牟春霖

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142)

隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，對(duì)框架控制網(wǎng)(CP0)平面坐標(biāo)精度的要求越來(lái)越高?？蚣芸刂凭W(wǎng)(CP0)[1]是高速鐵路平面GPS控制測(cè)量二維約束平差的關(guān)鍵，直接影響著基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)(CPI)、線路平面控制網(wǎng)(CPⅡ)及軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)平面坐標(biāo)的解算精度。目前，國(guó)際公認(rèn)的GPS基線解算軟件主要有：美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)和斯克里普斯海洋研究所(SIO)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的GAMIT/GLOBK、瑞士伯爾尼大學(xué)天文研究所研制的Bernese以及德國(guó)的EPOS等[2]。其中，GAMIT/GLOBK[3-8]不但精度高而且開(kāi)放源代碼，使用者可以根據(jù)需要進(jìn)行源程序的修改，依據(jù)不同的需要建立適合科研及生產(chǎn)的數(shù)學(xué)模型[9]，適用于中長(zhǎng)距離的GPS定位數(shù)據(jù)處理，在地殼變形、高精度測(cè)量數(shù)據(jù)處理等眾多領(lǐng)域得到非常廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)階段，對(duì)于框架控制網(wǎng)解算結(jié)果的精度及時(shí)效性要求越來(lái)越高，國(guó)際GNSS服務(wù)組織(IGS)可提供三種精密星歷產(chǎn)品[10，11]：最終產(chǎn)品(IGF)、快速產(chǎn)品(IGR)及超快速產(chǎn)品(IGU)，其中，IGF產(chǎn)品精度最高，但其時(shí)延為12～18 d，時(shí)效性差，很難滿足高速鐵路框架控制網(wǎng)對(duì)于時(shí)效性的要求，IGR及IGU產(chǎn)品精度比IGF產(chǎn)品略低，但其時(shí)間延遲大大降低(IGU更能達(dá)到實(shí)時(shí))，滿足高速鐵路框架控制網(wǎng)對(duì)于時(shí)效性的要求。以某高速鐵路框架控制網(wǎng)(CP0)的觀測(cè)數(shù)據(jù)為例，利用GAMIT/GLOBK軟件對(duì)基于不同星歷產(chǎn)品(IGR和IGU)的基線進(jìn)行解算，并利用TGPPS軟件進(jìn)行二維約束平差，將基線解算及網(wǎng)平差結(jié)果與IGS最終星歷產(chǎn)品(IGF)的解算結(jié)果進(jìn)行比較和分析，對(duì)IGR和IGU產(chǎn)品在基線解算及網(wǎng)平差中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 IGS三種精密星歷產(chǎn)品精度及時(shí)效性分析

采用GAMIT/GLOBK進(jìn)行基線解算時(shí)，需要準(zhǔn)備多個(gè)文件，如觀測(cè)文件、精密軌道文件(即精密星歷文件)、廣播星歷文件，以及章動(dòng)、極移表、太陽(yáng)、月球星歷、跳秒等[12]。其中，影響GAMIT/GLOBK基線解算精度最重要的文件之一為精密星歷文件[13，14]。為了滿足不同用戶的需要，國(guó)際GNSS服務(wù)組織(IGS)提供了三種精密星歷產(chǎn)品[10，11]，包括最終產(chǎn)品(IGF)、快速產(chǎn)品(IGR)及超快速產(chǎn)品(IGU)，其相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 三種精密星歷產(chǎn)品相關(guān)參數(shù)

