IGS快速精密星歷與事后精密星歷解算精度分析

□ 李 哲陳 洋王春陽(yáng)于建龍

（1.黑龍江第三測(cè)繪工程院，黑龍江 哈爾濱 150025；2.黑龍江省測(cè)樺南縣光正測(cè)繪有限公司，黑龍江 樺南 154400）

0.引言

GPS（GlobalPositioning System（全球定位系統(tǒng)））是由美國(guó)國(guó)防部研究并開(kāi)發(fā)建立的一種全方位、全天候、全時(shí)段、高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它不僅大大提高了地理信息系統(tǒng)的信息化水平，同時(shí)促進(jìn)了數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展?，F(xiàn)在隨著精密工程測(cè)量學(xué)、地球動(dòng)力學(xué)、GPS氣象學(xué)等領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)處理的精度要求越來(lái)越高，國(guó)內(nèi)外研制出了很多高精度的GPS數(shù)據(jù)處理軟件，有4個(gè)比較有名的GPS高精度處理分析軟件，即美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）和美國(guó)加利福尼亞大學(xué)SCRIPPS海洋研究所（SIO）共同開(kāi)發(fā)的GAMIT軟件；美國(guó)噴漆動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室（JPL）的GIPSY軟件；瑞士伯爾尼大學(xué)研制的Bernese軟件；德國(guó)GFZ的EPOS軟件。除此之外，由我國(guó)武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心自主研制的PANDA軟件。他們都是ISG數(shù)據(jù)分析處理中心采用的軟件，但由于各自設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)不同，所以有著各種的應(yīng)用特點(diǎn)。其中，GAMIT軟件的特點(diǎn)有計(jì)算速度快，算法簡(jiǎn)單易懂，結(jié)果清晰準(zhǔn)確，版本更新快和自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。采用精密星歷和高精度起算點(diǎn)時(shí)，GAMIT軟件解算長(zhǎng)基線的相對(duì)精度能達(dá)到10-9量級(jí)，解算短基線的精度能優(yōu)于1毫米，是世界上最優(yōu)秀的GPS數(shù)據(jù)處理軟件之一。

利用GAMIT進(jìn)行GPS高精度基線解算一般需要很多的準(zhǔn)備文件，比如GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)文件、廣播星歷文件、精密星歷軌道文件以及極移表、章動(dòng)表、跳秒表等[2-3]。這里面的衛(wèi)星軌道精度是影響基線解算結(jié)果的重要因素之一[1]，因此，使用GAMIT進(jìn)行高精度基線解算時(shí)，一般下載使用IGS數(shù)據(jù)處理中心給出的事后IGS最終的精密星歷，其公布的時(shí)間一般是7-18天。對(duì)于很多生產(chǎn)項(xiàng)目中需要較短的時(shí)間內(nèi)解算得到基線結(jié)果的特殊項(xiàng)目，IGS最終星歷無(wú)法滿足生產(chǎn)需求。針對(duì)以上這個(gè)問(wèn)題，本文對(duì)快速星歷IGR和超快精密星歷IGU進(jìn)行GAMIT長(zhǎng)基線解算的精度進(jìn)行分析，驗(yàn)證其精度結(jié)果與事后精密星歷計(jì)算結(jié)果的精度對(duì)比分析。

1.利用GAMIT軟件進(jìn)行GPS基線解算的流程

1.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

在根目錄下新建項(xiàng)目文件夾，文件夾內(nèi)新建brdc、igs、rinex、table 四個(gè)文件夾，分別存放需要處理年積日的廣播星歷文件、精密星歷文件、觀測(cè)值文件和進(jìn)程控制文件。

1.2 解算步驟

上述準(zhǔn)備文件準(zhǔn)備完成之后，在Linux系統(tǒng)下使用GAMIT軟件進(jìn)行解算，可按下述較為簡(jiǎn)單的步驟進(jìn)行。

1.2.1 執(zhí)行g(shù)rep POSITION*.12O＞life命令，根據(jù)O文件提取所有點(diǎn)位坐標(biāo)，生成life.apr。

1.2.2 執(zhí)行rx2apr life.apr 2017 123 命令，求出近似坐標(biāo)。

1.2.3 執(zhí)行g(shù)apr_to_l lfile.apr lfile. " "2017 123，轉(zhuǎn)換成球面坐標(biāo)。

1.2.4 執(zhí)行makexp命令,根據(jù)提示輸入相關(guān)信息，包括：項(xiàng)目名稱、年積日、概略坐標(biāo)文件、導(dǎo)航文件，一級(jí)數(shù)據(jù)采樣間隔、計(jì)算起始時(shí)間、歷元數(shù)。

正常的話軟件安裝正確、準(zhǔn)備文件沒(méi)有問(wèn)題并且上述命令執(zhí)行正確的話，GAMIT會(huì)自動(dòng)進(jìn)行批處理工作，并得到最終的解算結(jié)果。解算結(jié)果可以查看O文件，這里面的單時(shí)段解算出的標(biāo)準(zhǔn)化均方根殘差（NRMS值）是衡量GAMIT解算結(jié)果質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。一般情況，NRMS值越小，基線精度就越高，反之，則精度較低。一般情況下比較理想的值應(yīng)該是小于0.3，如果該值大于1.0就意味著處理過(guò)程中未除去大的周跳或者某個(gè)參數(shù)的解算存在很大的問(wèn)題，又或者解算模型設(shè)定有誤[5]。

