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English-基于GPS精密星历的数据解算

基于GPS精密星历的数据解算

DATA PROCESS BASED ON PRECISE EPHEMERIS OF GPS

摘要：一般的工程应用中GPS控制网通常采用的是广播星历进行数据解算，这对一些低等级的控制网，精度基本符合要求，但是若控制网的等级较高，工程的精度要求更为严格，利用广播星历就不容易使基线解算合格，精度也很难达到要求。利用IGS提供的精密星历对数据进行解算，不但可以使基线解算合格，还可以很大程度的提高数据解算的精度。通过对某实际工程GPS接收机采集到的静态数据进行误差来源分析、数据预处理，利用HGO软件进行基线解算并和加入精密星历后的基线解算结果进行对比分析，得出IGS精密星历在实际工程应用当中的作用和意义，为更好地完成国家建设提供保障。

关键词：GPS，IGS，精密星历，数据预处理，HGO

Abstract:Broadcast ephemeris is usually used in data processing of GPS control network in general engineering application.For some low level control network, its accuracy met the basic requirements. But if the control network of the high accuracy, using the broadcast ephemeris is not easy to make the baseline qualified, and it can reach the precision is very difficult to meet the requirements.The precise ephemeris provided by IGS for data calculation, it can not only make the baseline qualified, but also can greatly improve the accuracy of data calculation.Through the static data collected for GPS receiver in a practical project. Do error analysis, data pre processing to the static date,and do the baseline solution using HGO software.Then compare with results that calculated using the precise ephemeris.The role and significance of precise ephemeris are obtained in practical engineering application, it provides guarantee for the national construction completed successfully.

Keyword:GPS,IGS,precise ephemeris,HGO

1. 引言

GPS对工程测量带来的巨大贡献是目前其他工具和方法无法代替的，工程测量中常用的有：建立精密GPS工程控制网，利用GPS进行大型工程项目的实时动态监测，采用网络RTK技术进行地形图测量等。

在野外，视线良好、周围环境允许的情况下，可以选择GPS联测高等级控制点来做工程控制网的首级控制，因此最需要关注的问题是GPS在工程控制网中能达到什么程度的定位精度。而提高定位精度的方法有多种，可以使用优秀的数据解算软件，如美国麻省理工学

院(MIT)和加州大学圣地亚哥分校Scripps海洋研究所(SIO)研制的GAMIT/GLOBK，或使用国际GNSS(International GNSS Service)服务提供的IGS精密星历。目前，采用商用随机软件的用户一般到IGS网站下载免费提供的IGS产品，即精密星历来提高GPS控制网的定位精度。IGS提供的星历有广播星历、精密星历（包括超快星历、快速星历、最终星历），本文利用精密星历文件对统一控制网做基线解算并分析其结果。

1.Introduction

The great contribution of GPS brings to engineering measurement is the other tools and methods can not be replaced.For example,commonly used in engineering survey,the establishment of network, control precision of GPS engineering,real-time and dynamic monitoring of large engineering projects using GPS,for topographic map measurement using RTK network technology.

In the wild,with a good line of sight,and the surrounding circumstances permit.And using GPS you can carry on the conjunction of high grade control point as the primary control in engineering control network.Then the most concern is the GPS positioning accuracy can achieve what degree in engineering control network. Methods to improve positioning accuracy has a variety of, we can use the best data calculation software,such as MIT and SIO research and developed the GAMIT/GLOBK, and the use of the international GNSS (International GNSS Service) IGS precise ephemeris service provision. At present, the commercial random software users general to the IGS web site and download the freely available IGS products, that is precise ephemeris to improve the positioning precision of GPS control network. IGS provides the ephemeris is broadcast ephemeris, precise ephemeris (including ultra rapid orbits, rapid ephemeris, final ephemeris), using precise ephemeris files on the unified control network do baseline calculation and analysis of its results.

2. IGS服务机构及其产品

IGS(International GNSS Service)由80多个国家200多个组织志愿组成。IGS在全球的跟踪网有多达300多个全球永久性观测站。表2.1为中国境内的跟踪站：

表2.1 中国境内跟踪站

bjfs chan kunm lhaz shao urum wuhn xian guao

北京房山长春昆明拉萨

上海

佘山

乌鲁木

齐

武汉

西安临

潼（已停

止）

乌鲁木

齐

这些连续的GPS控制台向IGS分析中心提供丰富的GPS数据，最终获得精密轨道信息。

IGS提供各种精密星历数据文件，常见的为SP3格式，下表2.2是IGS提供的卫星星历及其精度。

表2.2 IGS提供的GPS卫星星历与其精度

卫星星历精度

/cm

滞后

时间

更新率

数据的时间间

隔/min

广播星历100 实时

超快星历（预报部分）5 实时

1次/6h，UTC3h，9h，

15h，21h

超快星历（实测部分）3 3~9h

1次/6h，UTC3h，9h，

15h，21h

快速星历 2.5 17~41

1次/d，UTC17h15

最终星历 2.5 12~18

1次/星期，每星期四

发布

注：①超快星历的发布时间为每天的UTC3h，9h，15h和21h发布，每天4次，包括48h 的卫星轨道，前24h根据观测值计算出来，后24h为预报轨道；

②上表的精度是x，y，z三个分量的平均RMS值，是通过与独立的SLR结果进行对比后求得的。

2 IGS services and products

IGS (International GNSS Service) consists of more than 80 countries and more than 200 volunteers organization. IGS has more than 300 global permanent observation stations in the global tracking network.

