不同星歷的GAMIT高精度基線解算

王樹東，萬 軍，2

(1.建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計院有限公司，北京 100007；2.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830)

0 引言

全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)測量數(shù)據(jù)處理是研究全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)定位技術(shù)的一項重要內(nèi)容，其中尤為重要的是GPS基線解算。目前，高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件國際上比較知名的是GAMIT數(shù)據(jù)處理軟件，采用雙差觀測量解算模式，通過最小二乘算法進(jìn)行參數(shù)估計，其優(yōu)點是可以完全消除衛(wèi)星鐘差與接收機鐘差產(chǎn)生的影響，同時也能大幅度減弱大氣折射誤差、軌道誤差等的影響。GAMIT基線解算過程中通常要求精密的軌道信息文件作為位置基準(zhǔn)，但是在實際工作中由于最終精密星歷的播發(fā)是延后的，所以有時在一些需要實時進(jìn)行解算基線的工程中，不能滿足GAMIT基線解算的要求[1-5]。

本文通過分析星歷精度對于定位精度的影響，探討基于不同的星歷進(jìn)行GAMIT基線解算與平差計算的方法。

1 星歷誤差

1.1 星歷類型

按照精度劃分，GPS衛(wèi)星星歷可以分為精密星歷和廣播星歷。國際GNSS服務(wù)組織(International GNSS Service，IGS)負(fù)責(zé)提供各種導(dǎo)航定位系統(tǒng)的星歷，由7個IGS處理分析中心的結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均之后得到，主要分為最終星歷、快速衛(wèi)星歷和超快速星歷3種。廣播星歷較精密星歷的精度稍差，目前主要用于導(dǎo)航定位、低等級或短基線的工程測量[6-8]。

星歷的更新時刻為世界協(xié)調(diào)時(coordinated universal time，UTC)。各種星歷的具體情況如表1所示。

表1 星歷類型

1.2 星歷誤差對定位精度的影響

衛(wèi)星星歷誤差指衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星位置與衛(wèi)星實際位置之差。衛(wèi)星在空中運行時，會受到很多力的影響，如天體引力攝動、太陽輻射壓力、衛(wèi)星鐘差等。經(jīng)過理論的分析與實驗研究，衛(wèi)星星歷誤差對相對定位的影響結(jié)果為

(1)

表2 不同星歷的相對基線誤差

2 計算流程

2.1 基線解算原理

假設(shè)在2點同步觀測s、k衛(wèi)星，可以組成2個單差觀測方程為：

(2)

(3)

式中：A、B表示2臺接收機；s、k表示衛(wèi)星；f為相位頻率；τ為波長；ρAB為t時刻測站到衛(wèi)星的幾何距離；δAB為接收機鐘差；NAB為t時刻的相位整周未知數(shù)；ΔAB為大氣誤差。

僅考慮頻率相同的情況，即τs、τk相同時用τ表示，對式(2)及式(3)求差化簡可得

(4)

由式(4)可見通過雙差觀測方程消除了衛(wèi)星鐘差與接收機鐘差。對于短距離基線來說，大氣誤差影響較小，可忽略不計。此時的未知參數(shù)為2測站的相對矢量和整周模糊度[9-10]。

2.2 解算策略設(shè)置

本文中的解算軟件為GAMIT 10.5，其需要在UNIX或LINUX系統(tǒng)中運行，同時需要GCC編譯器的支持。軟件的具體安裝步驟可參考相關(guān)文獻(xiàn)，本文不再對軟件的安裝進(jìn)行詳細(xì)講述。

比特幣交易是相互關(guān)聯(lián)的輸入輸出交易事務(wù)，使用未經(jīng)使用的交易的輸出（UTXO）作為輸入，并生成新的輸出。同一筆交易可以有多個輸入和多個輸出，具體交易格式如表1所示。

GAMIT數(shù)據(jù)處理主要的解算策略設(shè)置，采用軌道松弛模式；LC_AUTCLN解算類型；光壓模型采用BERNE；對流層天頂距延遲參數(shù)采取2 h估計1個，采用GMF映射函數(shù)；海潮改正模型采用FES2004；衛(wèi)星截止高度角設(shè)置為10°。

2.3 解算流程

2.3.1 基線解算處理流程

1)GAMIT的參數(shù)設(shè)置。采用RELAX解模式，解的數(shù)據(jù)類型為LC-AUTCLN，衛(wèi)星截止高度角為10°，對流層延遲每2 h設(shè)置1個，對基準(zhǔn)站N、E、U方向的約束都為5 cm。

2)GAMIT數(shù)據(jù)解算分步進(jìn)行處理，編制調(diào)用GAMIT有關(guān)模塊的命令。通過創(chuàng)建一個年積日文件夾，將觀測文件、廣播星歷文件以及tables中的文件復(fù)制到年積日的文件夾下[11]：

