靜態GPS控制網，則大大影響了作業效率，提高了作業成本。精密單點定位技術是利用載波相位觀測值以及IGS等組織提供的精度衛星星歷及鐘差來進行高精度單點定位的方法，能夠實現厘米定位精度，完全滿足城市工程測量的需求。目前，在一些發達國家精密單點定位技術已經得到廣泛的應用，在我國這項技術在生產實踐中的應用相對較少。

為了實現GPS單點定位達到厘米級精度，必須解決如下關鍵問題：（1）在定位過程中需要同時采用相位和偽距觀測值；（2）衛星軌道精度需達到厘米水平；（3）衛星鐘差改正精度需達到納秒量級；（4）需要考慮更精確的誤差改正模型。實質上，衛星位置和衛星鐘差是影響精密單點定位精度的重要因素。本文主要從IGS提供的各種精密星歷和鐘差改正相關產品著手，利用國際著名導航定位軟件BERNESE 5.0進行計算，分析快速星歷和最終星歷以及不同采樣間隔星歷鐘差產品對靜態單點定位精度的影響，進而討論GPS單點定位技術在城市工程測量中的應用。

1 BERNESE 5.0軟件數據處理

到目前為止，國際上GPS高精度單點定位軟件主要有美國噴氣推進實驗室的GIPSY軟件、瑞士伯爾尼大學的BERNESE軟件、德國地學研究中心的EPOS軟件。

GIPSY軟件只供科研使用，不供商用，且不提供源代碼，EPOS軟件應用范圍較為局限，主要在歐洲國家使用，也是以科研為主，而BERNESE軟件可以商用，且提供源代碼，使用較為廣泛。圖1中給出了BERNESE 5.0單點定位數據處理的簡要流程，主要包括數據格式轉換、鐘差改正、誤差模型改正、預處理和參數估計，除了得到測站坐標之外，還可以選擇輸出對流層、電離層、接收機鐘差等參數的估計結果。

2 IGS精密星歷

隨著GPS定軌理論和技術的提高，軌道計算數學模型的完善，以及全球跟蹤站數目的增多和跟蹤站分布的改善，IGS確定GPS衛星軌道的精度有了明顯的提高。目前，國際IGS服務局提供的事后精密衛星星歷的精度已優于5 cm，精密衛星鐘差的精度已達0.1 ns。其提供的精密衛星星歷和衛星鐘差產品包括：超快速產品（Ultra Rapid）、快速產品（Rapid）和最終產品（Final）3種，它們在精度、時延、更新率和采樣率方面是不同的。如表1所示。

由表1知IGS給出的快速星歷和最終星歷在采樣率和精度指標上均相同，那么快速星歷和最終星歷對靜態精密單點定位精度的影響是否相同，在實際應用中是否需要等待最終產品解算精密單點定位，下面將用實例進行比較分析。

3 實例數據分析

本文選用北京CORS系統基準站的觀測數據，分別選取超快速星歷（實測部分）和最終星歷，以及相對應的鐘差改正文件，利用BERNESE 5.0軟件進行精密單點定位計算，假設該站已知的精確坐標為真值，將兩種單點定位結果分別與之求差，求得點位中誤差，進而比較分析。

為了分析數據處理結果的統計特性，且避免誤差偶然性，本文將全觀測數據分為24個時段，分別使用兩種精密星歷進行單點定位計算。圖2中給出了使用兩種精密星歷單點定位的點位誤差，可以看出采用超快星歷和最終星歷的精度均在±0.06 m之內，大部分時段是在±0.03 m范圍之內，14：00～20：00之間的誤差相對較大，與廣州地區活躍的電離層活動有關，兩種結果相比較，使用最終星歷的單點定位精度相對較高，但并不明顯。

為了更加詳細地比較兩種精密星歷對單點定位結果的影響，對兩種精密星歷定位結果的坐標分量分別求差，圖3給出了X、Y、Z分量較差，可以看出坐標分量較差均在±0.02 m范圍之內，這種差異對于城市工程測量來說影響并不算大，因此不必等到最終星歷的發布，可以直接使用超快速星歷進行單點定位，從而保證了精密單點定位技術在城市工程測量當中的可用性。

4 結語

目前精密單點定位在靜態定位方面理論已經比較成熟，采用高精度GPS計算軟件以后處理方式得到的定位結果已完全可以達到厘米級精度。本文分別選取超快速星歷和最終星歷兩種精密星歷文件，利用BERNESE 5.0軟件進行計算，對全天24個時段的結果進行分析，可以看出，無論采用何種精密星歷以及提供的鐘差改正參數，解算結果均處于厘米級精度水平，兩種測量結果相差甚微，完全可以滿足城市工程測量的日常需要。隨著美國GPS現代化的逐步完成，以及Galileo系統的正式運行，偽距碼和多頻觀測值的增加，可以大大提高精密單點定位的精確性和可靠性，相信精密單點定位技術在城市測量中將會發揮更大的作用。

參考文獻

[1] 施展，孟祥廣，郭際明，等.GPS精密單點定位中對流層延遲模型改正法與參數估計法的比較[J].測繪通報，2009（6）.

[2] 曲偉菁，朱文耀，宋淑麗，等.三種對流層延遲改正模型精度評估[J].天文學報，2008（1）.

[3] 張民偉，郭際明，黃全義.基于GPS雙頻P碼偽距進行單點定位研究[J].地理空間信息，2005（3）.

[4] 王解先，徐志京.三種坐標間轉換的雅可比矩陣數值導數計算方法[J].大地測量與地球動力學，2004（4）.endprint