Table 2.1 The tracking station of China

The continuous GPS console provides rich GPS data to IGS Analysis Center, for getting the precise orbit information eventually.

IGS provides a variety of precise ephemeris data file. A common format is the SP3. Table 2.2 below is provided by the IGS satellite ephemeris and precision.

Table 2.2 the GPS satellite ephemeris and precision provided by IGS.

Note:

1.the IGS ultra rapid products’ releasing time is 3h, 9h, 15h and 21h of every

UTC, 4 times a day, including 48h satellite orbit, the former 24h calculated according to the observation value, and 24h for orbit prediction;

2.The accuracy of the table above is the average RMS of x,y and z’s component values, and it is obtained by comparing with the results of independent SLR.

3. GPS卫星星历的误差分析

卫星星历给出的卫星在空间所处的位置及运动速度信息与卫星实际位置和运动速度的差值称为卫星星历误差。广播星历是用参考时刻t0的轨道根数及其变化率（即任一时刻卫星的轨道参数）来描述卫星的运动轨道，然后由用户计算观测t i瞬间卫星在空间的位置和运动速度；IGS精密星历是以一定的时间间隔直接给出卫星的空间三维坐标及三维运动速度，用户利用不同方法（如切比雪夫多项式）进行内插后即可求得观测t i瞬间卫星在空间的位置和运动速度

3. The error analysis of the GPS satellite ephemeris

The difference ,which is between the satellite’s position in space and velocity information given by the satellite ephemeris and the actual position and velocity of the satellite called satellite ephemeris error. Broadcast ephemeris uses the orbit and change rate (the satellite’s track parameter at any time ) of t0 to describe the motion of satellites in orbit, and then the users calculate the position and velocity of the satellite in space at the instant time of Ti ; the IGS precise ephemeris shows out the spatial three-dimensional coordinates and the three dimensional motion speed directly in a certain time interval , with different methods (such as the Chebyshev polynomial interpolation), users can observe the satellite’s position and velocity at the instant time of Ti immediately after Interpolation.

一般在数小时这样的时间段内，对某一颗卫星而言，其星历的误差主要是系统性误差，视场中n颗卫星的星历误差一般是互不相关的，可以看成是一组随机误差。卫星的星历误差会严重影响单点定位的精度，对相对定位精度也产生一定的影响。

Generally in several hours , the ephemeris error is mainly systematic error for a satellite, it is unrelated among N satellite ephemeris error ,it can be regarded as a set of random error.The ephemeris error of the satellite will seriously affect the single point positioning precision, and also have certain effect on the precision of relative positioning.

3.1卫星星历的误差The error of satellite ephemeris

3.1.1 广播星历3.1.1Broadcast ephemeris

GPS的广播星历是由分布在全球的5个监测站对卫星进行跟踪观测后，将观测数据发送到主控站，主控站再利用获得数据中的P码观测值根据卡尔曼滤波的方法估计卫星的位置、速度、太阳光压系数、钟漂及漂移速度、钟差等参数，再在此基础上，利用这些参数推估卫星后续时刻的位置和钟差，对结果进行拟合后得到相应的轨道参数，最后导航电文进行广播。GPS broadcast ephemeris will transmit observation data to the control station after tracking observation by the5 monitoring stations distributed on the global satellite. Then Master station will use the P code observations in the obtained data to estimate the position and velocity of the satellite, the solar radiation pressure coefficient, Zhong Piao and drift velocity, clock error parameters according to the method of Calman filter,and then on this basis,

GPS broadcast ephemeris estimate the satellite position and clock offset follow-up time by using these parameters and obtained the the corresponding orbit parameters after fitting the results, finally navigate message to broadcast.

影响广播星历的精度因素主要有：①卫星的轨道是否调整[1]；

②导航电文的数据龄期较高；

③部分卫星时钟较老，计时不够准确；

④参与的地面跟踪站较少，位置精度的影响；

⑤卡尔曼滤波方法的缺陷。

The main factor affecting accuracy of the broadcast ephemeris are:

1.The satellite track adjust or not.

2.The navigation message data age higher;

3.The part of the satellite clock is old, time is not accurate;

4.The participation of ground tracking stations less, effect of position accuracy;

5. The defects of Calman filter method .

[[[] Li Zhenghang, Ding Wenwu, Li Chao. [J]. geodetic and geodynamic analysis of orbit errors of GPS broadcast ephemeris, 2008,01:50-54.]];

[1]李征航,丁文武,李昭. GPS广播星历的轨道误差分析[J]. 大地测量与地球动力学,2008,01:50-54.