①執(zhí)行makexp，檢查要解算的RINEX格式或GAMIT認(rèn)可的X開頭的觀測文件，正常運行后，按照提示依次輸入有關(guān)工程的各類信息和參數(shù)；

②執(zhí)行sh_sp3fit，生成g文件以及t文件；

③執(zhí)行sh_check_sess，對生成的g文件進(jìn)行檢查，以查看session.info中有對應(yīng)的衛(wèi)星；

④執(zhí)行makej，由廣播星歷文件生成鐘差文件，即參考時刻衛(wèi)星鐘的鐘偏以及鐘漂；

⑤執(zhí)行sh_check_sess，檢查J文件，以查看session.info中有對應(yīng)的衛(wèi)星；

⑦執(zhí)行fixdrv，生成接收機鐘差多項式系數(shù)I文件以及批處理文件(b****y.bat)和相應(yīng)的輸入文件；

⑧執(zhí)行csh b****y.bat，得到每天的計算結(jié)果文件。

2.3.2 平差處理流程

1)利用GLOBK的htoglb模塊將H文件轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制文件。

2)將所有*.glx文件做一個列表文件，命名為*.gdl。

3)執(zhí)行g(shù)lobk單天平差計算，輸入“glred 6 glred.prt glred.log *.gdl globk_comb.cmd”，得到單天平差結(jié)果文件。

2.4 解算結(jié)果分析

單時段解算的標(biāo)準(zhǔn)化均方根殘差(normalized root mean square value，NRMS)是判斷GAMIT基線解算結(jié)果質(zhì)量好壞的一個重要指標(biāo)。通常來說，NRMS值越小，基線解算精度越高；反之，精度越低。依據(jù)Q文件中的NRMS值對其結(jié)果進(jìn)行衡量分析，比較理想的NRMS值應(yīng)小于0.25；若大于0.5，說明處理過程中有可能存在未消除的大周跳或某一參數(shù)的解存在較大偏差；查看O文件中的基線解算結(jié)果和精度，從而進(jìn)一步對基線解算結(jié)果進(jìn)行分析[12-15]。

3 算例及精度分析

3.1 算例

選用2012-10-02(年積日第289天)福建省7個連續(xù)運行參考站(continuously operating reference stations，CORS)的原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，觀測時間為24 h，歷元間隔30 s。7個CORS站點分布如圖1所示。

用7種星歷對CORS站的數(shù)據(jù)進(jìn)行了解算，并從解算完的基線中選擇了14條，具體情況如表3所示。

表3 GAMIT解算實驗基線

3.2 精度分析

通常只要NRMS值符合要求，則可認(rèn)為基線解算結(jié)果比較可靠。表4為不同的星歷解算得到的NRMS值。從表中可以看到，幾種星歷解算的NRMS值都小于0.25，并且與最終精密星歷解算的NRMS值之差僅為0.012，說明由快速星歷和超快速星歷得到的解算結(jié)果是合理的。

表4 7種星歷解算驗后NRMS值

為進(jìn)一步比較解算結(jié)果的精度，對不同星歷平差完成的基線坐標(biāo)進(jìn)行比較分析。解算結(jié)果以利用最終精密星歷進(jìn)行解算的結(jié)果為基準(zhǔn)，將其他星歷解算得到的基線坐標(biāo)分量與之求差，得到基線解分別在北方向(N)、東方向(E)、天向(U)3個方向的差值，如圖2、圖3、圖4所示。

從圖2～圖4中可以看出由快速星歷解算得到的結(jié)果和最終精密星歷解算得到的結(jié)果在3個方向上的差值都為零。這說明在本次基線解算實驗中，快速精密星歷和最終精密星歷基線解算的測站坐標(biāo)結(jié)果一致。超快速精密星歷解算得到的結(jié)果與最終精密星歷解算得的結(jié)果在3個方向上存在差異；當(dāng)基線長度在370 km以內(nèi)時，在N、E方向上差值基本在0.5 mm以內(nèi)；當(dāng)基線長度達(dá)到432和494 km時，差值在1～2 mm之間，且呈現(xiàn)隨著基線增長差值逐漸增大的趨勢。

4 結(jié)束語

本文使用不同星歷對實測CORS站數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算，通過這次基線解算實驗以及工作中大量的基線解算經(jīng)驗，驗證了在特定情況下，使用其他2種星歷代替最終精密星歷進(jìn)行基線解算的可行性與準(zhǔn)確性，且得出：當(dāng)在無法獲取最終精密星歷但可以獲取快速精密星歷的的特殊情況下，可以使用快速精密星歷代替最終精密星歷進(jìn)行高精度的基線解算與平差處理；當(dāng)在無法獲取上述2種星歷但可獲取超快速星歷的特殊情況下，在處理小于400 km以內(nèi)的中短基線數(shù)據(jù)時，可以使用超快速精密星歷代替精密星歷進(jìn)行高精度的基線解算與平差處理。

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