GPS精密数据处理方案探讨

引言 

　　GPS数据处理与常规测量数据处理相比具有数据量大、处理过程复杂、处理方法多样、自动化程度高等特点。作者针对越南某水电工程控制网，应用高精度GPS精密数据处理技术进行基线解算，取得了预期的效果。本文作者重点对GPS基线向量解算的基本流程、关键技术及质量控制指标，以供读者参考。

　　1 GPS数据处理流程

　　GPS精密数据处理从原始卫星观测数据开始到最终定位成果，可分为GPS基线向量解算和GPS基线向量网平差计算两个阶段。GPS数据处理的基本流程如图1所示。
  

图1 GPS数据处理基本流程 

　　2 GPS数据处理技术方案

　　本项目需要布设一个用于控制超长隧洞贯通的首级GPS控制网，要求内业数据处理必须保证GPS基线边长相对中误差优于10－7、点位精度优于5毫米，才能确保隧洞的顺利贯通。作者查阅了大量的相关资料，制定以下GPS精密数据处理方案。

　　2.1 精密数据处理软件

　　GPS基线处理软件采用美国麻省理工学院和Scripps研究所共同研制的GAMIT（Ver 10.05）软件，该软件是国际公认最好的GPS基线数据处理软件之一。

　　2.2 精密星历 

　　卫星轨道的精度也是影响GPS基线解算精度的重要因素之一，提高卫星轨道的精度是保证GPS相对定位精度的关键之一。因此，GPS基线数据处理时采用IGS数据处理中心经加权给出的IGS精密星历（ITRF框架）SP3格式，其轨道精度优于0.1m。

　　2.3 坐标框架与历元

　　GPS精密相对定位数据处理中，定位的基准是由卫星星历和基准站坐标共同给出的。因此，控制网基线处理采用的坐标框架与历元为观测期间IGS事后精密星历所对应的框架和瞬时历元。

　　2.4 起算坐标

　　为确保基线解算的精度和稳定度，在基线数据处理中引入高精度全球GPS跟踪站数据加以控制。因此，在GPS精密数据处理时引入的跟踪站包括上海（SHAO）、武汉（WUHN）、西安（XIAN）、昆明（KUNM）、印度大学（IISC）、马尼拉天文台（PIMO），将这些全球永久跟踪站作为GPS控制网的基准，从而使GPS控制点获得高精度的ITRF坐标。

　　2.5 基线数据预处理

　　※　生成RINEX数据格式

　　利用GPS接收机的随机软件将GPS原始数据转换成RINEX标准数据格式，以供GAMIT软件进行基线处理。

　　※ 编制接收机天线高度表

　　根据外业记录信息，在测站信息表Station.info中正确输入各测站的量高方式和垂直高度信息。

　　※ 编制已知坐标和概略坐标表

　　将IGS跟踪站的ITRF坐标和检定场的概略坐标纳入坐标表Vg_in中。

　　※ IGS精密星历及其它信息文件的下载
　　登陆IGS数据处理中心网站下载相应的IGS精密星历文件、卫星和接收机天线相位中心改正信息文件。

　　2.6 基线解算的主要模型和参数 

　　每个时段GPS基线数据处理时，主要考虑以下控制参数。

　　※ 卫星钟差的模型改正，用广播星历中的钟差参数计算。

　　※ 接收机钟差的模型改正，用根据伪距观测值计算出的钟差计算。

　　※ 电离层折射影响改正，用LC观测值消除。

　　※ 对流层折射影响改正，根据标准大气模型用萨斯坦莫宁（Saastamoinen）模型改正，采用分段线性的方法估算折射量偏差参数。

　　※ 卫星和接收机天线相位中心改正，接收机天线L1、L2相位中心偏差采用GAMIT软件的设定值。

　　※ 截止高度角采用15度，历元间隔为15秒。

　　※ 考虑卫星轨道的误差，采用松弛的IGS轨道。

　　2.7 GPS控制网精度等级设计

　　本项目布设的GPS控制网作为15.2公里长的超长隧洞施工的首级控制网，其施测质量的好坏将关系到整个隧洞的贯通。因此，GPS控制网施测严格按照《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T 18314-2001）的A级网（a≤3mm，b≤0.1ppm）要求进行实施，要求基线向量解算的相对精度达到10－7量级，短基线的绝对精度达到毫米量级。

　　3 基线解算质量检核指标

　　按照以上设计的技术方案进行GPS基线向量解算，获得的基线向量必须进行各项闭合差的质量检核，当各项精度指标达到了相应等级精度要求后方可进入第二阶段的网平差计算。否则，必须重新解算基线，直到各项精度指标符合要求为止。

　　4.1 重复基线闭合差

　　各时段基线向量解的重复性反映了基线解的内部精度，是衡量基线解质量的一个重要指标。其定义为：

　　 
　　 
　　式中：Ci是各时段解基线的各分量；是相应分量的协方差；为相应基线分量的加权平均值；R为相应的重复性。
　　4.2 同步环闭合差
　　同步环闭合差应满足：

　　
式中：a≤3mm，b≤0.1ppm；
s为平均基线长公里数；
n为环的边数。
4.3 异步环闭合差
异步环闭合差应满足：


式中：a≤3mm，b≤0.1ppm；
s为平均基线长公里数；
n为环的边数。

　　4 结论

　　本项目从2005年开始施工到2006年4月隧洞全部贯通，历时1年7个月。按实地测定，隧洞横向贯通误差值优于隧洞贯通误差估计值。隧洞实际贯通误差分别为：轴线纵向误差0.071m，横向误差0.085m，竖向误差0.043m。隧洞的顺利贯通进一步验证了项目精密数据处理技术方案是科学可行的。

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