3.1.2 精密星历

GPS接收机的观测值框架是WGS-84坐标系框架，精密星历的参考框架是ITRF。精密

星历的参考框架ITRF与WGS-84的框架之间存在一系统偏差，目前的ITRF2000与WGS-84

坐标系的框架在各分量上偏差小于1cm。表3.1给出了钟差产品的相关情况。

表3.1 GPS卫星钟差与其精度

卫星星历精度滞后时

间

更新率

数据的时间

间隔

广播星历的卫星钟差5ns(RMS)

2.5ns(SDev)

实时

超快（预报）星历的卫星钟差3ns(RMS)

1.5ns(SDev)

实时

1次/6h，每天

UTC3h，9h，15h，

21h发布

15min

超快（实测）星历的卫星钟差150ps(RMS

)

50ps(SDev)

3~9h

1次/6h，每天

UTC3h，9h，15h，

21h发布

15min

快速星历的卫星钟差及跟踪站钟差75ps(RMS)

25ps(SDev)

17~41h 1次/d，UTC17h 5min

最终星历的卫星钟差及跟踪站钟差75ps(RMS)

20ps(SDev)

12~18d

1次/星期，每周四

发布

卫星钟差：

30s

跟踪站钟

差：5min

注：①表中给出的精度未考虑设备内部时延的影响，内部时延必须分别进行检测和校正，上

述精度均是相对于IGS时间基准的；

②计算标准偏差(Standard Deviation，SDev)时消除了每台钟的偏差值，而计算RMS时则不

消除每台钟的偏差值。

表3.2 GPS跟踪站的站坐标、变化率及它们的精度

类别精度滞后时间

/d 更新率数据时间间

隔

最终站坐标平面位置3m

高程6mm

11~17 1次/星期，周三发

布

一星期

最终变化率平面位置

2mm/a

高程6mm/a

11~17 1次/星期，周三发

布

一星期

3.2 星历误差对定位结果的影响

GPS定位时，一般将卫星星历给出的卫星空间位置看做已知值，这样星历误差就成了

一种起算数据误差，这种星历带来的误差对单点定位和相对定位的影响各不相同。 3.2.1 单点定位

单点定位是一种采用一台接收机进行定位的模式，它所确定的是接收机天线的绝对坐标，其观测方程为：

(3.1)

上式中，i V 错误！未找到引用源。是第i 个距离观测值的改正数；错误！未找到引用源。、Y

V 、Z V 为接收机近似坐标(X 0，Y 0，Z 0)的改正数；TR V 是观测瞬间接收机钟的钟差改正数；

常数项i L 为：

(3.2)

上式中，i c ρ为根据卫星星历给出的第i 颗卫星的坐标()si si si z ,y ,x 错误！未找到引用源。

以及接收机的近似坐标(X 0，Y 0，Z 0)所求得的距离计算值；i

0ρ错误！未找到引用源。为接收机所测得的至第i 颗卫星的距离观测值；i ion V 、

i trop V 错误！未找到引用源。为相应的电离层延迟改正和对流层延迟改正；ti V 错误！未找到引用源。为第i 颗卫星的卫星钟改正数。

当卫星星历存在误差时，错误！未找到引用源。会产生变化，使常数项产生错误！未找到引用源。的误差，错误！未找到引用源。为卫星星历误差在接收机到卫星方向上的投影，取消SA 后，其值约为1m 。另外，卫星星历误差还会使观测方程的系数错误！未找到引用源。产生误差。 3.2.2 相对定位

相对定位又称为差分定位，这种定位模式采用两台以上的接收机，同时对一组相同的卫星进行观测，以确定接收机天线间的相互位置关系。在i ，j 处设站对卫星k 进行同步观测后，将两个误差方程相减得到相对定位的误差方程：

(3.3)

上式，错误！未找到引用源。为测站j 到卫星k 方向上的方向余弦，可根据测站j 的近似坐标错误！未找到引用源。和卫星星历求得；错误！未找到引用源。为测站i 、j 间三维坐标的改正数；错误！未找到引用源。为接收机i 和接收机j 的相对钟差改正数；常数项k ij L 错误！未找到引用源。：

()()()[]k trop

k ij

ion k ij c

k ij V V L ++-=0

ρρ

()()()c

k i c

k j c k ij ρρρ-= ()()()0

0k i k j k ij ρρρ-=

(3.4)

上式，错误！未找到引用源。、错误！未找到引用源。为接收机i 和接收机j 到卫星k

的距离观测值，采用测距码测量时，可直接获得，采用载波相位测量时，有：

N λλ?ρ+=

()()()c

k i c

k j c

k ij ρρρ-=

(3.5)

当卫星星历有误差'SS 时，对计算值的影响为：

()

j i

j i j c

i c

k j

k ij

sin

'SS cos 'SS cos 'SS d d d ααααααρρρ-?+?-=?-?=-=

(3.6)

上式，

j αα-是一个微小量，若i 、j 之间的间距为100km 时，

'.i

j 582

≤-αα错误！

未找到引用源。，所以有2

j i

j sin

αααα-≈

-错误！未找到引用源。。由图3.1可以看出，

ααsin b i

j ?≈

-2

错误！未找到引用源。。其中，b 是基线长，ρ为接收机到卫星的距离，θ

的含义见图3.1。那么：

()

θρ

ααρsin b

sin

'SS d dL c

k ij ??+?-==2

(3.7)

图3.1 卫星星历误差对相对定位的影响

由上式可知，卫星星历误差对相对定位的影响要比单点定位小得多。当km b 10=，

km .41032?=ρ，卫星星历误差'SS 在垂直于i 'jS ∠角平线上的投影为m .01时，错误！未找

到引用源。。大量实验结果表明，在GPS 静态定位中，卫星星历误差对相对定位结果的影响一般可用下式来估计：

ργ'SS b b ?=? ??? ??≤≤4110

(3.8)

