基于GPS定位的成都某工程測(cè)量技術(shù)研究

文鵬 薛愚愚 方強(qiáng)

摘 要：該文基于筆者多年從事城市工程測(cè)量的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以GPS單點(diǎn)定位在城市工程測(cè)量中的應(yīng)用為研究對(duì)象，論文探討了BERNESE 5.0軟件數(shù)據(jù)處理流程、IGS精密星歷等關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，筆者結(jié)合案例進(jìn)行了分析，結(jié)果表明精密單點(diǎn)定位完全滿足城市工程測(cè)量的日常需要，全文是筆者長(zhǎng)期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：GPS單點(diǎn)定位 城市工程測(cè)量 BERNESE 5.0 精密星歷

中圖分類(lèi)號(hào)：TB22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）02（c）-0-02

GPS相對(duì)定位技術(shù)，通過(guò)組成雙差觀測(cè)值消除接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差等公共誤差及削弱對(duì)流層延遲、電離層延遲等相關(guān)性強(qiáng)的誤差影響，來(lái)達(dá)到提高精度的目的，這種作業(yè)方式無(wú)需考慮復(fù)雜的誤差模型，具有解算模型簡(jiǎn)單、定位精度高等優(yōu)勢(shì)。網(wǎng)絡(luò)RTK的出現(xiàn)更是將差分GPS技術(shù)發(fā)揮到了極致，通過(guò)發(fā)布差分改正信息實(shí)現(xiàn)了高精度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位，由于其方便、快捷、高效的作業(yè)技術(shù)方法，得到了快速的發(fā)展。我國(guó)各大城市、地區(qū)相繼建立了各自的CORS系統(tǒng)。但是，這種網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)也存在著不足，如受到通訊網(wǎng)絡(luò)、覆蓋范圍等條件的限制，城市工程測(cè)量中通常工期較緊、要求效率較高，當(dāng)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)需要少數(shù)控制點(diǎn)而CORS系統(tǒng)無(wú)法使用的時(shí)候，如果建立靜態(tài)GPS控制網(wǎng)，則大大影響了作業(yè)效率，提高了作業(yè)成本。精密單點(diǎn)定位技術(shù)是利用載波相位觀測(cè)值以及IGS等組織提供的精度衛(wèi)星星歷及鐘差來(lái)進(jìn)行高精度單點(diǎn)定位的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)厘米定位精度，完全滿足城市工程測(cè)量的需求。目前，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家精密單點(diǎn)定位技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，在我國(guó)這項(xiàng)技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用相對(duì)較少。

為了實(shí)現(xiàn)GPS單點(diǎn)定位達(dá)到厘米級(jí)精度，必須解決如下關(guān)鍵問(wèn)題：①在定位過(guò)程中需要同時(shí)采用相位和偽距觀測(cè)值；②衛(wèi)星軌道精度需達(dá)到厘米水平；③衛(wèi)星鐘差改正精度需達(dá)到納秒量級(jí)；④需要考慮更精確的誤差改正模型。實(shí)質(zhì)上，衛(wèi)星位置和衛(wèi)星鐘差是影響精密單點(diǎn)定位精度的重要因素。該文主要從IGS提供的各種精密星歷和鐘差改正相關(guān)產(chǎn)品著手，利用國(guó)際著名導(dǎo)航定位軟件BERNESE 5.0進(jìn)行計(jì)算，分析快速星歷和最終星歷以及不同采樣間隔星歷鐘差產(chǎn)品對(duì)靜態(tài)單點(diǎn)定位精度的影響，進(jìn)而討論GPS單點(diǎn)定位技術(shù)在城市工程測(cè)量中的應(yīng)用。

1 BERNESE 5.0軟件數(shù)據(jù)處理

到目前為止，國(guó)際上GPS高精度單點(diǎn)定位軟件主要有美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的GIPSY軟件、瑞士伯爾尼大學(xué)的BERNESE軟件、德國(guó)地學(xué)研究中心的EPOS軟件。

GIPSY軟件只供科研使用，不供商用，且不提供源代碼，EPOS軟件應(yīng)用范圍較為局限，主要在歐洲國(guó)家使用，也是以科研為主，而B(niǎo)ERNESE軟件可以商用，且提供源代碼，使用較為廣泛。圖1中給出了BERNESE 5.0單點(diǎn)定位數(shù)據(jù)處理的簡(jiǎn)要流程，主要包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、鐘差改正、誤差模型改正、預(yù)處理和參數(shù)估計(jì)，除了得到測(cè)站坐標(biāo)之外，還可以選擇輸出對(duì)流層、電離層、接收機(jī)鐘差等參數(shù)的估計(jì)結(jié)果。

