超快速星历在高等级控制网中的应用

赵亚平,田 亮,周 巍

（1.61363部队，陕西 西安 710054）

GPS卫星星历分为广播星历和精密星历。利用广播星历计算的卫星位置精度比利用精密星历计算的卫星位置精度低2个数量级[1]，因此一般用于精度要求不高的短距离低等级控制网的数据处理。本文主要分析精密星历中IGS最终星历、IGR快速星历、IGU超快速星历对高等级控制网数据处理结果及精度的影响，提出可以用IGU超快速预报星历代替IGS最终星历进行数据处理。

1 IGS精密星历

IGS产品是由IGS 7个分析中心（CODE、NRCan、GFZ、ESA、NGS、JPL、SIO）分别从全球资料中心获取全球观测资料，独立进行处理，IGS综合分析中心根据7个分析中心独立给出的结果取加权平均值，求得最终的IGS产品，免费公开提供用户使用[2]。IGS精密星历可分为IGS最终星历、IGR快速星历和IGU超快速星历，轨道精度由高到低分别为IGS最终星历、IGR快速星历、IGU超快速星历。

首先由各分析中心独立产生各自的IGU轨道，然后IGS数据中心确定各分析中心轨道的权，最后形成综合IGU超快速星历。目前IGU超快速卫星轨道每天发布4次，分别在UTC时 0.00、6.00、12.00、18.00发布。IGU星历文件轨道弧长48 h，前24 h是基于实测GPS的精密轨道，后24 h则是预推轨道[3]。由于该轨道有24 h的预推，因此可作为实时使用。

IGS最终星历获取需要测后2个星期左右，IGR快速星历获取需要测后1 d左右，IGU超快速星历可实时获得[4]。IGU星历与IGS、IGR星历的数据格式、坐标框架、采样间隔相同，数据格式为SP3的标准格式，坐标框架为ITRF框架，而且都直接给出了15 min采样间隔的卫星坐标、钟差等信息。IGS提供的GPS卫星星历及精度指标如表1所示[5]。

表1 IGS卫星星历及精度指标

2 星历误差对相对定位结果的影响

卫星星历误差对相对定位结果的影响一般可用式（1）来估计[5]：

式中，∆b为卫星星历误差引起的基线误差；b为基线长度；p为接收机至卫星的距离；SS'为卫星星历误差。目前IGS最终星历的精度已优于3 cm，而IGU超快速星历预报部分的精度已达到10 cm，由此引起的基线相对误差为1.2×10-9～ 0.48×10-9。

当基线长度b=10 km时，误差∆b约为0.004 8～0.012 mm；当基线长度b=50 km时，误差∆b约为0.024 0～0.060 mm；当基线长度b=100 km时，误差∆b约为0.048～0.120 mm；当基线长度b=500 km时，误差∆b约为0.024～0.600mm；当基线长度b=1 000 km时，误差∆b约为0.480～1.200 mm。

高等级大地控制网数据处理一般采用的基准站是中国地壳运动观测网络基准点，测站基线长度平均500 km左右，由式（1）计算的IGU卫星星历误差对相对定位结果的影响在mm级以下。今后随着中国大陆环境监测网络工程基准站的建成与应用，基线长度b将大大缩短，卫星星历误差对相对定位结果的影响会更小。估算式（1）中系数的具体取值则取决于基线向量的位置、方向、观测时段的长短、观测的卫星数量及其几何分布等因素。

3 高等级大地控制网数据处理

目前国际上广泛使用的高精度GPS数据处理软件有美国麻省理工学院和海洋研究所联合研制的GAMIT/Globk软件[4]、美国喷气推进实验室研制的GIPSY/OASIS软件和瑞士BERNE大学研制的Bernese软件。GAMIT/Globk软件免费供用户使用，广泛运用于GPS数据处理中，并在“中国地壳运动观测网络”、“中国大陆构造环境监测网络”等重大工程中得到成功应用，取得了大量高精度的成果，得到测绘界的认可。