上式，错误！未找到引用源。为卫星星历误差引起的基线误差。目前，广播星历的精度为2m左右。星历误差对相对定位的影响一般小于10-7。IGS最终星历的精度已达到2.5cm，由此引起的基线相对误差错误！未找到引用源。为0.30~0.12ppb(1ppb=10-9)，足以满足大部分用户的需求。至于上式中的系数错误！未找到引用源。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，观测卫星的数量及几何分布等因素。

4. HGO加载广播星历和精密星历进行中短程基线解算

在HGO中有加载IGS服务机构的SP3精密星历数据导入选项，所以，不用对SP3格式数据进行修改，从服务器下载SP3精密星历后解压直接加载进HGO软件。下面介绍整个数据的解算过程。

4.1 从IGS服务器下载SP3精密星历

4.1.1 GPS周和年积日的确定

首先，根据观测的日期确定出GPS周和年积日，因为IGS提供的精密星历文件是以GPS 周和年积日来命名的。可以在网页https://www.wendangku.net/doc/f31065170.html,/freebies/gpscalendar.html上查到1994~2021年的GPS周和年积日。论文使用项目的日期为2005年12月7日，查得GPS周和年积日，GPS周为1352，年积日为341（年积日在中海达的GPS观测数据中可以体现），如下图4.1所示。

图4.1 GPS周和年积日查询

4.1.2 从IGS服务器下载精密星历

确定了GPS周和年积日后，从IGS的服务器下载精密星历数据。详细操作步骤如下所

述：

第一步，在浏览器中输入服务器地址ftp://https://www.wendangku.net/doc/f31065170.html, ，确定，出现索引如图4.2所示，选择并打开gps 文件夹，然后再在打开的文件夹中选择并打开products 文件夹，如图4.3所示。

图4.2打开IGS 的服务器图4.3打开GPS 文件夹

第二步，在打开的products 文件夹中，选择并打开1353文件夹，如图4.4所示；然后再中找到13523文件中的SP3格式文件，如图4.5所示，将这些文件拷贝到计算机中，就完成了精密星历的下载。

图4.4 打开products 文件夹图4.5 打开1352文件夹

4.2 在HGO 中加载精密星历进行数据解算

HGO 中设置了精密星历的加载选项，软件本身可以直接利用SP3格式的精密星历数据文件，可以直接使用解压后的SP3文件进行数据的解算。下面简略介绍一下解算步骤，如下所述：

首先是新建项目，输入项目名称，如图4.6所示；再者对项目属性做相应修改，主要是结合具体项目并依据相关规范进行参数设置，如图4.7所示；然后是对坐标系统参数的设置，主要是对“椭球”以及“投影”两个子栏里相应参数设置，如图4.8所示。

图4.6 新建项目图 4.7 项目属性设置

图4.8 坐标系统参数设置

完成上述步骤后，将进行观测数据与SP3精密星历的导入，如图4.9所示。

图4.9 导入观测数据与SP3精密星历

导入观测数据文件后，对单个观测值文件进行质量检查，左键单击观测文件，右方出现对话框图，如下所示。

图4.10 观测数据的质量检查图4.11 观测数据的星空图与信噪比图

在菜单栏基线处理(B)中找到解算设置，对相应参数进行设置，如图4.12所示。

图4.12 基线解算设置

4.2.1 基线处理结果的检验

基线解算后，可以通过RMS 、RA TIO 、点位精度这几个质量指标来衡量基线解算的质量。

RMS 即均方根误差，即：

n PV

V RMS T -=

(3.9)

式中，V 为观测值的平差；P 为观测权值；n-f 为观测值的总数减去未知数个数。 RMS 表明了观测值的质量，RMS 越小，说明观测值的质量越好，它不受观测条件（如卫星分布好坏）的影响。

RA TIO 即整周模糊度ratio 检验值，是次最小RMS 与最小RMS 的比值，即：

min

sec

RMS RMS RATIO = (4.0) RATIO 反映了所确定出的整周未知数参数的可靠性，这一指标取决于多种因素，既与观测值的质量好坏有关，也与观测条件好坏有关。RATIO 是反映基线质量好坏的最关键值，通常情况下，要求03.RATIO >。

点位精度，是反映解算结果符合精度的重要指标，是卫星星座几何图形强度与RMS 共同作用的结果。

检验基线质量的重要方法还有闭合环路检验。闭合环的闭合差理论上是0，实际测量中有一定偏差。环路的相对闭合差有以下两类：

分量闭合差，即：

???

????∑?=∑?=∑?==?=?=?n

i i

z n i i y

i i

x Z Y X 11

1εεε (4.1)

式中，n 为闭合环路中的基线数；()i i i Z ,Y ,X ???为第i 条基线的向量坐标。全长相对闭合差，即：

∑++=

=???n

i i

y x S 1

22εεεε

(4.2)

式中，∑=n

i i S 1

为环长；222i i i i Z Y X S ?+?+?=为第i 条基线的长度。

4.2.2 平差处理

将基线解算合格，闭合环解算全部合格后，加入控制点信息，进行平差。进行GPS 网平差的目的主要有三个：

（1）消除由观测量和已知条件中存在的误差所引起的GPS 网在几何上的不一致。包括闭合环闭合差不为0；复测基线较差不为0；通过由基线向量所形成的导线，将坐标由一个已知点传算到另一个已知点的符合差不为0等。通过网平差，可以消除这些不一致。

