用Bernese軟件進(jìn)行客運(yùn)專線GPS控制網(wǎng)長基線解算

董洪波

Bernese軟件是由瑞士伯爾尼大學(xué)天文研究所研究開發(fā)的GNSS數(shù)據(jù)(包括 GLONASS數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、SLR數(shù)據(jù))處理軟件。1999年11月發(fā)布的版本4.2增加了處理GLONASS數(shù)據(jù)、SLR數(shù)據(jù)的功能并更新了法方程平差結(jié)算模塊(ADDNEQ)。2004年12月推出的5.0版本，其界面更加友好，模塊條理更為清晰，并且對非差模型作了較大改動，更新了BPE模塊，使其精度更高。Bernese GPS軟件既采用雙差模型，也采用非差模型，所以它既可用非差方法進(jìn)行單點(diǎn)定位，又可用雙差方法進(jìn)行整網(wǎng)平差。

1 Bernese解算長基線常見的誤差

1)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差:衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、相位纏繞改正、相對論效應(yīng)等，采用精密星歷，同步觀測值求差，制造衛(wèi)星鐘時預(yù)先把頻率減小約0.004 57 Hz可以有效解決。2)與信號傳播有關(guān)的誤差:電離層延遲誤差、對流層延遲誤差、多路徑效應(yīng)等，采用雙頻觀測值和電離層模型、對流層模型并引入附加代估參數(shù)可以有效解決。3)與接收機(jī)有關(guān)的誤差:接收機(jī)鐘誤差、接收機(jī)位置誤差、天線相位中心位置偏差。4)其他誤差:地球自轉(zhuǎn)的影響、地球潮汐改正，引入?yún)?shù)改正文件可以有效解決。

2 Bernese軟件的程序結(jié)構(gòu)

Bernese軟件主要包括手工處理部分和批處理部分(BPE)部分，手工處理部分分為5個部分的內(nèi)容，分別為:格式轉(zhuǎn)換部分(Transfer/Conversion Part)、軌道部分(Orbit Part)、數(shù)據(jù)處理部分(Processing Part)、模擬部分(Simulation Part)和常用工具部分(Service Part)。

3 Bernese軟件的數(shù)據(jù)處理步驟

具體步驟如圖1所示。

1)數(shù)據(jù)文件的準(zhǔn)備。包括準(zhǔn)備觀測文件、星歷文件，以及更新數(shù)據(jù)處理所需的表文件。具體包括:原始觀測文件Rinex、大地基準(zhǔn)面文件(DATUM)、相位中心改正表(PHASE.01)、地球重力場模型(JGM3./GEMq3.)、極偏差系數(shù)文件(POLOFF.)、衛(wèi)星參數(shù)(SATELLIT.TT T)、常數(shù)(CONST.)、接收機(jī)信息文件(RECEIVER.)、天線定義文件(.TRN)、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)信息文件(C4_2009.ERP)、跳秒文件(GPSUTC)、衛(wèi)星問題文件(SAT_2009.CRX)、測站問題文件(STACRUX.)、測站文件(.CRD)、測站名轉(zhuǎn)化表文件(.STA)、精密星歷文件(.SP3)。

2)項(xiàng)目設(shè)置。通過項(xiàng)目(campaign)來管理所有數(shù)據(jù)，在開始處理數(shù)據(jù)之前，必須先設(shè)置好項(xiàng)目，包括定義項(xiàng)目、創(chuàng)建項(xiàng)目目錄，相關(guān)數(shù)據(jù)需拷貝進(jìn)子目錄，然后設(shè)定好與項(xiàng)目相關(guān)的基本信息等。

3)時段定義。時段是覆蓋所有需要被計算的觀測數(shù)據(jù)的某個時間間隔段，一個項(xiàng)目存在一個或多個時段。由于Bernese軟件使用的是按時段進(jìn)行計算的方法，必須在每個項(xiàng)目中定義時段信息表。只有在時段信息表中定義的時段才能被使用，每個時段被定義為在時間間隔上單獨(dú)分開，彼此間不重合。

4)觀測數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化。首先進(jìn)行Rinex數(shù)據(jù)的平滑，將觀測數(shù)據(jù).09o的格式轉(zhuǎn)換成.SM T格式;然后把RINEX格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成Bernese二進(jìn)制格式文件，目的為加速數(shù)據(jù)讀取速率。觀測文件轉(zhuǎn)換成Bernese格式有如下4種格式，它們分別為:*.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)，在原始文件由Rinex格式轉(zhuǎn)換成Bernese格式過程中，有時會出錯，認(rèn)為該接收機(jī)類型與PHASE.O1文件不匹配，造成轉(zhuǎn)換不成功。其主要問題是Rinex格式的原始文件中可能存在非法字符，該問題通?？梢酝ㄟ^檢查原始文件是否有非法字符或用數(shù)據(jù)管理軟件TEQC使其標(biāo)準(zhǔn)化。

