超快速星歷在高等級控制網(wǎng)中的應(yīng)用

趙亞平,田 亮,周 巍

（1.61363部隊，陜西 西安 710054）

GPS衛(wèi)星星歷分為廣播星歷和精密星歷。利用廣播星歷計算的衛(wèi)星位置精度比利用精密星歷計算的衛(wèi)星位置精度低2個數(shù)量級[1]，因此一般用于精度要求不高的短距離低等級控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理。本文主要分析精密星歷中IGS最終星歷、IGR快速星歷、IGU超快速星歷對高等級控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理結(jié)果及精度的影響，提出可以用IGU超快速預(yù)報星歷代替IGS最終星歷進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1 IGS精密星歷

IGS產(chǎn)品是由IGS 7個分析中心（CODE、NRCan、GFZ、ESA、NGS、JPL、SIO）分別從全球資料中心獲取全球觀測資料，獨立進(jìn)行處理，IGS綜合分析中心根據(jù)7個分析中心獨立給出的結(jié)果取加權(quán)平均值，求得最終的IGS產(chǎn)品，免費公開提供用戶使用[2]。IGS精密星歷可分為IGS最終星歷、IGR快速星歷和IGU超快速星歷，軌道精度由高到低分別為IGS最終星歷、IGR快速星歷、IGU超快速星歷。

首先由各分析中心獨立產(chǎn)生各自的IGU軌道，然后IGS數(shù)據(jù)中心確定各分析中心軌道的權(quán)，最后形成綜合IGU超快速星歷。目前IGU超快速衛(wèi)星軌道每天發(fā)布4次，分別在UTC時 0.00、6.00、12.00、18.00發(fā)布。IGU星歷文件軌道弧長48 h，前24 h是基于實測GPS的精密軌道，后24 h則是預(yù)推軌道[3]。由于該軌道有24 h的預(yù)推，因此可作為實時使用。

IGS最終星歷獲取需要測后2個星期左右，IGR快速星歷獲取需要測后1 d左右，IGU超快速星歷可實時獲得[4]。IGU星歷與IGS、IGR星歷的數(shù)據(jù)格式、坐標(biāo)框架、采樣間隔相同，數(shù)據(jù)格式為SP3的標(biāo)準(zhǔn)格式，坐標(biāo)框架為ITRF框架，而且都直接給出了15 min采樣間隔的衛(wèi)星坐標(biāo)、鐘差等信息。IGS提供的GPS衛(wèi)星星歷及精度指標(biāo)如表1所示[5]。

表1 IGS衛(wèi)星星歷及精度指標(biāo)

2 星歷誤差對相對定位結(jié)果的影響

衛(wèi)星星歷誤差對相對定位結(jié)果的影響一般可用式（1）來估計[5]：

式中，?b為衛(wèi)星星歷誤差引起的基線誤差；b為基線長度；p為接收機(jī)至衛(wèi)星的距離；SS'為衛(wèi)星星歷誤差。目前IGS最終星歷的精度已優(yōu)于3 cm，而IGU超快速星歷預(yù)報部分的精度已達(dá)到10 cm，由此引起的基線相對誤差為1.2×10-9～ 0.48×10-9。

當(dāng)基線長度b=10 km時，誤差?b約為0.004 8～0.012 mm；當(dāng)基線長度b=50 km時，誤差?b約為0.024 0～0.060 mm；當(dāng)基線長度b=100 km時，誤差?b約為0.048～0.120 mm；當(dāng)基線長度b=500 km時，誤差?b約為0.024～0.600mm；當(dāng)基線長度b=1 000 km時，誤差?b約為0.480～1.200 mm。

高等級大地控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理一般采用的基準(zhǔn)站是中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)點，測站基線長度平均500 km左右，由式（1）計算的IGU衛(wèi)星星歷誤差對相對定位結(jié)果的影響在mm級以下。今后隨著中國大陸環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)工程基準(zhǔn)站的建成與應(yīng)用，基線長度b將大大縮短，衛(wèi)星星歷誤差對相對定位結(jié)果的影響會更小。估算式（1）中系數(shù)的具體取值則取決于基線向量的位置、方向、觀測時段的長短、觀測的衛(wèi)星數(shù)量及其幾何分布等因素。

3 高等級大地控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理

目前國際上廣泛使用的高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件有美國麻省理工學(xué)院和海洋研究所聯(lián)合研制的GAMIT/Globk軟件[4]、美國噴氣推進(jìn)實驗室研制的GIPSY/OASIS軟件和瑞士BERNE大學(xué)研制的Bernese軟件。GAMIT/Globk軟件免費供用戶使用，廣泛運用于GPS數(shù)據(jù)處理中，并在“中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)”、“中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”等重大工程中得到成功應(yīng)用，取得了大量高精度的成果，得到測繪界的認(rèn)可。