（2）改善GPS 网的质量，评定GPS 网的精度。通过网平差，可得出一系列可用于评估GPS 网的精度指标，如观测值改正数、观测值验后方差等等。结合这些精度指标，还可以设法确定出可能存在粗差或质量不佳的观测值，并对它们进行相应的处理，从而达到改善网的质量的目的。

（3）确定GPS 网中点在指定参照系下的坐标以及其他所需参数的估值。网平差流程图如下：

图4.13网平差流程图

应用HGO进行网平差操作步骤介绍如下，首先是控制点坐标输入，保存，如图4.14所示；然后进行平差设置，如图4.15所示；完成上述步骤后，开始进行平差，最后结果输出。

图4.15控制点坐标输入

图4.16平差设置

图4.17进行平差

图4.18结果输出

网差平差后，卡方检验结果显示了平差结果的可靠性，若小于理论值范围，说明平差结果比理论好，此时一般不需处理或者通过选取适当的“基线标准差置信度（松弛因子）”来使卡方检验通过；若大于理论值范围，说明平差结果误差超过误差容许范围，应该是基线解算的结果误差过大或者控制点信息存在粗差造成的，应该查找问题基线或者控制点，修正后再次进行解算直到检验通过为止。

Tau检验是检验参与平差的基线是否存在粗差，一般由平差后各基线改正数大小决定检验结果，如果某条基线Tau检验无法通过，则需要重新解算基线再参与平差，或者直接禁用该基线。

5 不同星历的基线解算结果分析

利用HGO软件，加载广播星历、精密星历（IGU、IGR、IGS）解算后，得到合格的数据处理报告，对数据进行处理、分析说明不同星历对数据解算结果的影响。

某工程B级GPS网图，如下：

图5.1某工程GPS 网

KZ17、KZ18、KZ20为北京54坐标系下的控制点，XB01~XB06为待求控制点，论文坐标数据经过保密处理。 5.1 同一项目下平差结果精度分析

以IGS 星历为例，WGS84自由网平差结果、目标坐标系三维约束平差结果和二维约束平差结果的精度对比。 1) 基线相对误差比较

表5.1 基线相对误差比较

WGS84自由网平差目标坐标系三维约束平差

二维约束平差 XB013411.zsd-XB023411.zsd 1:1461652 1:1330525 1:2025618 XB013412.zsd-XB023412.zsd 1:1461661 1:1330534 1:2025631 XB013411.zsd-XB033411.zsd 1:1484311 1:1351417 1:2118496 XB013411.zsd-XB043411.zsd 1:1003414 1:913682 1:1446813 XB013412.zsd-XB053411.zsd 1:1457000 1:1326469 1:2204846 XB013412.zsd-XB063411.zsd 1:1655162 1:1506939 1:2476332 XB013412.zsd-KZ173411.zsd 1:1172329 1:1069813 1:2477106 XB013411.zsd-KZ183411.zsd 1:10973458 1:10539672 1:25045820 XB013411.zsd-KZ203411.zsd 1:11007242 1:10623886 1:23563774 XB023411.zsd-XB033411.zsd 1:619228 1:563764 1:875405 XB023411.zsd-XB043411.zsd 1:1093780 1:995913 1:1557900 XB023412.zsd-XB053411.zsd 1:1908381 1:1737353 1:2830841 XB023412.zsd-XB063411.zsd 1:2343634 1:2133645 1:3433584 XB023412.zsd-KZ173411.zsd

1:1955938

1:1784205

1:3777403

类型

相对误差

基线名

XB023411.zsd-KZ183411.zsd 1:9584556 1:9135170 1:19791520 XB023411.zsd-KZ203411.zsd 1:9523757 1:9111481 1:18632330 XB033411.zsd-XB043411.zsd 1:805381 1:733139 1:1122340 XB033411.zsd-KZ183411.zsd 1:9724879 1:9340223 1:18245965 XB033411.zsd-KZ203411.zsd 1:9661352 1:9258341 1:17086506 XB043411.zsd-KZ183411.zsd 1:10208626 1:9832540 1:19218466 XB043411.zsd-KZ203411.zsd 1:10186952 1:9763868 1:17971127 XB053411.zsd-XB063411.zsd 1:589048 1:536200 1:874445 XB053411.zsd-KZ173411.zsd 1:974796 1:888540 1:1703257 XB063411.zsd-KZ173411.zsd 1:573110 1:522465 1:1015007 KZ183411.zsd-KZ203411.zsd 1:1169400 1:1530822 0

从上表可以明显看出，二维约束网基线的相对误差最小，平差后的精度最高。

2)点位坐标精度分析

表5.2 目标坐标系三维约束平差坐标

站点名N(m) E(m) U(m) 中误差

_N(mm) 中误差

_E(mm)

中误差

_U(mm)

点位中误

差(mm)

XB01 9014160.3146 862907.6254 776.9355 0.7 0.7 1.7 1.9 XB02 9013799.6403 861625.9361 771.4064 0.7 0.7 2.3 2.5 XB03 9013097.2238 861858.3841 768.6408 0.7 0.8 1.9 2.2 XB04 9013141.9288 862748.2369 776.2104 0.8 0.8 1.5 1.9 XB05 9012806.4998 863798.3571 775.5429 0.7 0.7 1.2 1.6 XB06 9013288.3108 864317.8312 777.5343 0.7 0.7 1.2 1.5 KZ17 9014080.1294 864506.3455 778.8164 0.0 0.0 0.0 0.0 KZ18 9001055.4980 853409.5780 741.1160 0.0 0.0 0.0 0.0 KZ20 9001206.3060 854903.9390 743.9800 0.0 0.0 0.0 0.0