高等级大地控制网数据处理要求在测区四周选取适量基准站同步观测数据，使每天同步联测基准站不少于4个。平差采用基准站强约束的计算方法。

4 算例与分析

实验数据选取我国西南某省2011年CORS站的观测数据，在实验点周边选取GUAN、WUHN、QION、XIAM、LUZH、KMIN 6个中国地壳运动观测网络基准站的同步观测数据一同计算，实验数据组成的基线长度最短为10 km,最长为1 100 km，平均基线长度为360 km；实验数据处理采用GAMIT软件（10.35微机版），平差用Globk（5.06I微机版）软件，基线解算时参数设置如下[6]：

卫星轨道约束：10-8；基准站坐标约束：0.005 m、0.005 m、0.005 m；GNSS点 坐 标 约 束：100.0 m、100.0 m、100.0 m；历元间隔：30 s；卫星截止高度角：10°；基线处理模式：松弛解；天顶延迟参数个数：每2 h设置1个；电离层延迟：消除电离层的LC—HELP观测量；周跳剔除方案：AUTCLN；光压模型：BERNE；气象数据：采用标准气象。

平差计算时强约束基准站点(约束值为0.000 1 m、0.000 1 m、0.000 1 m)。数据处理时各种参数设置都固定不变，只改变3种星历文件，即采用IGS最终星历、IGR快速星历、IGU超快速星历分别进行数据处理，计算每个GPS点在同一框架同一历元下的空间直角坐标及点位精度[7]，其中IGU超快速星历使用UTC时0.00发布的24 h预报星历，以下计算结果比较时以IGS最终星历计算结果为真值。

实验区采用不同星历计算的结果与IGS最终星历计算的结果坐标差分别见表2，不同星历解算的坐标精度结果分别见表3，坐标精度结果的比较见表4。

表2 空间直角坐标的比较表/cm

表3 点位中误差统计表/cm

表4 点位中误差之差统计表/cm

从表2可以看出，IGS星历与IGR星历坐标分量差最大为0.01 mm，IGS星历与IGU星历坐标分量差最大为0.05mm。与IGS最终星历计算结果比较，IGR星历差值相对比较小、IGU星历差值相对比较大，但这种差异对采用GAMIT软件解算结果产生的影响很小，对相对定位结果的影响在mm级以下，同3种理论分析相一致。

从表3、表4 可以看出，3种星历解算的每点坐标精度统计结果基本一致，坐标分量中误差之差的最大值为±0.01 cm，IGU超快速预报星历解算精度完全满足高等级控制网测量要求，在高等级控制网数据处理时可以用IGU超快速预报星历替代IGS最终星历进行数据处理。

随着空间观测技术水平的提高，IGS跟踪站数目逐渐增多且分布逐步均匀，GPS卫星状态、数据处理所采用模型不断精化，IGU超快速星历预报精度也将不断提高，这对实时定位、应急保障将产生深远影响。

[1]冯炜，金慧华，邵佳妮，等.IGU星历在山基GPS掩星预报中的应用[J].大地测量与地球动力学,2009（5）：129-131

[2]李征航，黄劲松.GPS测量与数据处理[M]. 武汉：武汉大学出版社， 2005

[3]张耀文，贾小林，杨志强.IGS超快速星历预推GPS卫星轨道精度分析[J]. 测绘工程,2006（5）：24-26

[4]李广洲，朱磊，何敏.GPS轨道插值方法[J].地理空间信息,2011（5）：67-68

[5]宋佩颖，丁晓光.基于IGU超快速星历的高精度实时GPS测量[J].测绘工程,2009（4）：17-19

[6]赵亚平,赵凯,朱璇,等.浅析多路径效应对GPS观测数据的影响[J]. 测绘信息技术,2012（3）： 26-27

[7]赵庆海，陈永祥，赵亚平,等.GPS数据处理中的坐标系统一问题[J].全球定位系统,2008（1）：15-19