基于不同星历对GPS解算结果的影响分析

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摘要：本文针对广播星历和IGS提供的精密星历的精度进行分析，从理论上探讨其对定位精度的影响，简述星历误差对相对定位的影响，分别使用最终星历、快速星历、超快星历和广播星历对某一工程实测gps数据进行解算的分析，通过解算结果表明对于低等级且为短基线的工程控制网，不同星历解算的结果误差差异较小时，可以直接使用广播星历进行解算。

关键词：广播星历 精密星历 星历误差 精度

中图分类号：P228.4 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）07-0206-02

使用不同的星历数据对GPS解算结果精度产生不同的影响，在解算GPS观测数据时均需载入星历数据，依据工程控制网对测量精度要求的不同，选择不同的星历数据进行解算。获取工程实测GPS数据采用多种星历进行解算，比较分析不同星历对解算结果产出的影响。

1 卫星星历类型及其精度

GPS卫星星历依据精度等级可分为精密星历和广播星历。广播星历是由全球定位系统的地面控制部分提供和确定，经GPS卫星向全球所有用户公开播发的一种预报星历，广播星历是通过接收机接收卫星发射的含有轨道信息的导航电文，经过解码获得的卫星星历推算得到卫星位置，广播星历描述卫星轨道信息达不到精密定位的要求，故其精度较差。目前其主要应用于导航定位和低等级和短基线的工程测量[1]。

精密星历是由国际GPS服务（IGS）机构提供的。IGS的精密星历是通过7个国际数据处理分析中心所得到的结果进行加权平均得到的，主要分为3种类型：最终星历（IGF）、快速星历（IGR）和预报星历（IGU）。广播星历和精密星历的相关信息如表1所示[2]。

从表1可知，虽然IGS最终精密星历精度最高，但时间延迟约为13天，即测站今日观测获得的数据要等13天后才可解算出该站的坐标值，这在很大程度上限制了GPS实时或准实时的用户需求。而广播星历、预报星历的GPS定位能够达到的时效性的要求，给导航用户与实时定位用户带来了一定的便捷。尹继尧、徐平、丁克良、陈义[3-4]等研究了快速精密星历和最终精密星历对GPS基线解算和定位精度的影响，得出在基线较短且点位精度要求不高的情况下，可以直接使用快速精密星历取代最终精密星历进行GPS解算，其结果可满足规范的要求。本文将探究使用上述四种星历对实测GPS数据进行解算，分别比较分析它们的差异。

2 星历误差对GPS相对定位结果的影响

卫星的星历误差是当前GPS用于快速定位的主要误差来源之一。在GPS定位中，一般都把由卫星星历所设置的卫星的空间位置视为已知值，此时星历误差将作为一种起算数据误差。卫星星历误差对相对定位的影响一般可用下式子来估计：

以上公式中，Δb为卫星星历误差所引起的基线误差；b为基线长，ss`为星历误差，ρ为接收机到卫星的距离。系数～的具体取值取决于基线向量的位置和方向、观测时段的长短、观测的卫星数量及其几何分布等因素[5]。依据上式计算可得，当ss`=2.6m，相当于广播星历精度，ρ=22000km时，对于短基线而言，如b=3km，则最大定位误差Δb=0.0886mm，可见对于短基线影响较小；但当b=40km时，则最大定位误差Δb=1.18mm，对应高精度定位而言，其影响不容忽视。结合表1可针对不同工程控制网精度要求，应该选择不同星历解算GPS数据，对于规模较大、精度要求较高的控制网必须采用精密星历计算。

3 实例分析

本文将结合某一地区GPS控制网实测数据进行分析，采用不同星历进行解算，比较不同星历之间解算结果的差异。某一地区GPS控制网见图1，由于自然环境条件限制，该网布设并不是十分合理，最长基线为6477米，最短基线仅95米，该网精度按E级精度要求布设，基线平均长度为3000米。其中AH31、AH33、A10为已知平面或高程的点，EV30、EV31为待求控制点。该网主要是为1：2000地形图测量而布设的，观测期间天气状况良好，点位周边环视条件较好，仅EV30南侧25米处有一25米高建筑物，其余均能满足卫星截止高度角15°的要求。GPS观测时段长为45分钟，采用随机软件进行数据处理，相同的设置条件下，唯一不同之处在于在解算过程中均采用不同的星历文件。

从IGS网站上下载最终星历、快速星历和超快星历，结合广播星历分别对GPS数据进行处理，其中最终星历解算结果如表2。其中将解算的结果作为真值，与其他星历计算结果进行比较分析。将最终星历的解算结果作为真值，跟其他星历解算的结果进行一一比较分析，见表3。

通过比较分析可得出，对于待求点EV30，其他星历解算结果整体不高，可能是由于该点附近环境视场受限所致，且广播星历解算结果在X方向和高程方向精度都相对较差，最大可达到8毫米；而对于待求点EV31，广播星历在X方向和Y方向精度都相对较差，但高程方向较快速星历和超快星历略好。因此，对于低等级的工程而言，当GPS观测条件较好时，广播星历解算的结果能够满足工程的需求，如果条件允许下可以优先选择精密星历进行解算获得更高精度的解算结果。

4 结语

通过工程实例分析表明，虽然IGS站提供的几种星历产品在精度上有高低，在数值上有一定差异，但对解算GPS观测数据的结果没有实质性的影响。对于一般规模较小的工程控制网，在基线长度小于100 km时，在同等观测条件下，采用相同的数据参数，广播星历能达到精密星历的解算效果，可以用广播星历代替精密星历。解算的结果均能满足一般低等级且为短基线工程的要求。但值得注意的是，随着基线长度不断增加，不同星历产品之间的解算优势将明显体现出来，故对于长基线且点位精度要求较高的用户，还是需要用精密星历来进行精确定位，使用精密星历可以提高整体精度的量级。

参考文献

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

[2]魏子卿，葛茂荣.GPS相对定位数学模型[M].北京：测绘出版社，1998.

[3]丁克良，陈义，王勇等，快速星历与精密星历对基线解算和平差的影响[J].铁道勘察，2005（2）：5-7.

[4]宋佩颖，丁晓光.基于IGS超快星历的高精度实时GPS测量[J].测绘工程，2009，18（4）：17-20.

[5]刘忠.高精度GPS数据处理若干理论与技术问题研究[D].西安：长安大学，2006.