從表1可以看出，三種精密星歷產(chǎn)品在采樣間隔上并無(wú)差別，從精度及時(shí)效性來(lái)看，最終產(chǎn)品(IGF)的精度雖然最高，但時(shí)間延遲為12～18 d，每周只更新一次，時(shí)效性較差；IGR產(chǎn)品精度與IGF相當(dāng)，但時(shí)間延遲大大降低，且產(chǎn)品每天更新一次；IGU產(chǎn)品分為實(shí)測(cè)部分和預(yù)報(bào)部分，兩者與IGF產(chǎn)品相比，精度稍差。有研究表明，精度最差的IGU預(yù)報(bào)部分5 cm的軌道誤差對(duì)于100 km的基線在最不利情況下的影響也不會(huì)超過(guò)0.1 mm[13]，此產(chǎn)品時(shí)間延遲大大降低，每天更新4次，時(shí)效性好，其預(yù)報(bào)部分可達(dá)到實(shí)時(shí)的目的。

綜上所述，IGF產(chǎn)品雖然軌道精度最高，但時(shí)延較長(zhǎng)，很難滿足目前高速鐵路框架控制網(wǎng)對(duì)于時(shí)效性的要求，而IGR及IGU產(chǎn)品與IGF產(chǎn)品相比，軌道精度相當(dāng)或略有降低，但時(shí)間延遲大大降低，在獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)后，可以利用GAMIT/GLOBK快速獲得基線解算結(jié)果，能夠滿足高速鐵路框架控制網(wǎng)對(duì)于時(shí)效性的要求。

2 基線解算

采用GAMIT/GLOBK批處理模式進(jìn)行基線解算，解算步驟如下[15]。

①建立工程目錄，最好以4個(gè)英文字符命名。

②在工程目錄下建立以年積日命名的文件夾(如234)、rinex文件夾(用于存放觀測(cè)數(shù)據(jù)文件)、igs文件夾(用于存放sp3，即精密星歷文件)、brdc文件(用于存放廣播星歷文件)。

③輸入sh_setup命令，將GAMIT/GLOBK安裝目錄下的tables文件夾鏈接到工程目錄下。tables文件夾包括：soltab太陽(yáng)星歷表、luntab月球星歷表、pole.極移表、潮汐表、周跳表、衛(wèi)星天線及相位中心偏移參數(shù)、衛(wèi)星編號(hào)及衛(wèi)星狀況表、接收機(jī)天線類型表、數(shù)據(jù)解算參數(shù)設(shè)置文件等。

④對(duì)tables文件夾中的參數(shù)文件進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置基線解算的開(kāi)始時(shí)間、采樣間隔、參與計(jì)算的歷元數(shù)、參與計(jì)算的測(cè)站等。

⑤輸入sh_gamit命令進(jìn)行基線批處理解算，得到基線解算結(jié)果。

⑥批處理完成后，查看基線解算結(jié)果，利用GAMIT/GLOBK或其它網(wǎng)平差軟件進(jìn)行網(wǎng)平差處理。

某高速鐵路框架控制網(wǎng)(CP0)的數(shù)據(jù)包括7個(gè)測(cè)站(測(cè)站名分別為GPS01、GPS02、GPS03、GPS04、GPS05、GPS06及GPS07)，采用的技術(shù)指標(biāo)為：①觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)≥4顆；②衛(wèi)星截止高度角為15°；③數(shù)據(jù)采樣間隔為30 s；④數(shù)據(jù)采樣方式為L(zhǎng)1+L2。測(cè)站分布如圖1所示。其中，距離最長(zhǎng)的基線為GPS01-GPS07，長(zhǎng)度為188 526.778 m，距離最短的基線為GPS06-GPS07，長(zhǎng)度為27 400.145 m。

圖1 某高速城際鐵路框架控制網(wǎng)(CP0)

借助GAMIT/GLOBK基線解算模塊，基于上述框架控制網(wǎng)(CP0)數(shù)據(jù)，利用IGR及IGU星歷產(chǎn)品分別對(duì)此框架控制網(wǎng)的基線進(jìn)行解算，將解算結(jié)果與IGF星歷產(chǎn)品解算的基線結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以IGF產(chǎn)品解算的基線為真值，對(duì)兩種產(chǎn)品(IGR及IGU)解算的基線坐標(biāo)分量(X，Y，Z)及基線長(zhǎng)度(L)進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)，如圖2及表2、表3所示。

