不同星歷產品對高速鐵路框架控制網解算精度的影響

牟春霖

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142)

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，對框架控制網(CP0)平面坐標精度的要求越來越高?？蚣芸刂凭W(CP0)[1]是高速鐵路平面GPS控制測量二維約束平差的關鍵，直接影響著基礎平面控制網(CPI)、線路平面控制網(CPⅡ)及軌道控制網(CPⅢ)平面坐標的解算精度。目前，國際公認的GPS基線解算軟件主要有：美國麻省理工學院(MIT)和斯克里普斯海洋研究所(SIO)聯(lián)合開發(fā)的GAMIT/GLOBK、瑞士伯爾尼大學天文研究所研制的Bernese以及德國的EPOS等[2]。其中，GAMIT/GLOBK[3-8]不但精度高而且開放源代碼，使用者可以根據需要進行源程序的修改，依據不同的需要建立適合科研及生產的數學模型[9]，適用于中長距離的GPS定位數據處理，在地殼變形、高精度測量數據處理等眾多領域得到非常廣泛的應用。

現階段，對于框架控制網解算結果的精度及時效性要求越來越高，國際GNSS服務組織(IGS)可提供三種精密星歷產品[10，11]：最終產品(IGF)、快速產品(IGR)及超快速產品(IGU)，其中，IGF產品精度最高，但其時延為12～18 d，時效性差，很難滿足高速鐵路框架控制網對于時效性的要求，IGR及IGU產品精度比IGF產品略低，但其時間延遲大大降低(IGU更能達到實時)，滿足高速鐵路框架控制網對于時效性的要求。以某高速鐵路框架控制網(CP0)的觀測數據為例，利用GAMIT/GLOBK軟件對基于不同星歷產品(IGR和IGU)的基線進行解算，并利用TGPPS軟件進行二維約束平差，將基線解算及網平差結果與IGS最終星歷產品(IGF)的解算結果進行比較和分析，對IGR和IGU產品在基線解算及網平差中的應用進行探討。

1 IGS三種精密星歷產品精度及時效性分析

采用GAMIT/GLOBK進行基線解算時，需要準備多個文件，如觀測文件、精密軌道文件(即精密星歷文件)、廣播星歷文件，以及章動、極移表、太陽、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，國際GNSS服務組織(IGS)提供了三種精密星歷產品[10，11]，包括最終產品(IGF)、快速產品(IGR)及超快速產品(IGU)，其相關參數如表1所示。

表1 三種精密星歷產品相關參數

從表1可以看出，三種精密星歷產品在采樣間隔上并無差別，從精度及時效性來看，最終產品(IGF)的精度雖然最高，但時間延遲為12～18 d，每周只更新一次，時效性較差；IGR產品精度與IGF相當，但時間延遲大大降低，且產品每天更新一次；IGU產品分為實測部分和預報部分，兩者與IGF產品相比，精度稍差。有研究表明，精度最差的IGU預報部分5 cm的軌道誤差對于100 km的基線在最不利情況下的影響也不會超過0.1 mm[13]，此產品時間延遲大大降低，每天更新4次，時效性好，其預報部分可達到實時的目的。

綜上所述，IGF產品雖然軌道精度最高，但時延較長，很難滿足目前高速鐵路框架控制網對于時效性的要求，而IGR及IGU產品與IGF產品相比，軌道精度相當或略有降低，但時間延遲大大降低，在獲取觀測數據后，可以利用GAMIT/GLOBK快速獲得基線解算結果，能夠滿足高速鐵路框架控制網對于時效性的要求。

2 基線解算

采用GAMIT/GLOBK批處理模式進行基線解算，解算步驟如下[15]。

①建立工程目錄，最好以4個英文字符命名。

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(用于存放觀測數據文件)、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、衛(wèi)星編號及衛(wèi)星狀況表、接收機天線類型表、數據解算參數設置文件等。

④對tables文件夾中的參數文件進行設置，設置基線解算的開始時間、采樣間隔、參與計算的歷元數、參與計算的測站等。

⑤輸入sh_gamit命令進行基線批處理解算，得到基線解算結果。

⑥批處理完成后，查看基線解算結果，利用GAMIT/GLOBK或其它網平差軟件進行網平差處理。

某高速鐵路框架控制網(CP0)的數據包括7個測站(測站名分別為GPS01、GPS02、GPS03、GPS04、GPS05、GPS06及GPS07)，采用的技術指標為：①觀測衛(wèi)星數≥4顆；②衛(wèi)星截止高度角為15°；③數據采樣間隔為30 s；④數據采樣方式為L1+L2。測站分布如圖1所示。其中，距離最長的基線為GPS01-GPS07，長度為188 526.778 m，距離最短的基線為GPS06-GPS07，長度為27 400.145 m。