表5.3 目标坐标系二维约束平差坐标

站点名N(m) E(m) U(m) 中误差

_N(mm) 中误差

_E(mm)

中误差

_U(mm)

点位中误

差(mm)

XB01 9014160.3146 862907.6254 776.9355 0.4 0.5 0.0 0.6

XB02 9013799.6403 861625.9361 771.4064 0.5 0.6 0.0 0.8

XB03 9013097.2238 861858.3841 768.6408 0.5 0.6 0.0 0.8

XB04 9013141.9288 862748.2369 776.2104 0.5 0.6 0.0 0.8

XB05 9012806.4998 863798.3571 775.5429 0.6 0.6 0.0 0.9

XB06 9013288.3108 864317.8312 777.5343 0.6 0.6 0.0 0.8

KZ17 9014080.1294 864506.3455 778.8164 0.0 0.0 0.0 0.0

KZ18 9001055.4980 853409.5780 741.1160 0.0 0.0 0.0 0.0

KZ20 9001206.3060 854903.9390 743.9800 0.0 0.0 0.0 0.0

由基线的相对误差可知，二维约束平差的精度更高，故而，在下文精度对比分析的论述中采用二维约束平差坐标为依据。

5.2 不同星历的基线解算平差结果分析

加载精密星历的同一项目观测值利用相同的数据处理软件进行数据解算，则理论上存在的误差只剩下应用不同星历解算所带来的误差。

1)广播星历二维约束平差坐标

表5.4 广播星历二维约束平差坐标

站点名N(m) E(m) U(m) 中误差

_N(mm) 中误差

_E(mm)

中误差

_U(mm)

点位中误

差(mm)

XB01 9014160.3146 862907.6254 776.9355 0.7 1.0 0.0 1.2 XB02 9013799.6403 861625.9361 771.4064 0.8 1.2 0.0 1.4 XB03 9013097.2238 861858.3841 768.6408 0.8 1.0 0.0 1.3 XB04 9013141.9288 862748.2369 776.2104 0.8 0.9 0.0 1.2 XB05 9012806.4998 863798.3571 775.5429 1.2 2.2 0.0 2.5 XB06 9013288.3108 864317.8312 777.5343 1.1 2.4 0.0 2.7 KZ17 9014080.1294 864506.3455 778.8164 0.0 0.0 0.0 0.0 KZ18 9001055.4980 853409.5780 741.1160 0.0 0.0 0.0 0.0 KZ20 9001206.3060 854903.9390 743.9800 0.0 0.0 0.0 0.0 2)预报精密星历二维约束平差坐标

表5.5 预报精密星历二维约束平差坐标

站点名N(m) E(m) U(m) 中误差

_N(mm) 中误差

_E(mm)

中误差

_U(mm)

点位中误

差(mm)

XB01 9014160.3146 862907.6254 776.9355 0.4 0.5 0.0 0.6 XB02 9013799.6403 861625.9361 771.4064 0.5 0.6 0.0 0.8 XB03 9013097.2238 861858.3841 768.6408 0.5 0.6 0.0 0.8 XB04 9013141.9288 862748.2369 776.2104 0.5 0.6 0.0 0.8 XB05 9012806.4998 863798.3571 775.5429 0.6 0.6 0.0 0.9 XB06 9013288.3108 864317.8312 777.5343 0.6 0.6 0.0 0.8 KZ17 9014080.1294 864506.3455 778.8164 0.0 0.0 0.0 0.0 KZ18 9001055.4980 853409.5780 741.1160 0.0 0.0 0.0 0.0 KZ20 9001206.3060 854903.9390 743.9800 0.0 0.0 0.0 0.0 3)快速精密星历二维约束平差

表5.6 快速精密星历二维约束平差坐标

站点名N(m) E(m) U(m) 中误差

_N(mm) 中误差

_E(mm)

中误差

_U(mm)

点位中误

差(mm)

4)最终精密星历二维约束平差坐标

表5.7 最终精密星历二维约束平差坐标

站点名N(m) E(m) U(m) 中误差

_N(mm) 中误差

_E(mm)

中误差

_U(mm)

点位中误

差(mm)

5)不同星历的二维约束平差坐标精度统计

图5.2 不同星历的二维约束平差坐标精度对比

6)不同星历下解算得的点位坐标差异

表5.8 二维约束平差坐标相对于最终精密星历的差值

二维约束网平差坐标相对于最终精密星历的差值/mm

广播星历预报精密星历快速精密星历最终精密星历

XB01 (0.0024,0.0028,0.0087) (0,0,0) (0,0,0) (0,0,0)

XB02 (0.0027,0.0055,0.0111) (0,0,0) (0,0,0) (0,0,0)

XB03 (0.0033,0.0015,0.0125) (0,0,0) (0,0,0) (0,0,0)

XB04 (0.0013,0.0029,0.0080) (0,0,0) (0,0,0) (0,0,0)

XB05 (-0.0011,0.0064,0.0064) (0,0,0) (0,0,0) (0,0,0)

XB06 (0.0012,0.0018,0.0003) (0,0,0) (0,0,0) (0,0,0)