2.IGS星歷產(chǎn)品

IGS下屬 7個(gè)分析中心,有 NRCan、GFZ、JPL、CODE、ESA、SIO和 NGS，分析中心對(duì)來(lái)自全球數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算分析處理后，生成衛(wèi)星軌道參數(shù)、地球自傳參數(shù)和測(cè)站位置解等其他產(chǎn)品[6]。IGS對(duì)7個(gè)分析中心的衛(wèi)星軌道參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得到5種IGS星歷產(chǎn)品（如表1所示）。

從表1可以看出，星歷產(chǎn)品的精度與實(shí)踐延遲是成正比的，精度越高，實(shí)踐延遲越長(zhǎng)。這里事后精密星歷的精度最高，但是需要的時(shí)間延遲最長(zhǎng)，12-18天，快速精密星歷的精度與事后相當(dāng)，且時(shí)間較短，為17-41h，GAMIT默認(rèn)識(shí)別的星歷是IGS最終精密星歷，但I(xiàn)GR和IGU星歷同樣為SP3格式文件，文件格式相同，只在文件名前面有些區(qū)別。對(duì)于GAMIT來(lái)說(shuō)，兩者均可以直接使用。IGU星歷每天公布4次，所以對(duì)于當(dāng)天解算可以使用IGU星歷5個(gè)不同時(shí)間更新的精密星歷。

IGR和IGU星歷的使用可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目生產(chǎn)具體情況進(jìn)行選擇。同時(shí)由于IGU具有完全24h預(yù)測(cè)部分，理論上可以滿足在觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取后任意時(shí)間內(nèi)使用GAMIT進(jìn)行解算。

3.案例分析

本文采用2016年2月27日的黑龍江省肇東地區(qū)的8個(gè)C級(jí)網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行GAMIT解算實(shí)驗(yàn)，采樣率為15s，觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)4小時(shí)2個(gè)時(shí)段。

實(shí)驗(yàn)方法：采用GAMIT軟件，將快速精密星歷、事后精密星歷分別進(jìn)行基線解算，然后用CosaGPS軟件進(jìn)行平差處理，。

比較項(xiàng)目：

3.1 將解算結(jié)果與測(cè)站已知坐標(biāo)進(jìn)行比較，以國(guó)家2000大地坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，以IGS參考站為約束點(diǎn)，進(jìn)行控制網(wǎng)整體三維約束平差[4]。再解算基線時(shí)加入了6個(gè)IGS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)分 別 是 ：YAKT、ULAB、BJFS、DAEJ、CHAN、YSSK，平差后得到X、Y、Z三個(gè)方向的外符合精度（如表2所示）。

表2 IGR和IGS解算結(jié)果與已知坐標(biāo)的外符合精度對(duì)比值 單位m

從點(diǎn)位精度信息的對(duì)比結(jié)果來(lái)看，不同精密星歷的解算精度相當(dāng)，都在毫米級(jí)的水平。

3.2 不同星歷解算的基線網(wǎng)平差對(duì)比分析

不同精密星歷解算的基線平差之后各項(xiàng)精度指標(biāo)的對(duì)比（如表3所示）。

表3 IGR與IGS內(nèi)符合精度對(duì)比值 單位m

3.3 再有GAMIT解算基線結(jié)果的好壞可以用驗(yàn)后均方根誤差nrms的值來(lái)體現(xiàn)，在解算方案相同的前提下采用不同精密星歷解算結(jié)果的驗(yàn)后均方根誤差nrms值（如表4所示）。

表4 不同時(shí)段不同星歷的nrms值

從以上分析可以看出：IGS精密星歷和IGR快速星歷解算的精度相當(dāng)，采用IGU星歷解算的結(jié)果與采用IGS精密星歷的結(jié)果差異在毫米級(jí)，因此在缺乏IGS事后精密星歷的情況下，可以采用IGR或者IGU快速精密星歷來(lái)代替。但為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，建議采用IGR快速精密星歷，對(duì)基線解算結(jié)果的精度影像可以忽略不計(jì)，平差精度完成能夠滿足一般生產(chǎn)項(xiàng)目要求。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文在介紹GAMIT基線解算軟件的特點(diǎn)及使用方法的基礎(chǔ)上，提出了使用IGR、IGU與IGS星歷作為軌道文件進(jìn)行GAMIT基線解算的方法，通過(guò)一組基線數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，并分別平差處理，通過(guò)對(duì)比分析基線解算結(jié)果和平差處理結(jié)果最終得出以下結(jié)論：

分別采用超快速精密星歷（IGU）、快速精密星歷（IGR）、事后精密星歷（IGS）進(jìn)行基線解算的精度都在毫米級(jí)的水平，采用IGS精密星歷解算的精度略高，在無(wú)法及時(shí)獲取事后精密星歷（IGS）的情況下，可以采用快速精密星歷（IGR）代替事后精密星歷（IGS）進(jìn)行基線解算，能滿足一般項(xiàng)目精度要求。