圖2 不同星歷產(chǎn)品基線解算結(jié)果誤差

基線長(zhǎng)度/mIGR-IGF/mmΔXΔYΔZΔLGPS01-GPS0248703.5975.7-5.7-4.5-2.2GPS01-GPS06173428.4877.8-9.0-6.9-2.4GPS01-GPS04114439.6206.8-5.8-4.0-3.2GPS01-GPS0385930.4217.4-6.3-3.9-3.7GPS01-GPS05144690.1516.0-5.3-4.5-2.6GPS01-GPS07188526.7928.0-7.0-5.2-3.8GPS02-GPS06126547.5812.1-3.2-2.3-0.2GPS02-GPS0465746.6091.1-0.10.5-1.1GPS02-GPS0338503.6011.7-0.50.5-1.6GPS02-GPS0597609.1780.30.40.0-0.4GPS02-GPS07140199.7262.5-1.2-0.7-1.6GPS06-GPS0468511.456-1.03.22.90.5GPS06-GPS0399203.280-0.42.72.90.7GPS06-GPS0528946.984-1.83.72.30.3GPS06-GPS0727400.1430.42.01.6-1.0GPS04-GPS0331591.1150.6-0.40.00.3GPS04-GPS0541933.092-0.80.5-0.6-0.1GPS04-GPS0776204.3961.4-1.1-1.2-0.7GPS03-GPS0571257.099-1.30.9-0.60.3GPS03-GPS07107728.0050.8-0.7-1.3-0.3GPS05-GPS0747127.0712.2-1.7-0.6-1.3

表3 IGU星歷產(chǎn)品基線解算結(jié)果誤差

從圖2及表2、表3誤差統(tǒng)計(jì)的結(jié)果可以看出，基于IGR及IGU星歷產(chǎn)品解算的基線，X分量精度均優(yōu)于8 mm，Y分量精度均優(yōu)于9 mm，Z分量精度均優(yōu)于7 mm，基線長(zhǎng)度誤差均小于4 mm，IGU星歷產(chǎn)品解算的基線誤差略大于IGR產(chǎn)品。

綜上所述，IGR及IGU產(chǎn)品基線解算結(jié)果與IGF解算結(jié)果精度相當(dāng)，兩者均能滿足高速鐵路框架控制網(wǎng)對(duì)于基線解算精度的要求，而IGU產(chǎn)品的時(shí)間延遲更短，更能滿足高速鐵路框架控制網(wǎng)對(duì)于時(shí)效性的要求。

從圖2及表2、表3可以看出，隨著基線長(zhǎng)度的增加，基于IGU解算的基線各分量誤差逐漸增大，但從整體結(jié)果來(lái)看，各坐標(biāo)分量精度均優(yōu)于10 mm，基線長(zhǎng)度精度均優(yōu)于4 mm。上述結(jié)果表明，基于IGU產(chǎn)品解算的基線能夠滿足目前高速鐵路框架控制網(wǎng)的精度要求。

3 二維約束平差

為了進(jìn)一步分析IGR及IGU產(chǎn)品對(duì)高速鐵路框架控制網(wǎng)平面坐標(biāo)解算結(jié)果精度的影響，利用GPS網(wǎng)平差軟件—TGPPS對(duì)基線數(shù)據(jù)進(jìn)行二維約束平差，得到各個(gè)站點(diǎn)的平面坐標(biāo)(x，y)，并將兩套(IGR和IGU)平面坐標(biāo)與IGF解算的坐標(biāo)(網(wǎng)平差后)進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)。

利用GPS01、GPS03和GPS06三個(gè)已知點(diǎn)作為起算點(diǎn)，對(duì)IGF、IGR及IGU解算的基線數(shù)據(jù)進(jìn)行二維約束平差，得到其余4個(gè)站點(diǎn)(GPS02、GPS04、GPS05及GPS07)的平面坐標(biāo)(x，y)。對(duì)三種精密星歷產(chǎn)品(IGF、IGR及IGU)解算的基線進(jìn)行二維約束平差及技術(shù)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)，如表4所示(表中的限差根據(jù)現(xiàn)行高速鐵路測(cè)量規(guī)范確定)。

