GAMIT、GIPSY和BERNESE軟件解算結(jié)果的比較研究

李 軍,高詠梅

(中國(guó)科學(xué)院,測(cè)量與地球物理研究所動(dòng)力大地測(cè)量學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢430077)

0 引 言

準(zhǔn)確、可靠的地殼運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)的獲得是地殼運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ),而GPS資料的解算主要依賴三大主力軟件,即GAMIT、Bernese和GIPSY。很多研究表明:采用不同的軟件、不同的解算方案,不同的作者處理同樣的GPS資料往往得到不同的解算結(jié)果。中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)1998～2000年GPS觀測(cè)資料計(jì)算的幾個(gè)結(jié)果顯示:不同研究機(jī)構(gòu)采取不同的處理軟件和方案得到的速度場(chǎng)的差異絕對(duì)值平均為2～3 mm/a[1]。弄清這些差異產(chǎn)生的原因,并采用相應(yīng)的解決處理方案對(duì)我們獲得一致的、可靠的地殼運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)至關(guān)重要。

目前,中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所與日本東京大學(xué)地震研究所和韓國(guó)天文及空間科學(xué)研究院正在開展東亞地區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)的合作研究。根據(jù)合作研究計(jì)劃,中日韓三方分別采用GAMIT、Bernese和GISPY軟件獨(dú)立處理相同的GPS觀測(cè)資料,這為我們探討三種軟件處理結(jié)果差異提供了一個(gè)良好的機(jī)會(huì)[2]。

采用東亞地區(qū)的GPS觀測(cè)資料進(jìn)行三種軟件數(shù)據(jù)處理的對(duì)比研究,日本東京大學(xué)采用GIPSY軟件,韓國(guó)天文研究院采用BERNESE軟件,而我們則采用GAMIT/GLOBK以及BERNESE軟件。三方對(duì)相同時(shí)段的觀測(cè)資料進(jìn)行處理,得到統(tǒng)一參考框架下的解算結(jié)果。通過對(duì)處理方案以及處理結(jié)果的分析,研究差異性的原因,并探討得到一致的處理結(jié)果的合理方案。

1 數(shù)據(jù)及處理方案

此次對(duì)比研究,我們選取了東亞地區(qū)13個(gè)GPS站點(diǎn),包括中國(guó)的3個(gè)站點(diǎn),BJFS(北京)、WUHN(武漢)、SHAO(上海);韓國(guó)的2個(gè)站點(diǎn),SUWN和DAEJ;日本的8個(gè)站點(diǎn):0094、0202、0252、0603、0729、0767、USUD、TSKB。資料的時(shí)間段為2002年中每個(gè)月第一個(gè)星期的數(shù)據(jù),共84天。在處理過程中,為了能客觀地比較三種軟件的處理結(jié)果,我們盡量采用相同的處理參數(shù),如相同的參考框架(ITRF2000),相同的慣性系(J2000.0),相同的衛(wèi)星截止角(15°)以及相同的精密衛(wèi)星星歷。

1.1 GAMIT/GLOBK

GAMIT/GLOBK是由MIT和SIO共同研制的GPS綜合分析軟件[3]。我們分三個(gè)步驟采用GAMIT/GLOBK進(jìn)行資料處理。首先,利用偽距和載波相位觀測(cè)資料的雙差組合求得臺(tái)站坐標(biāo)和衛(wèi)星軌道的單日松弛解。此步計(jì)算中,GPS衛(wèi)星的軌道和測(cè)站坐標(biāo)都不在一個(gè)穩(wěn)定的參考框架里,整個(gè)GPS網(wǎng)作為一個(gè)剛體在平移和旋轉(zhuǎn)。其次,利用GLOBK將每天的單日松弛解和圣地亞哥海洋研究所軌道中心(SOPAC)所計(jì)算出的全球IGS跟蹤站的多個(gè)單日松弛解合并,得到一個(gè)包含全球GPS測(cè)站的合并松弛解。最后,對(duì)一系列的單日解進(jìn)行卡爾曼濾波,估算出測(cè)站的位置和速度。在估算位置和速度時(shí),通過對(duì)全球IGS核心站的約束來進(jìn)行參考框架的定義和7參數(shù)轉(zhuǎn)換,從而得到ITRF2000參考架下的測(cè)站的坐標(biāo)和速度[4]。

