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(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300251)

一、高速鐵路框架控制網(wǎng)CPO測(cè)量要求

高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范有關(guān)CPO控制網(wǎng)規(guī)定：考慮CPI控制網(wǎng)各階段復(fù)測(cè)成果比較，結(jié)合CPO控制網(wǎng)選點(diǎn)、布網(wǎng)、野外測(cè)量等綜合因素，規(guī)定每50 km建造一座CPO。

1．外業(yè)觀測(cè)要求

使用標(biāo)稱精度不低于5mm +1ppm的雙頻GPS接收機(jī)，同步觀測(cè)不少于4臺(tái)，GPS觀測(cè)時(shí)段數(shù)大于4，有效時(shí)段長(zhǎng)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(zhǎng)基線的高精度GPS解算軟件(GAMIT、BERNESE等)進(jìn)行解算，解算模式采用多基線解算模式;顧及對(duì)流層、電離層折射延遲對(duì)高程測(cè)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(yán)密平差模型，不會(huì)產(chǎn)生同步環(huán)坐標(biāo)閉合差問(wèn)題，其結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠。一次提取一個(gè)觀測(cè)時(shí)段中所有進(jìn)行同步觀測(cè)的n臺(tái)接收機(jī)所采集的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，在一個(gè)時(shí)段解算過(guò)程中共同解求出所有n-1條相互獨(dú)立的基線。

基線向量估值

式中

基線向量估值的方差-協(xié)方差陣

式中，

該解算模式特點(diǎn)是數(shù)學(xué)模型嚴(yán)密，能反映出同步觀測(cè)基線間的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性，但數(shù)學(xué)模型和解算過(guò)程比較復(fù)雜，計(jì)算量較大，適用于對(duì)質(zhì)量要求較嚴(yán)格的工程應(yīng)用。

3．解算結(jié)果要求

解算結(jié)果滿足相鄰點(diǎn)相對(duì)中誤差小于20 mm、最弱邊相對(duì)中誤差小于1/2 000 000。

二、Bernese 5．0軟件主要操作步驟

1．?dāng)?shù)據(jù)文件準(zhǔn)備

原始觀測(cè)文件、精密軌道文件、常用文件(GEN)、測(cè)站坐標(biāo)、測(cè)站信息文件等準(zhǔn)備。

2．輸入觀測(cè)數(shù)據(jù)文件

將觀測(cè)數(shù)據(jù)RINEX格式轉(zhuǎn)換為Bernese二進(jìn)制格式。經(jīng)轉(zhuǎn)換后，觀測(cè)值文件轉(zhuǎn)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(cè)文件)、*．CZH(碼非差頭文件)、*．CZO(碼非差觀測(cè)文件)。

3．生成軌道數(shù)據(jù)文件

首先將IGS標(biāo)準(zhǔn)格式的地球自轉(zhuǎn)文件(文件擴(kuò)展名為IEP)轉(zhuǎn)換為Bernese EOP格式文件(文件擴(kuò)展名為ERP);然后將精密星歷轉(zhuǎn)化生成生成軌道列表文件(文件擴(kuò)展名為TEB)，同時(shí)生成衛(wèi)星鐘差文件;再利用軌道列表文件生成標(biāo)準(zhǔn)軌道文件(文件擴(kuò)展名為STD)。

4．?dāng)?shù)據(jù)預(yù)處理

1)使用非差碼觀測(cè)值進(jìn)行接收機(jī)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(jù)一定原則自動(dòng)生成單差基線，且基線相互獨(dú)立，自動(dòng)生成單差基線原則有：

OBS-MAX 以構(gòu)成的單差觀測(cè)值數(shù)量最多為原則;

SHORTEST 以構(gòu)成的單差基線距離最短為原則;

STAR 選定一個(gè)點(diǎn)作為中線點(diǎn)，其他點(diǎn)與這個(gè)點(diǎn)構(gòu)成星形網(wǎng);

DEFINED 預(yù)先自定義好的基線。

3)利用三差解進(jìn)行周跳探測(cè)和修復(fù)。

4)通過(guò)參數(shù)估計(jì)，剔除粗差觀測(cè)值。

5．基線解算

1)求浮點(diǎn)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(zhǎng)基線的解算方法只有QIF、SIGMA兩種。

