高速铁路CPO解算及Bernese GPS不同解算策略精度分析

梁 永

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

一、高速铁路框架控制网CPO测量要求

高速铁路工程测量规范有关CPO控制网规定：考虑CPI控制网各阶段复测成果比较，结合CPO控制网选点、布网、野外测量等综合因素，规定每50 km建造一座CPO。

1．外业观测要求

使用标称精度不低于5mm +1ppm的双频GPS接收机，同步观测不少于4台，GPS观测时段数大于4，有效时段长度大于300min。

2．基线解算要求

CPO基线解算采用精密星历且使用适合长基线的高精度GPS解算软件(GAMIT、BERNESE等)进行解算，解算模式采用多基线解算模式;顾及对流层、电离层折射延迟对高程测量精度的影响，最大限度减少折射引起的向量偏差。

多基线解采用的是严密平差模型，不会产生同步环坐标闭合差问题，其结果更为准确可靠。一次提取一个观测时段中所有进行同步观测的n台接收机所采集的同步观测数据，在一个时段解算过程中共同解求出所有n-1条相互独立的基线。

基线向量估值

式中

基线向量估值的方差-协方差阵

式中，

该解算模式特点是数学模型严密，能反映出同步观测基线间的统计相关性，但数学模型和解算过程比较复杂，计算量较大，适用于对质量要求较严格的工程应用。

3．解算结果要求

解算结果满足相邻点相对中误差小于20 mm、最弱边相对中误差小于1/2 000 000。

二、Bernese 5．0软件主要操作步骤

1．数据文件准备

原始观测文件、精密轨道文件、常用文件(GEN)、测站坐标、测站信息文件等准备。

2．输入观测数据文件

将观测数据RINEX格式转换为Bernese二进制格式。经转换后，观测值文件转换成Bernese格式4种格式文件，分别为：*．PZH(相位非差头文件)、*．PZO(相位非差观测文件)、*．CZH(码非差头文件)、*．CZO(码非差观测文件)。

3．生成轨道数据文件

首先将IGS标准格式的地球自转文件(文件扩展名为IEP)转换为Bernese EOP格式文件(文件扩展名为ERP);然后将精密星历转化生成生成轨道列表文件(文件扩展名为TEB)，同时生成卫星钟差文件;再利用轨道列表文件生成标准轨道文件(文件扩展名为STD)。

4．数据预处理

1)使用非差码观测值进行接收机钟差改正。

2)组成基线，Bernese软件可以自定义基线，也可由软件根据一定原则自动生成单差基线，且基线相互独立，自动生成单差基线原则有：

OBS-MAX 以构成的单差观测值数量最多为原则;

SHORTEST 以构成的单差基线距离最短为原则;

STAR 选定一个点作为中线点，其他点与这个点构成星形网;

DEFINED 预先自定义好的基线。

3)利用三差解进行周跳探测和修复。

4)通过参数估计，剔除粗差观测值。

5．基线解算

1)求浮点解。

2)确定整周模糊度。整周模糊度确定的方法软件提供的方法有 QIF(quasi ionosphere free)、SIGMA、SEACH、Round。但适合于长基线的解算方法只有QIF、SIGMA两种。

3)求基线最终解。

三、实例分析

1．结合某项目框架网CPO进行讨论

该项目共有12个CPO点，联测IGS站点2个(BJFS、SHAO)，其网形图如下。

图1 框架网CPO网形图

2．不同方法解算数据分析

方法1：基线选择采用OBS-MAX方式(基线选择以构成的单差观测值数量最多为原则)，观测值采用Inon-Free L3，对于长基线解算时有很好的效果，不需要进行电离层模型改正。确定整周模糊度方法采用QIF，将整周模糊度N1、N2一次确定出来，其对流层延迟采用模型进行估计。同时该框架网CP0也采用GAMIT软件进行了解算，其坐标成果比较见表1。其观测值及观测值方程如下。

Inon-Free线性组合

对应的双差观测方程

方法2：基线选择采用事先自定义DEFINED方式(基线选择是按照线路方向相邻点进行连接，同时满足基线距离最短必选的原则，即SHORTEST选择基线方式)，观测值采用Inon-Free L3，确定整周模糊度方法采用QIF，将整周模糊度N1、N2一次确定出来，对流层延迟采用模型进行估计。具体坐标成果比较见表2。

方法3：基线选择采用事先自定义DEFINED方式，观测值采用Widelane(L5)，确定整周模糊度方法采用SIGMA法。首先采用L5进行宽巷模糊度NW确定，然后采用L3观测值并引入宽巷模糊度确定窄巷模糊度NL，对流层延迟采用模型进行估计。具体坐标成果比较见表3。其观测值及观测值方程如下。

Widelane线性组合

L5双差观测方程

L3双差观测方程

表1 方法1Bernese计算结果与GAM IT计算结果比较mm

续表1 mm

表2 方法2 Bernese计算结果与GAM IT计算结果比较mm

表3 方法3 Bernese计算结果与GAM IT计算结果比较mm

从表1和表2对比分析看出，在独立基线选择方式不一样的情况下，采用的观测值组合和确定模糊度的方法相同，其计算结果是不一样的。方法1解算结果精度优于方法2计算结果精度;采用OBSMAX选择基线的方法比自定义(或SHORTEST)等计算的效果要好，且在X、Y、Z 3个方向的坐标较差相对较均匀，其原因是OBS-MAX以构成的单差观测值数量最多为原则进行基线选取，其观测值比其他SHORTEST、STAR、DEFINED任何方式的同步观测值要多。

从表2和表3对比分析看出，独立基线挑选的方式一样，采用观测值组合和确定模糊度的方法不同，从标准差看出，方法2、3计算的结果基本一样，两种方法解算的坐标成果，且坐标差均在1mm以内。

采用QIF、SIGMA法进行模糊度确定时，其最终解算结果基本一样，但采用QIF法较为方便，其效率高、速度快。因采用QIF法解算基线时确定模糊度只需计算一次，而SIGMA法则确定模糊度需单独计算两次。

四、结束语

1)Bernese GPS解算精度与基线选择方法有关。一般情况下，没有特殊情况建议选择 OBSMAX选择基线的方法进行，解算效果要比其他方式好。

2)Bernese GPS解算在独立基线选择方式一样的情况下，采用不同的观测值、不同的模糊度确定方法进行长基线解算，QIF和SIGMA的效果基本一样，对解算结果没有大的差别。

3)采用相位观测值进行GPS长基线模糊度确定时，最好采用QIF法，该方法解算较为方便，比SIGMA法解算速度快、效率高。

[1]中华人民共和国铁道部．高速铁路工程测量规范TB10601—2009[S]．北京：中国铁道出版社，2009．

[2]黄劲松．GPS测量与数据处理[M]．武汉：武汉大学出版社，2003．

[3]李征航，张小红．卫星导航定位新技术及高精度数据处理方法[M]．武汉：武汉大学出版社，2009．

[4]DACH R，FRIDEZ P，HUGENTOBLER U．Bernese GPS Software Version 5．0 Tutorial[R]．Bern：Astronomical Institute/University of Bern，2004．

[5]HUGENTOBLER U，DACH R，FRIDEZ P，et al．Bernese GPSSoftware Version 5．0 DRAFT[R]．Bern：Astronomical Institute/University of Bern，2006．