1.2 GIPSY

GIPSY是由美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)研制的GPS數(shù)據(jù)處理軟件,它和GAMIT以及BERNESE的最大區(qū)別在于直接處理載波非差觀測(cè)量[5]。GIPSY處理的方案是首先解算出測(cè)站的三維坐標(biāo),并給出坐標(biāo)的方差-協(xié)方差,形成單日時(shí)段解。然后,將所有的單日時(shí)段解轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)框架下。同樣,我們利用全球的IGS核心站進(jìn)行7參數(shù)轉(zhuǎn)換,將所有單日時(shí)段解作整網(wǎng)平差,平差過程中對(duì)所有站都不給約束,最后得到ITRF2000參考框架下測(cè)站的坐標(biāo)和速度。

1.3 BERNESE

BERNESE是由瑞士BERNE大學(xué)開發(fā)研制的GPS及GLONASS資料處理軟件[6]。我們利用BERNESE處理東亞GPS資料的步驟和方案是,利用雙差數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘參數(shù)估計(jì),解算出各時(shí)段的基線和模糊度,然后,對(duì)同步測(cè)區(qū)各時(shí)段的觀測(cè)進(jìn)行整體平差,最后,利用法方程堆積方法對(duì)非同步觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合序貫平差。我們?cè)谶\(yùn)用BERNESE做網(wǎng)平差的時(shí)候采取兩種方案,一種是固定網(wǎng)內(nèi)精度比較高的IGS站來進(jìn)行方差估計(jì)及位移速度解算,得到ITRF2000參考架下測(cè)站的坐標(biāo)和速度;另外一種方法就是不固定任何站而對(duì)整個(gè)觀測(cè)網(wǎng)進(jìn)行方差估計(jì)以及位移速度解算,得到IT RF2000參考框架下測(cè)站的坐標(biāo)和速度。

2 計(jì)算結(jié)果和分析

依照上面的方案步驟,三個(gè)單位分別用三種處理軟件包對(duì)東亞13個(gè)GPS站點(diǎn)2002年84天的觀測(cè)資料進(jìn)行了解算,并對(duì)解算的結(jié)果進(jìn)行了分析。首先,分析BERNESE按第一種方案(也就是固定某幾個(gè)參考站來定義參考框架)處理的結(jié)果。這里,我們引進(jìn)IGS處理的結(jié)果來作為參考值,由于IGS中心分析了各個(gè)分處理中心的結(jié)果,并進(jìn)行加權(quán)平均,坐標(biāo)的精度和可靠性都非常高,所以,我們采用他們提供的坐標(biāo)值來作為參考值。表1列出了這三種軟件的結(jié)果統(tǒng)計(jì),我們將每個(gè)臺(tái)站每天的IT RF2000參考架下的坐標(biāo)值分別與IGS公布的相同歷元相同參考架下的坐標(biāo)值之差計(jì)算出來,分別對(duì)三種軟件得到的13個(gè)臺(tái)站84天的殘差求平均,按X,Y,Z三個(gè)方向列出來。按照上面介紹的方案,BERNESE軟件處理的結(jié)果與IGS的結(jié)果差在三個(gè)方向上分別為0.071 m,0.019 m和0.025 m,都差到厘米級(jí)。GIPSY的結(jié)果在 X,Y方向差為7 mm和2 mm,Z方向也達(dá)到了1.2個(gè)cm。而GAMIT的結(jié)果顯示差都在4個(gè)mm以下。

表1 三種軟件計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

在圖1中,我們列出了其中一個(gè)代表臺(tái)站TSKB的坐標(biāo)序列圖,依次為坐標(biāo)的三個(gè)方向X、Y、Z,每個(gè)序列圖的橫坐標(biāo)為時(shí)間,縱坐標(biāo)則是三種軟件解算出來的測(cè)站坐標(biāo)與IGS公布的差,其中符合“+”表示是BERNESE處理的結(jié)果,符號(hào)“▲”表示的是GAMIT處理的結(jié)果,而符號(hào)“○”則代表GIPSY處理的結(jié)果。