高等級大地控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理要求在測區(qū)四周選取適量基準(zhǔn)站同步觀測數(shù)據(jù)，使每天同步聯(lián)測基準(zhǔn)站不少于4個。平差采用基準(zhǔn)站強(qiáng)約束的計算方法。

4 算例與分析

實驗數(shù)據(jù)選取我國西南某省2011年CORS站的觀測數(shù)據(jù)，在實驗點周邊選取GUAN、WUHN、QION、XIAM、LUZH、KMIN 6個中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站的同步觀測數(shù)據(jù)一同計算，實驗數(shù)據(jù)組成的基線長度最短為10 km,最長為1 100 km，平均基線長度為360 km；實驗數(shù)據(jù)處理采用GAMIT軟件（10.35微機(jī)版），平差用Globk（5.06I微機(jī)版）軟件，基線解算時參數(shù)設(shè)置如下[6]：

衛(wèi)星軌道約束：10-8；基準(zhǔn)站坐標(biāo)約束：0.005 m、0.005 m、0.005 m；GNSS點 坐 標(biāo) 約 束：100.0 m、100.0 m、100.0 m；歷元間隔：30 s；衛(wèi)星截止高度角：10°；基線處理模式：松弛解；天頂延遲參數(shù)個數(shù)：每2 h設(shè)置1個；電離層延遲：消除電離層的LC—HELP觀測量；周跳剔除方案：AUTCLN；光壓模型：BERNE；氣象數(shù)據(jù)：采用標(biāo)準(zhǔn)氣象。

平差計算時強(qiáng)約束基準(zhǔn)站點(約束值為0.000 1 m、0.000 1 m、0.000 1 m)。數(shù)據(jù)處理時各種參數(shù)設(shè)置都固定不變，只改變3種星歷文件，即采用IGS最終星歷、IGR快速星歷、IGU超快速星歷分別進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計算每個GPS點在同一框架同一歷元下的空間直角坐標(biāo)及點位精度[7]，其中IGU超快速星歷使用UTC時0.00發(fā)布的24 h預(yù)報星歷，以下計算結(jié)果比較時以IGS最終星歷計算結(jié)果為真值。

實驗區(qū)采用不同星歷計算的結(jié)果與IGS最終星歷計算的結(jié)果坐標(biāo)差分別見表2，不同星歷解算的坐標(biāo)精度結(jié)果分別見表3，坐標(biāo)精度結(jié)果的比較見表4。

表2 空間直角坐標(biāo)的比較表/cm

表3 點位中誤差統(tǒng)計表/cm

表4 點位中誤差之差統(tǒng)計表/cm

從表2可以看出，IGS星歷與IGR星歷坐標(biāo)分量差最大為0.01 mm，IGS星歷與IGU星歷坐標(biāo)分量差最大為0.05mm。與IGS最終星歷計算結(jié)果比較，IGR星歷差值相對比較小、IGU星歷差值相對比較大，但這種差異對采用GAMIT軟件解算結(jié)果產(chǎn)生的影響很小，對相對定位結(jié)果的影響在mm級以下，同3種理論分析相一致。

從表3、表4 可以看出，3種星歷解算的每點坐標(biāo)精度統(tǒng)計結(jié)果基本一致，坐標(biāo)分量中誤差之差的最大值為±0.01 cm，IGU超快速預(yù)報星歷解算精度完全滿足高等級控制網(wǎng)測量要求，在高等級控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理時可以用IGU超快速預(yù)報星歷替代IGS最終星歷進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

隨著空間觀測技術(shù)水平的提高，IGS跟蹤站數(shù)目逐漸增多且分布逐步均勻，GPS衛(wèi)星狀態(tài)、數(shù)據(jù)處理所采用模型不斷精化，IGU超快速星歷預(yù)報精度也將不斷提高，這對實時定位、應(yīng)急保障將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

[1]馮煒，金慧華，邵佳妮，等.IGU星歷在山基GPS掩星預(yù)報中的應(yīng)用[J].大地測量與地球動力學(xué),2009（5）：129-131

[2]李征航，黃勁松.GPS測量與數(shù)據(jù)處理[M]. 武漢：武漢大學(xué)出版社， 2005

[3]張耀文，賈小林，楊志強(qiáng).IGS超快速星歷預(yù)推GPS衛(wèi)星軌道精度分析[J]. 測繪工程,2006（5）：24-26

[4]李廣洲，朱磊，何敏.GPS軌道插值方法[J].地理空間信息,2011（5）：67-68

[5]宋佩穎，丁曉光.基于IGU超快速星歷的高精度實時GPS測量[J].測繪工程,2009（4）：17-19

[6]趙亞平,趙凱,朱璇,等.淺析多路徑效應(yīng)對GPS觀測數(shù)據(jù)的影響[J]. 測繪信息技術(shù),2012（3）： 26-27

[7]趙慶海，陳永祥，趙亞平,等.GPS數(shù)據(jù)處理中的坐標(biāo)系統(tǒng)一問題[J].全球定位系統(tǒng),2008（1）：15-19