7)二维约束网平差基线相对误差对比

表5.9 二维约束平差基线相对误差

二维约束网平差基线相对误差

广播星历预报精密星历快速精密星历最终精密星历

最弱边相对误差1:237814 1:871076 1:873127 1:874445

最优边相对误差1:13437665 1:24915304 1:25006325 1: 1:25045820

由以上图表可以看出，精密星历对基线解算精度的提高是十分明显的，基线的准确性近乎高了一倍，若将精密星历进行内插，可以得到更高的精度。精密星历解算所得的点位坐标较广播星历在N向优0.001m~0.003m，在E向优0.001m~0.006m，在高程优0.003m~0.012m。高精度的基线解算才能够得到精度较高的点位坐标，所以，精密星历解算得到的最终二维约束网平差坐标是最可靠的。

6 结论

以上论述表明精密星历的解算结果误差相差不大，在0.1mm量级上，几乎一样；广播星历解算出来的坐标误差较大，在1mm量级上。快速星历和预报星历的公布时间，能够满足大多数用户的需求。在参考[13]~[30]文献的基础上，可以得出结论：

①在一般工程GPS控制网的建立过程中（中短程基线≤100km），GPS解算可以采用精密星历代替广播星历，得到更高精度的坐标；

②精密星历的加载对精密的工程控制网（B级网）的精度提高有显著效果；

③快速精密星历或者预报精密星历可以代替最终精密星历满足一般工程GPS网的质量要求和时间要求，即在实际工程中是切实可行的。

参考文献

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[11] 张飞舟, 程鹏, 杨泽民, 赵利军. GPS广播星历的误差分析[J]. 北京:北京大学地球与空间科学学院遥感与地理信息系统研究所, 2013

精密星历介绍

GPS精密星历目前，全球260多个lGS跟踪站中，我国占20多个，分布在武汉、拉萨、乌鲁木齐、昆明、上海等地,全球IGS网的GPS数据，由单台接收机交换(RINEX)格式生成的日观测和导航数据文件组成，其存储方式为ASCII码文本格式，内容包括观测值、导航星历信息、气象数据等。这些数据经UNIX压缩后传送到相应的数据中心。观测值文件包括从O0：O0：O0至23：59：59 GPS时段内所观测的数据。采样率都采用标准的30s。 RINEX格式命名规则为：ssssdddf．yyt。其中：SSSS表示测站名； ddd表示年积日(从1月1日起算)；f表示一天内的文件序号(时段号0，1等)；YY表示年号，如98表示1998，00表示2000等；t表示文件类型，0表示观测值，N表示星历，M 表示气象数据，G表示GLONASS星历，H 表示同步卫星GPS载荷的导航电文。bjfs1230．040是一观测数据文件名，bjfs为站点代码(4字节)，123为年积日，0为时段号，04代表2004年，O为文件性质码，代表观测文件。bjfs1230．04n为站点广播星历文件，性质码用n表示，其中auto1230．04n 为广播星历文件，是必须下载的文件。bjfs1230．04m 为气象数据文件，性质码用ITI表示。 IGS提供的重要信息不仅包括IGS跟踪站的观测值数据，还包括站点坐标、相应的框架、历元和站移动速度等。IGS站坐标采用ITRF坐标。 IGS精密星历采用sp3格式，其存储方式为ASCII文本文件，内容包括表头信息以及文件体，文件体中每隔15 min给出1个卫星的位置，有时还给出卫星的速度。它的特点就是提供卫星精确的轨道位置。采样率为15分钟，实际解算中可以进行精密钟差的估计或内插，以提高其可使用的历元数。 1．命名规则常用的sp3格式的命名规则为：tttwwwwd．sp3 其中：ttt表示精密星历的类型，包括IGS(事后精密星历)、IGR(快速精密星历)、IGU(预报精密星历)三种}wwww表示GPS周；d表示星期，0表示星期日，1～6表示星期一至星期六。文

事后精密星历和钟差下载指南

武汉苍穹数码仪器有限公司文件名称：事后精密星历和钟差下载指南文件编号：KQ/GL-XS-06 制定部门：市场部版本版次：A1 发行日期：2010年11月01日核准审核制订

文件修订记录表版本修订理由与内容摘要编写/修改日期负责人A1 初版

事后精密星历和钟差下载指南首先，在Caravel PP中新建工程，导入数据后在“精密星历”栏中点选“自动下载精密星历和钟差”，然后点击“自动获取流动站时间”，即得到数据采集的日期（如下图所示，日期为2006年12月14日）。使用“工具→时间转换”，输入“GPS系统时间”点击右侧“系统时间设置”，即获得日期对应的GPS周以及该日期是星期几（如下图所示，GPS周为1405，且为星期四）

事后精密星历文件的命名规则为：igs wwww d.sp3，精密卫星钟差则为：igs wwww d.clk，其中：igs表示事后精密星历的类型（精密星历包括IGS（事后精密星历）、IGR（快速精密星历）、IGU（预报精密星历）三种），wwww 表示GPS周；d表示星期几（0表示星期日，1～6表示星期一至星期六）。如上述日期对应的文件名为：igs14054.sp3。由于IGS服务目前以对中国大陆地区用户关闭，所以Caravel PP软件中“自动下载精密星历和钟差”功能就暂时无法实现，然而我们仍然可以使用其他方法下载事后精密星历：方法一：ftp://https://www.wendangku.net/doc/f31065170.html,/pub/products/ 按照GPS周（1405）查找对应目录，点击进入：