從圖中可以看出,BERNESE方案存在著一個(gè)比較明顯的系統(tǒng)誤差,這也可以從上面的統(tǒng)計(jì)看出,而GIPSY方案和GAMIT方案則吻合得比較好,其中,GAMIT方案更與IGS吻合。我們認(rèn)為,之所以BERNESE方案出現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)誤差,主要原因是在實(shí)現(xiàn)ITRF2000參考框架統(tǒng)一的時(shí)候引起的,由于本研究中BERNESE方案采取的是利用網(wǎng)內(nèi)的IGS站的約束來進(jìn)行參考架的7參數(shù)轉(zhuǎn)換,而GIPSY和GAMIT方案均是利用全球均勻分布的IGS核心站做為約束來進(jìn)行參考架的7參數(shù)轉(zhuǎn)換[7],IT RF參考框架是全球范圍的參考框架,僅僅依靠少量的幾個(gè)IGS站的約束得到的參考框架肯定是不穩(wěn)定和不可信的,這些站的資料質(zhì)量不好引起的誤差都很容易影響到定義的參考架。相對(duì)BERNESE方案,GIPSY方案和GAMIT方案的參考架的統(tǒng)一更合理些,但它們之間也存在著毫米級(jí)的差別,這個(gè)是可以接受的,畢竟首先兩種軟件本身采取的是不同的算法結(jié)構(gòu),另外,在參考框架定義的時(shí)候,雖然都選取全球分布的IGS站做約束,但可能選的具體站稍有差別,所以存在4～5個(gè)mm的差別是可以接受的。

我們?cè)诮y(tǒng)一了參考框架定義的情況下,發(fā)現(xiàn)BERNESE的結(jié)果有了很大的改善,見圖 2,以TSKB站為例,在三種軟件統(tǒng)一了參考框架定義的情況下,全部采用不固定任何參考站,和全球的IGS站一起進(jìn)行方差平差,并定義參考框架ITRF2000,從圖中可以看出,三個(gè)方向上三種軟件的結(jié)果吻合得非常好,誤差都在4～5 mm以內(nèi)。其中BERNESE和GAMIT的結(jié)果更接近,這也說明了在參考框架以及處理方案完全一致的情況下,不同軟件得到的結(jié)果的差異和軟件處理的算法有關(guān)系,因?yàn)锽ERNESE和GAMIT均是采用雙差模糊度解算,而GIPSY采用的是直接處理非差載波相位觀測(cè)量。

雖然處理的資料的時(shí)間尺度才一年,我們還是求出了一個(gè)大致的速度,我們列出了BERNESE方案和GAMIT方案得到的速度場(chǎng),圖3列出了東亞地區(qū)13個(gè)測(cè)站在ITRF2000框架下的速度場(chǎng),其中紅色的代表BERNESE方案的結(jié)果,藍(lán)色的則是 GAMIT的結(jié)果。從圖中可以看出,BERNESE與GAMIT的結(jié)果大致上是吻合的,由于用來求速度的資料時(shí)間跨度才一年,很多季節(jié)性的影響都無法消除[8],兩者速度上的差異是可以接受的,這說明了BERNESE方案雖然得到的絕對(duì)坐標(biāo)有很大的系統(tǒng)差,但在求速度場(chǎng)的時(shí)候影響不是很大。

圖3 GAMIT和BERNESE速度比較圖

3 結(jié) 論

GPS數(shù)據(jù)處理在一定程度上是一項(xiàng)復(fù)雜且個(gè)性化的工作,即使是同一軟件,在數(shù)據(jù)的取舍,參考框架的約束,處理方案的制定,不同的操作人員之間都有細(xì)微的差別,從而會(huì)導(dǎo)致結(jié)果不同。然而,同一軟件之間的相互比較只能說明處理方案一致的情況下,軟件的計(jì)算過程的穩(wěn)定性,不同軟件之前的比較,則能比較客觀的評(píng)價(jià)不同處理結(jié)果。通過這次研究,客觀地比較了利用三種軟件制定的三種處理方案的處理結(jié)果,確定了一個(gè)合理的固定參考框架的方案,采用此方案,GAMIT和GIPSY的結(jié)果是吻合的,驗(yàn)證了方案的合理性。導(dǎo)致結(jié)果存在差異的最主要的因素還是參考架框架的歸算引起的,由于在GPS數(shù)據(jù)處理中,還沒有一個(gè)嚴(yán)格統(tǒng)一的參考框架的定義辦法,所以,不同的研究單位在處理GPS數(shù)據(jù)時(shí),所采取的參考框架的定義也會(huì)有細(xì)微的差別,從而導(dǎo)致結(jié)果的差別。下一步,我們將考慮如何對(duì)三種軟件的合理結(jié)果進(jìn)行融合,以便得到一個(gè)更加可靠穩(wěn)定的計(jì)算結(jié)果。

致 謝:感謝韓國(guó)國(guó)立天文與空間科學(xué)研究院Pil-Ho Park博士和日本東京大學(xué)地震研究所Teruyuki Kato教授提供韓國(guó)和日本的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)。

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