3)求基線最終解。

三、實(shí)例分析

1．結(jié)合某項(xiàng)目框架網(wǎng)CPO進(jìn)行討論

該項(xiàng)目共有12個(gè)CPO點(diǎn)，聯(lián)測(cè)IGS站點(diǎn)2個(gè)(BJFS、SHAO)，其網(wǎng)形圖如下。

圖1 框架網(wǎng)CPO網(wǎng)形圖

2．不同方法解算數(shù)據(jù)分析

方法1：基線選擇采用OBS-MAX方式(基線選擇以構(gòu)成的單差觀測(cè)值數(shù)量最多為原則)，觀測(cè)值采用Inon-Free L3，對(duì)于長(zhǎng)基線解算時(shí)有很好的效果，不需要進(jìn)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(lái)，其對(duì)流層延遲采用模型進(jìn)行估計(jì)。同時(shí)該框架網(wǎng)CP0也采用GAMIT軟件進(jìn)行了解算，其坐標(biāo)成果比較見表1。其觀測(cè)值及觀測(cè)值方程如下。

Inon-Free線性組合

對(duì)應(yīng)的雙差觀測(cè)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(diǎn)進(jìn)行連接，同時(shí)滿足基線距離最短必選的原則，即SHORTEST選擇基線方式)，觀測(cè)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(lái)，對(duì)流層延遲采用模型進(jìn)行估計(jì)。具體坐標(biāo)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(cè)值采用Widelane(L5)，確定整周模糊度方法采用SIGMA法。首先采用L5進(jìn)行寬巷模糊度NW確定，然后采用L3觀測(cè)值并引入寬巷模糊度確定窄巷模糊度NL，對(duì)流層延遲采用模型進(jìn)行估計(jì)。具體坐標(biāo)成果比較見表3。其觀測(cè)值及觀測(cè)值方程如下。

Widelane線性組合

L5雙差觀測(cè)方程

L3雙差觀測(cè)方程

表1 方法1Bernese計(jì)算結(jié)果與GAM IT計(jì)算結(jié)果比較mm

續(xù)表1 mm

表2 方法2 Bernese計(jì)算結(jié)果與GAM IT計(jì)算結(jié)果比較mm

表3 方法3 Bernese計(jì)算結(jié)果與GAM IT計(jì)算結(jié)果比較mm

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

從表2和表3對(duì)比分析看出，獨(dú)立基線挑選的方式一樣，采用觀測(cè)值組合和確定模糊度的方法不同，從標(biāo)準(zhǔn)差看出，方法2、3計(jì)算的結(jié)果基本一樣，兩種方法解算的坐標(biāo)成果，且坐標(biāo)差均在1mm以內(nèi)。

采用QIF、SIGMA法進(jìn)行模糊度確定時(shí)，其最終解算結(jié)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(shí)確定模糊度只需計(jì)算一次，而SIGMA法則確定模糊度需單獨(dú)計(jì)算兩次。

四、結(jié)束語(yǔ)

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

2)Bernese GPS解算在獨(dú)立基線選擇方式一樣的情況下，采用不同的觀測(cè)值、不同的模糊度確定方法進(jìn)行長(zhǎng)基線解算，QIF和SIGMA的效果基本一樣，對(duì)解算結(jié)果沒(méi)有大的差別。

3)采用相位觀測(cè)值進(jìn)行GPS長(zhǎng)基線模糊度確定時(shí)，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(guó)鐵道部．高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范TB10601—2009[S]．北京：中國(guó)鐵道出版社，2009．

[2]黃勁松．GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理[M]．武漢：武漢大學(xué)出版社，2003．

[3]李征航，張小紅．衛(wèi)星導(dǎo)航定位新技術(shù)及高精度數(shù)據(jù)處理方法[M]．武漢：武漢大學(xué)出版社，2009．

[4]DACH R，F(xiàn)RIDEZ P，HUGENTOBLER U．Bernese GPS Software Version 5．0 Tutorial[R]．Bern：Astronomical Institute/University of Bern，2004．

[5]HUGENTOBLER U，DACH R，F(xiàn)RIDEZ P，et al．Bernese GPSSoftware Version 5．0 DRAFT[R]．Bern：Astronomical Institute/University of Bern，2006．