在页面查找igs14054.sp3.Z，igs14054.clk.Z（均为.Z格式的压缩文件）：点击下载，解压即得到2006年12月14日对应的事后精密星历、钟差文件igs14054.sp3和igs14054.clk。

IGS精密星历说明

IGS精密星历 IGS精密星历采用sp3格式，其存储方式为ASCII文本文件，内容包括表头信息以及文件体，文件体中每隔15 min给出1个卫星的位置，有时还给出卫星的速度。它的特点就是提供卫星精确的轨道位置。采样率为15分钟，实际解算中可以进行精密钟差的估计或内插，以提高其可使用的历元数。 1．命名规则常用的sp3格式的命名规则为：tttwwwwd．sp3 其中：ttt表示精密星历的类型，包括IGS(事后精密星历)、IGR(快速精密星历)、IGU(预报精密星历)三种；wwww表示GPS周；d表示星期，0表示星期日，1～6表示星期一至星期六。文件名如：igs12901．sp3，其中igs为计算单位名，1290为GPS周，1为星期一。以igr开头的星历文件为快速精密星历文件，以igu 开头的星历文件为超快速精密星历文件。三种精密星历文件的时延、精度、历元间隔等各不相同，在实际工作中，根据工程项目对时间及精度的要求，选取不同的sp3文件类型。三种精密星历的有关指标： 2.电文格式

SP3格式数据文件第1行的格式说明

SP3格式数据文件第2行的格式说明 SP3格式数据文件第3行的格式说明

SP3格式数据文件第4行的格式说明 SP3格式数据文件第5~7行的格式说明 SP3格式数据文件第8行的格式说明注：卫星的精度：1 表示“极佳”，99表示“不要使用”，0表示“未知”。SP3格式数据文件第9行的格式说明 SP3格式数据文件第10~12行的格式说明同第8,9行类似一直到第85颗卫星的精度。 SP3格式数据文件第13~14行的格式说明：%c代表字符域；

English-基于GPS精密星历的数据解算

基于GPS精密星历的数据解算 DATA PROCESS BASED ON PRECISE EPHEMERIS OF GPS 摘要：一般的工程应用中GPS控制网通常采用的是广播星历进行数据解算，这对一些低等级的控制网，精度基本符合要求，但是若控制网的等级较高，工程的精度要求更为严格，利用广播星历就不容易使基线解算合格，精度也很难达到要求。利用IGS提供的精密星历对数据进行解算，不但可以使基线解算合格，还可以很大程度的提高数据解算的精度。通过对某实际工程GPS接收机采集到的静态数据进行误差来源分析、数据预处理，利用HGO软件进行基线解算并和加入精密星历后的基线解算结果进行对比分析，得出IGS精密星历在实际工程应用当中的作用和意义，为更好地完成国家建设提供保障。关键词：GPS，IGS，精密星历，数据预处理，HGO Abstract:Broadcast ephemeris is usually used in data processing of GPS control network in general engineering application.For some low level control network, its accuracy met the basic requirements. But if the control network of the high accuracy, using the broadcast ephemeris is not easy to make the baseline qualified, and it can reach the precision is very difficult to meet the requirements.The precise ephemeris provided by IGS for data calculation, it can not only make the baseline qualified, but also can greatly improve the accuracy of data calculation.Through the static data collected for GPS receiver in a practical project. Do error analysis, data pre processing to the static date,and do the baseline solution using HGO software.Then compare with results that calculated using the precise ephemeris.The role and significance of precise ephemeris are obtained in practical engineering application, it provides guarantee for the national construction completed successfully. Keyword:GPS,IGS,precise ephemeris,HGO 1. 引言 GPS对工程测量带来的巨大贡献是目前其他工具和方法无法代替的，工程测量中常用的有：建立精密GPS工程控制网，利用GPS进行大型工程项目的实时动态监测，采用网络RTK技术进行地形图测量等。在野外，视线良好、周围环境允许的情况下，可以选择GPS联测高等级控制点来做工程控制网的首级控制，因此最需要关注的问题是GPS在工程控制网中能达到什么程度的定位精度。而提高定位精度的方法有多种，可以使用优秀的数据解算软件，如美国麻省理工学

SP3精密星历标准产品第3号说明

The National Geodetic Survey Standard GPS Format SP3 Paul R. Spofford National Geodetic Survey National Ocean Service, NOAA Silver Spring, MD 20910-3282, USA and Benjamin W. Remondi, PhD P.O. Box 37 Dickerson, Maryland 20842, USA INTRODUCTION Why do we need standardized orbit formats? Standard orbit formats provide many advantages, the most obvious being orbit exchange. ASCII and binary formats both satisfy this function, but ASCII does it with greater generality because binary formats are computer operating system dependent. The NGS standard GPS orbit format SP1 was introduced in Remondi (1985). After a few years of use, it was realized that enhancements would eventually be required. The "orbit type," the coordinate system, and the GPS week associated with the first epoch of the ephemeris file were added in a manner that did not impact the formats and existing software. A more serious omission of the initial NGS orbit format was the satellite clock corrections. This omission reflected an earlier belief that all geodetic applications could be accomplished in differential mode. Today we realize that standard formats serve a wider community and include those who find it inconvenient to operate in a differential mode. A user can operate in single-receiver or navigation mode based on the broadcast message. However, the user can get more accurate (post-processed) results if the precise orbital data and the associated satellite clock corrections, which were determined