5)生成軌道數(shù)據(jù)文件。其又稱為衛(wèi)星軌道標(biāo)準(zhǔn)化，在計算衛(wèi)星軌道時，除了需要精密星歷文件外，還需要相應(yīng)的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)文件。Bernese軟件在軌道部分有兩個主要程序，第一個程序?yàn)镻RETAB，其主要工作是把精密星歷由地球參考框架轉(zhuǎn)換為天球參考框架，同時該程序也提取衛(wèi)星的鐘差，生成一個軌道列表文件(.TAB)。第二個程序?yàn)樾l(wèi)星軌道標(biāo)準(zhǔn)化，其工作利用之前生成的.TAB文件里的衛(wèi)星位置作為偽觀測值對軌道作一次最小二乘平差，由軌道表文件產(chǎn)生弧段的標(biāo)準(zhǔn)軌道。通常會對每一個時段(通常為1 d)產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)軌道文件。

6)數(shù)據(jù)預(yù)處理。第一步實(shí)現(xiàn)接收機(jī)鐘同步，計算接收機(jī)時鐘差改正量δk的程序是CODSPP。得到的時鐘改正量儲存在相位和偽距觀測文件中。輸出文件提供后驗(yàn)均方根誤差值 RMS，RMS作為觀測值的一個指標(biāo)，在有SA效應(yīng)時約為20 m～30 m，在沒有 SA效應(yīng)時約為 3 m;第二步形成基線文件，程序是SNGDIF，根據(jù)選定的準(zhǔn)則在整個處理網(wǎng)中形成獨(dú)立的基線單差文件，選用最大觀測值準(zhǔn)則(OBSMAX)，即兩測站間共同觀測量為最多者組成基線，也可用人工方式或其他標(biāo)準(zhǔn)來定義基線;第三步基線預(yù)處理，程序是MAUPRP，主要任務(wù)是周跳探測與修復(fù)。MAUPRP的輸出結(jié)果有很多信息，最重要的應(yīng)查看三差解的結(jié)果，成功的基線預(yù)處理RMS值應(yīng)小于2 cm。

7)參數(shù)估計:基線解算。a.對流層建模，程序用GPSEST主要任務(wù)求解基線的最小二乘解，不過最好的方式是先對整個時段使用的GPSEST求得一個初始解，也就是我們常說的整周模糊度，通過分析解算的殘差以檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量，剔除粗差觀測值，產(chǎn)生一個整周模糊度浮動解;b.確定整周模糊度，程序仍用GPSEST，一般采用QIF(Quasi-Ionosphere-Free)方式求解模糊度，并且忽略基線的相關(guān)性，逐條基線求解的方式;c.基線最終解，程序仍用GPSEST，當(dāng)對所有基線進(jìn)行了整周模糊度解算后，接下來使用GPSEST對整個時段求基線最終解，并生成法方程文件;d.利用幾個時段的法方程，使用程序ADDNEQ，將所得各時段的全部基線解算作為偽觀測值再進(jìn)行平差，以求得更精確的參數(shù)解。

4 應(yīng)用實(shí)例

對杭長客運(yùn)專線7個控制點(diǎn)進(jìn)行了4次觀測，每次觀測6 h。GPS解算選擇了WHUN(武漢)、SHAO(上海)作為已知點(diǎn)進(jìn)行解算，其中WHUN(武漢)作為參考站。解算得到的各點(diǎn)坐標(biāo)中標(biāo)準(zhǔn)差 1.5 mm≤σ≤2.1 mm，這完全滿足GPS B級網(wǎng)的精度要求?？刂泣c(diǎn)解算結(jié)果如表1所示。

表1 控制點(diǎn)解算結(jié)果表

5 結(jié)語

Bernese軟件作為高精度、高要求、高靈活的GPS定位解算軟件，既能進(jìn)行精密單點(diǎn)定位又能進(jìn)行基線解算，具有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型、詳細(xì)的計算過程和參數(shù)控制、強(qiáng)大的自動化批處理、國際標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性、模塊化設(shè)計等特點(diǎn)，對于鐵路客運(yùn)專線基礎(chǔ)控制網(wǎng)的長基線解算來說，具有運(yùn)算快、成果可靠的特點(diǎn)。

[1] 肖永飛.鄭西客運(yùn)專線無碴軌道精密控制網(wǎng)測量方案[J].山西建筑，2008，34(24):354-355.