圖1 某高速城際鐵路框架控制網(CP0)

借助GAMIT/GLOBK基線解算模塊，基于上述框架控制網(CP0)數據，利用IGR及IGU星歷產品分別對此框架控制網的基線進行解算，將解算結果與IGF星歷產品解算的基線結果進行對比，以IGF產品解算的基線為真值，對兩種產品(IGR及IGU)解算的基線坐標分量(X，Y，Z)及基線長度(L)進行誤差統(tǒng)計，如圖2及表2、表3所示。

圖2 不同星歷產品基線解算結果誤差

基線長度/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星歷產品基線解算結果誤差

從圖2及表2、表3誤差統(tǒng)計的結果可以看出，基于IGR及IGU星歷產品解算的基線，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，基線長度誤差均小于4 mm，IGU星歷產品解算的基線誤差略大于IGR產品。

綜上所述，IGR及IGU產品基線解算結果與IGF解算結果精度相當，兩者均能滿足高速鐵路框架控制網對于基線解算精度的要求，而IGU產品的時間延遲更短，更能滿足高速鐵路框架控制網對于時效性的要求。

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

3 二維約束平差

為了進一步分析IGR及IGU產品對高速鐵路框架控制網平面坐標解算結果精度的影響，利用GPS網平差軟件—TGPPS對基線數據進行二維約束平差，得到各個站點的平面坐標(x，y)，并將兩套(IGR和IGU)平面坐標與IGF解算的坐標(網平差后)進行誤差統(tǒng)計。

利用GPS01、GPS03和GPS06三個已知點作為起算點，對IGF、IGR及IGU解算的基線數據進行二維約束平差，得到其余4個站點(GPS02、GPS04、GPS05及GPS07)的平面坐標(x，y)。對三種精密星歷產品(IGF、IGR及IGU)解算的基線進行二維約束平差及技術指標的統(tǒng)計，如表4所示(表中的限差根據現行高速鐵路測量規(guī)范確定)。

表4 三種精密星歷解算的基線進行網平差后技術指標統(tǒng)計

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

三種星歷(IGF、IGR、IGU)基線解算及網平差后的控制點點位精度統(tǒng)計如表5所示。

從表5可以看出，基線解算及網平差后，IGF產品各控制點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，所有控制點的點位中誤差均在2.2 mm以內； IGR產品各控制點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，所有控制點的點位中誤差均在2.2 mm以內； IGU產品各控制點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，所有控制點的點位中誤差均在2.2 mm以內。由此可以看出，基線解算及網平差后，三種星歷產品的點位精度均較高，證明三種產品約束平差的效果較好。

表5 各控制點點位精度統(tǒng)計 mm

然后，將IGR及IGU星歷解算結果與IGF解算結果進行對比(以IGF為真值)，得到各個站點的平面坐標誤差，如圖3及表6所示。

圖3 各站點平面坐標分量誤差

表6 各站點平面坐標分量誤差統(tǒng)計 mm

從圖3及表6各站點平面坐標分量誤差統(tǒng)計結果可以看出，IGR及IGU產品解算結果x分量精度均優(yōu)于1.5 mm，y分量精度均優(yōu)于3 mm，IGU產品解算結果誤差略大于IGR，但平面誤差均為mm級，可滿足高速鐵路框架控制網對于精度的要求。

4 結論

借助GAMIT/GLOBK基線解算模塊，基于某高速鐵路框架控制網(CP0)數據，利用IGR及IGU星歷產品分別對此框架控制網的基線進行解算，將解算結果與IGF星歷產品基線解算的結果進行對比。結果表明，IGR及IGU產品基線解算結果與IGF解算結果精度相當，兩者均能滿足高速鐵路框架控制網對于基線精度的要求；為了進一步分析IGR及IGU產品對高速鐵路框架控制網平面坐標解算結果精度的影響，對IGR及IGU產品解算的基線進行二維約束平差，得到各個站點的平面坐標，并將兩套(IGR和IGU)平面坐標與IGF坐標結果進行對比。結果表明，IGR及IGU產品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，可滿足高速鐵路框架控制網的精度要求，并且IGU星歷產品比IGR時延更短，更能滿足高速鐵路框架控制網對于時效性的要求。

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