IGS精密星歷對C級GPS網(wǎng)解算精度影響

張潘,李亞倫, 馮茵

(1.儀隴縣自然資源和規(guī)劃局,四川 南充 637000;2.四川省地震局測繪工程院,四川 雅安 625000)

0 引 言

目前我國GPS數(shù)據(jù)處理軟件主要有科研軟件和商業(yè)軟件兩種,科研軟件主要是GAMIT/CLOBK軟件[1],商業(yè)軟件主要有Trimble的TBC、Leica的LGO、南方的GNSS數(shù)據(jù)處理軟件、中海達(dá)的HGO等軟件[2].

科研軟件GAMIT/CLOBK雖然基線解算精度很高,但是操作不方便、數(shù)據(jù)要求較高,在工程應(yīng)用中較為麻煩,而且大多研究論文都以GAMIT/CLOBK及TBC軟件做研究[3],對于工程上常用基線解算軟件研究很少,所以文章以TBC和HGO軟件為載體,研究其加載國際全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)服務(wù)(IGS)精密星歷后對工程中較高等級的C級GPS網(wǎng)基線解算精度是否存在影響,工程上C級GPS網(wǎng)及以下等級的GPS數(shù)據(jù)是否有必要加載精密星歷進(jìn)行解算,以及這兩款軟件在工程中加載精密星歷進(jìn)行數(shù)據(jù)解算的數(shù)據(jù)質(zhì)量是否可靠.

1 理論分析

1.1 星歷數(shù)據(jù)分析

星歷數(shù)據(jù)分為廣播星歷、超快速星歷、快速星歷、精密星歷四種[4],它們在精度、更新、時延等方面有所不同,廣播星歷與精密星歷具體情況如表1所示.

表1 GPS星歷信息

從表1可以看出精密星歷比廣播星歷在軌道及鐘差精度方面提高很多,但是其時延長,至少需要13天后才能獲取.

1.2 星歷數(shù)據(jù)對基線解算精度理論分析

衛(wèi)星星歷誤差相對定位估算公式[5]如下:

(1)

文章主要是對精密星歷和廣播星歷數(shù)據(jù)文件進(jìn)行分析,廣播星歷數(shù)據(jù)文件與觀測數(shù)據(jù)一并獲得,精密星歷數(shù)據(jù)文件是通過IGS網(wǎng)站獲取以igs開頭的數(shù)據(jù)[2],數(shù)據(jù)格式為sp3,文中所用的TBC軟件及HGO軟件都能很好地加載sp3格式的數(shù)據(jù),以下是通過對sp3數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯得到的方正數(shù)據(jù),便于研究.

圖1 精密星歷sp3格式

2 工程實(shí)例

為滿足西藏某地區(qū)地理信息數(shù)據(jù)生產(chǎn)需要,單位在國家高等級控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上布設(shè)C級GPS網(wǎng),作為該區(qū)域地理信息數(shù)據(jù)生產(chǎn)的起算數(shù)據(jù),并統(tǒng)一平面基準(zhǔn)系統(tǒng)框架.

項(xiàng)目布設(shè)埋石控制點(diǎn)30個,聯(lián)測高等級已知控制點(diǎn)8個,布設(shè)的埋石控制點(diǎn)分布均勻,相鄰點(diǎn)間平均距離約20 km,各網(wǎng)點(diǎn)均勻分布,相鄰點(diǎn)間最大距離不超過3倍,最小距離不低于平均距離的1/3.

項(xiàng)目分兩步施測,先自南向北依次推進(jìn)進(jìn)行GPS網(wǎng)觀測,觀測時段數(shù)不少于2,每時段觀測時間不低于4小時,在觀測完成后,再進(jìn)行GPS骨架網(wǎng)觀測.觀測網(wǎng)布設(shè)如圖2所示,其中紅色線代表骨架網(wǎng).

圖2 GPS網(wǎng)形布設(shè)

觀測結(jié)束后2周在IGS網(wǎng)站下載精密星歷,由于IGS基準(zhǔn)站選取點(diǎn)位分布不同,其數(shù)量及觀測時間等的不同都將會產(chǎn)生不同的影響,因此下載覆蓋項(xiàng)目區(qū)域所需觀測站的精密數(shù)據(jù)進(jìn)行后期數(shù)據(jù)處理.

2.1 基線解算分析

項(xiàng)目利用TBC 4.1版本軟件及HGO2.0.2軟件進(jìn)行基線處理,在基線處理時分別加載廣播星歷和精密星歷進(jìn)行處理,因篇幅原因隨機(jī)選取57條在兩種軟件中加載廣播星歷和精密星歷進(jìn)行處理結(jié)果的基線進(jìn)行比對分析,分析情況如表2、3所示.

表2 TBC加載廣播星歷和精密星歷基線解算結(jié)果對比 m

表2(續(xù)) m

表3 HGO廣播星歷和精密星歷基線解算結(jié)果對比

表3(續(xù))

對基線處理結(jié)果對比分析可知,利用TBC進(jìn)行C級GPS網(wǎng)解算時,分別采用精密星歷和廣播星歷對基線解算結(jié)果影響不大[7];而利用HGO進(jìn)行C級GPS網(wǎng)解算時,分別采用精密星歷和廣播星歷對基線解算結(jié)果有一定的影響,精密星歷均方根值略小于廣播星歷,其差值在±0.0005 mm,其中利用精密星歷解算基線結(jié)果更接近TBC基線解算結(jié)果.

2.2 約束平差及平差結(jié)果對比分析

在兩種星歷基線解算的結(jié)果上進(jìn)行三維約束平差,并對已有的平差結(jié)果與獲取的已知數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,分析結(jié)果如表4、5所示.