2 IGS精密星歷

隨著GPS定軌理論和技術(shù)的提高，軌道計(jì)算數(shù)學(xué)模型的完善，以及全球跟蹤站數(shù)目的增多和跟蹤站分布的改善，IGS確定GPS衛(wèi)星軌道的精度有了明顯的提高。目前，國(guó)際IGS服務(wù)局提供的事后精密衛(wèi)星星歷的精度已優(yōu)于5 cm，精密衛(wèi)星鐘差的精度已達(dá)0.1 ns。其提供的精密衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品包括：超快速產(chǎn)品（Ultra Rapid）、快速產(chǎn)品（Rapid）和最終產(chǎn)品（Final）3種，它們?cè)诰取r(shí)延、更新率和采樣率方面是不同的。如表1所示。

由表1知IGS給出的快速星歷和最終星歷在采樣率和精度指標(biāo)上均相同，那么快速星歷和最終星歷對(duì)靜態(tài)精密單點(diǎn)定位精度的影響是否相同，在實(shí)際應(yīng)用中是否需要等待最終產(chǎn)品解算精密單點(diǎn)定位，下面將用實(shí)例進(jìn)行比較分析。

3 實(shí)例數(shù)據(jù)分析

該文選用成都CORS系統(tǒng)基準(zhǔn)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，分別選取超快速星歷（實(shí)測(cè)部分）和最終星歷，以及相對(duì)應(yīng)的鐘差改正文件，利用BERNESE 5.0軟件進(jìn)行精密單點(diǎn)定位計(jì)算，假設(shè)該站已知的精確坐標(biāo)為真值，將兩種單點(diǎn)定位結(jié)果分別與之求差，求得點(diǎn)位中誤差，進(jìn)而比較分析。

為了分析數(shù)據(jù)處理結(jié)果的統(tǒng)計(jì)特性，且避免誤差偶然性，該文將全觀測(cè)數(shù)據(jù)分為24個(gè)時(shí)段，分別使用兩種精密星歷進(jìn)行單點(diǎn)定位計(jì)算。

圖2中給出了使用兩種精密星歷單點(diǎn)定位的點(diǎn)位誤差，可以看出采用超快星歷和最終星歷的精度均在±0.06 m之內(nèi)，大部分時(shí)段是在±0.03 m范圍之內(nèi)，14：00～20：00之間的誤差相對(duì)較大，與廣州地區(qū)活躍的電離層活動(dòng)有關(guān)，兩種結(jié)果相比較，使用最終星歷的單點(diǎn)定位精度相對(duì)較高，但并不明顯。

為了更加詳細(xì)地比較兩種精密星歷對(duì)單點(diǎn)定位結(jié)果的影響，對(duì)兩種精密星歷定位結(jié)果的坐標(biāo)分量分別求差，進(jìn)一步分析X、Y、Z分量較差，可以得出坐標(biāo)分量較差均在±0.02 m范圍之內(nèi)，這種差異對(duì)于城市工程測(cè)量來(lái)說(shuō)影響并不算大，因此不必等到最終星歷的發(fā)布，可以直接使用超快速星歷進(jìn)行單點(diǎn)定位，從而保證了精密單點(diǎn)定位技術(shù)在城市工程測(cè)量當(dāng)中的可

用性。

4 結(jié)語(yǔ)

目前精密單點(diǎn)定位在靜態(tài)定位方面理論已經(jīng)比較成熟，采用高精度GPS計(jì)算軟件以后處理方式得到的定位結(jié)果已完全可以達(dá)到厘米級(jí)精度。該文分別選取超快速星歷和最終星歷兩種精密星歷文件，利用BERNESE 5.0軟件進(jìn)行計(jì)算，對(duì)全天24個(gè)時(shí)段的結(jié)果進(jìn)行分析，可以看出，無(wú)論采用何種精密星歷以及提供的鐘差改正參數(shù)，解算結(jié)果均處于厘米級(jí)精度水平，兩種測(cè)量結(jié)果相差甚微，完全可以滿足城市工程測(cè)量的日常需要。隨著美國(guó)GPS現(xiàn)代化的逐步完成，以及Galileo系統(tǒng)的正式運(yùn)行，偽距碼和多頻觀測(cè)值的增加，可以大大提高精密單點(diǎn)定位的精確性和可靠性，相信精密單點(diǎn)定位技術(shù)在城市測(cè)量中將會(huì)發(fā)揮更大的作用。

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