表4 三種精密星歷解算的基線進(jìn)行網(wǎng)平差后技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

從表4可以看出，利用三種精密星歷(IGF、IGR及IGU)解算的基線進(jìn)行二維約束平差后，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合高速鐵路測(cè)量規(guī)范所規(guī)定的限差。

三種星歷(IGF、IGR、IGU)基線解算及網(wǎng)平差后的控制點(diǎn)點(diǎn)位精度統(tǒng)計(jì)如表5所示。

從表5可以看出，基線解算及網(wǎng)平差后，IGF產(chǎn)品各控制點(diǎn)x方向中誤差最大值為0.9 mm，y方向中誤差最大值為2.0 mm，所有控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差均在2.2 mm以內(nèi)； IGR產(chǎn)品各控制點(diǎn)x方向中誤差最大值為1.0 mm，y方向中誤差最大值為2.0 mm，所有控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差均在2.2 mm以內(nèi)； IGU產(chǎn)品各控制點(diǎn)x方向中誤差最大值為1.0 mm，y方向中誤差最大值為2.0 mm，所有控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差均在2.2 mm以內(nèi)。由此可以看出，基線解算及網(wǎng)平差后，三種星歷產(chǎn)品的點(diǎn)位精度均較高，證明三種產(chǎn)品約束平差的效果較好。

表5 各控制點(diǎn)點(diǎn)位精度統(tǒng)計(jì) mm

然后，將IGR及IGU星歷解算結(jié)果與IGF解算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(以IGF為真值)，得到各個(gè)站點(diǎn)的平面坐標(biāo)誤差，如圖3及表6所示。

圖3 各站點(diǎn)平面坐標(biāo)分量誤差

表6 各站點(diǎn)平面坐標(biāo)分量誤差統(tǒng)計(jì) mm

從圖3及表6各站點(diǎn)平面坐標(biāo)分量誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，IGR及IGU產(chǎn)品解算結(jié)果x分量精度均優(yōu)于1.5 mm，y分量精度均優(yōu)于3 mm，IGU產(chǎn)品解算結(jié)果誤差略大于IGR，但平面誤差均為mm級(jí)，可滿足高速鐵路框架控制網(wǎng)對(duì)于精度的要求。

4 結(jié)論

借助GAMIT/GLOBK基線解算模塊，基于某高速鐵路框架控制網(wǎng)(CP0)數(shù)據(jù)，利用IGR及IGU星歷產(chǎn)品分別對(duì)此框架控制網(wǎng)的基線進(jìn)行解算，將解算結(jié)果與IGF星歷產(chǎn)品基線解算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，IGR及IGU產(chǎn)品基線解算結(jié)果與IGF解算結(jié)果精度相當(dāng)，兩者均能滿足高速鐵路框架控制網(wǎng)對(duì)于基線精度的要求；為了進(jìn)一步分析IGR及IGU產(chǎn)品對(duì)高速鐵路框架控制網(wǎng)平面坐標(biāo)解算結(jié)果精度的影響，對(duì)IGR及IGU產(chǎn)品解算的基線進(jìn)行二維約束平差，得到各個(gè)站點(diǎn)的平面坐標(biāo)，并將兩套(IGR和IGU)平面坐標(biāo)與IGF坐標(biāo)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，IGR及IGU產(chǎn)品x分量精度均優(yōu)于1.5 mm，y分量精度均優(yōu)于3 mm，IGU誤差略大于IGR，但平面誤差均為mm級(jí)，可滿足高速鐵路框架控制網(wǎng)的精度要求，并且IGU星歷產(chǎn)品比IGR時(shí)延更短，更能滿足高速鐵路框架控制網(wǎng)對(duì)于時(shí)效性的要求。

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