表4 TBC精密星歷及廣播星歷約束平差結(jié)果與已知數(shù)據(jù)對比 m

通過TBC軟件解算結(jié)果與已知數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,可以看出精密星歷與廣播星歷解算結(jié)果差別不大,廣播星歷解算結(jié)果及精密星歷解算結(jié)果與已知數(shù)據(jù)差值最大都是在9 mm.

表5 HGO精密星歷及廣播星歷約束平差結(jié)果與已知數(shù)據(jù)對比 m

將HGO軟件解算結(jié)果與已知數(shù)據(jù)進(jìn)行對比可知,HGO軟件利用精密星歷與廣播星歷解算結(jié)果有一定的差值,但不大,其中精密星歷解算結(jié)果與已知數(shù)據(jù)差值最大為13.9 mm,廣播星歷解算結(jié)果與已知數(shù)據(jù)差值最大為14.4 mm.

2.3 平差結(jié)果與已知數(shù)據(jù)差值原因分析

GPS數(shù)據(jù)平差成果質(zhì)量的好壞主要取決于基線解算質(zhì)量、起算點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量及所提供的精密星歷數(shù)據(jù)參考站,而基線解算質(zhì)量又主要取決于基線解算時對各種誤差的消除及基線平差的數(shù)學(xué)模型,試驗(yàn)將TBC及HGO兩種軟件解算結(jié)果和從國家大地?cái)?shù)據(jù)處理中心獲取的部分已知數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)兩種軟件解算結(jié)果與已知數(shù)據(jù)有一定的差值,產(chǎn)生差值的原因主要是解算時采用的起算數(shù)據(jù)及解算軟件不同造成,分析如下:

1) 誤差消除及解算軟件問題

不同的軟件采用的數(shù)學(xué)解算模型不同,考慮的誤差消除方式不同,從而造成不同的解算軟件在相同的條件下解算的結(jié)果存在一定的差異.國家大地?cái)?shù)據(jù)處理中心使用的解算軟件為科研軟件GAMIT,該軟件是基于最小二乘算法,考慮大氣、章動極移、潮汐、精密鐘差等多項(xiàng)改正,并將測站的相對位置、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)和軌道參數(shù)以及對流層天頂延遲估計(jì)、電離層等參數(shù)進(jìn)行反復(fù)迭代平差估算,基線解算時采用組網(wǎng)平差,從而使基線解算的結(jié)果精度更高;該項(xiàng)目所用的TBC軟件是基于最小二乘算法,在解算時考慮了電離層、對流層對基線解算的影響,并對基線進(jìn)行組網(wǎng)平差,使基線解算結(jié)果精度高,基線數(shù)據(jù)穩(wěn)定,基線成果質(zhì)量可靠;而該項(xiàng)目采用的中海達(dá)HGO軟件考慮了對流層的影響,基線解算為單條基線解算合格即可,并未對基線進(jìn)行組網(wǎng)平差,從而使HGO的基線解算結(jié)果相對較差,基線成果質(zhì)量穩(wěn)定性較差.

2) 起算數(shù)據(jù)及參考站提供精密星歷數(shù)據(jù)問題

國家大地?cái)?shù)據(jù)處理中心起算數(shù)據(jù)采用CHAN、BJFS、URUM、LHAZ、SHAO、TWTF、TCMS七個IGS站的數(shù)據(jù)作為起算數(shù)據(jù)[8],起算數(shù)據(jù)分布均勻,精度高,能對測區(qū)整網(wǎng)進(jìn)行很好的控制,而此次試驗(yàn)起算數(shù)據(jù)采用從數(shù)據(jù)處理中心獲取的已知數(shù)據(jù)作為起算點(diǎn),數(shù)據(jù)質(zhì)量相對較弱,同時該實(shí)驗(yàn)采用的IGS精密星歷數(shù)據(jù)只是一個觀測站的數(shù)據(jù),且并未考慮鐘差、地球自轉(zhuǎn)等因素的影響.

3 結(jié) 論

本文利用TBC及HGO兩種軟件分別加載精密星歷和廣播星歷進(jìn)行C級GPS網(wǎng)基線解算及約束平差,并與已知數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,得出結(jié)論如下:

1)從基線解算結(jié)果來分析,在相同條件下,利用精密星歷與廣播星歷解算C級及以下等級的GPS網(wǎng)基線,其基線解算結(jié)果相差不大.同時相對于HGO軟件,TBC軟件基線解算采用基線組網(wǎng)平差迭代計(jì)算,其基線成果質(zhì)量較為穩(wěn)定可靠,而HGO基線解算為單條解算,基線可靠性較弱,解算時利用精密星歷解算基線結(jié)果與TBC基線解算結(jié)果更為相近.

2)在只考慮精密星歷的情況下,從解算結(jié)果與已知數(shù)據(jù)對比來看,TBC軟件在精密星歷與廣播星歷解算的結(jié)果基本一致,且與已知數(shù)據(jù)對比最大差值是9 mm;HGO軟件精密星歷與廣播星歷解算結(jié)果有一定差值,但不大,與已知數(shù)據(jù)對比最大差值是14.4 mm.

3)考慮精密星歷獲取時間需要在觀測時間的基礎(chǔ)上延后13天,為了更快更有效地進(jìn)行工程施工,在C級及以下等級GPS網(wǎng)解算上,可以采用廣播星歷進(jìn)行解算.

4)從TBC及HGO解算表現(xiàn)來看,在一般的工程上,商業(yè)軟件可以滿足解算需要,而且商業(yè)軟件便于安裝維護(hù),較GAMIT/CLOBK科研軟件操作簡單適用,所以在一般工程上都可以采用,但在較為重要工程上采用TBC軟件進(jìn)行基線解算,其結(jié)果更為可靠.