基于GAMIT的北京市CORS網(wǎng)高精度GPS基線解算

劉璟博

（長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙410004）

隨著GPS測量與定位技術(shù)的快速發(fā)展和普及應(yīng)用，它在城市測量中所起的作用已越來越重要。當(dāng)前，利用多基站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)建立的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位參考站系統(tǒng) （Continuous Operational Reference System，CORS）已成為城市GPS應(yīng)用的發(fā)展熱點(diǎn)之一，不但發(fā)達(dá)國家已建立或正在建立及擴(kuò)充CORS系統(tǒng)，我國部分省份及發(fā)達(dá)地區(qū)主要城市也已建成或正在建立省、市級(jí)CORS系統(tǒng)。CORS基準(zhǔn)站作為CORS系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它可以作為城市各級(jí)GPS控制網(wǎng)的基準(zhǔn)點(diǎn)，隨著CORS基站的建設(shè)和連續(xù)運(yùn)行，就形成了一個(gè)以永久基站為控制點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，可以大大提高城市測量的速度與效率。因此如何高精度的處理各基準(zhǔn)站組成的城市CORS網(wǎng)的GPS觀測數(shù)據(jù)，得到高精度的基線解算成果就成為了城市GPS測量和相對定位需要解決一個(gè)問題。

1 北京市CORS網(wǎng)基本情況

北京市連續(xù)運(yùn)行參考站綜合服務(wù)系統(tǒng)于2006年開始正式投入運(yùn)行，包含15個(gè)基準(zhǔn)站和1個(gè)中心站,在全市范圍內(nèi)均勻分設(shè)?；鶞?zhǔn)站主要負(fù)責(zé)GPS觀測數(shù)據(jù)的采集,并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)街行恼?由中心站以實(shí)時(shí)和后處理兩種模式進(jìn)行解算及結(jié)果發(fā)布。

2 GAMIT軟件的介紹

隨著GPS技術(shù)在大地測量學(xué)、精密工程測量、地殼形變監(jiān)測、GPS氣象學(xué)及地球動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,GPS數(shù)據(jù)的精密處理技術(shù)得到了廣泛的重視。國內(nèi)外研制出了很多優(yōu)秀的GPS數(shù)據(jù)精密處理軟件,其中包括伯爾尼天文研究所開發(fā)研制的BERNESE軟件,美國國家航空航天局（NASA）噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）開發(fā)的GIPSY軟件,以及麻省理工學(xué)院（MIT）和斯克里普斯研究所（SIO）共同開發(fā)的GAMIT軟件[4]。

GAMIT高精度GPS數(shù)據(jù)解算軟件具有免費(fèi)申請獲取及使用、解算精度高、自動(dòng)化處理程度高、開放源代碼等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)得到了廣泛的使用。

表1 觀測文件和星歷文件

2.1 GAMIT的組成

GAMIT數(shù)據(jù)處理軟件由以下七個(gè)主要模塊組成：

ARC軌道積分程序，根據(jù)給定的衛(wèi)星軌道初值和動(dòng)力模型參數(shù)用數(shù)值積分的方法給出衛(wèi)星軌道和變分方程的數(shù)值解[1]；

MODEL觀測值模型程序，由觀測數(shù)據(jù)文件組成觀測方程；

SINCLN單差自動(dòng)修復(fù)周跳程序，基于非差和星間單差觀測值線性擬合發(fā)現(xiàn)及修正周跳[1]；

DBCLN用雙差線性擬合進(jìn)一步修正周跳；

CVIEW人工交互的方式修復(fù)周跳和刪除不好的觀測值；

SOLVE利用雙差觀測按最小二乘法求解參數(shù)[1]；

CFMRG創(chuàng)建SOLVE程序所需的M-file文件[1]

對GPS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行解算的過程就是通過一次或多次使用這些模塊或程序，按步驟依次對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以得到需要的結(jié)果。

2.2 GAMIT所使用的數(shù)據(jù)類型

GAMIT軟件所使用的數(shù)據(jù)類型可以分為三類，如表1至表3所示。

表2 測站及控制文件

表3 表文件

可見GAMIT軟件正常解算所需的數(shù)據(jù)種類復(fù)雜，故數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作十分重要，這也反映了GAMIT軟件的精密程度很高，因此需要大地測量學(xué)和天文學(xué)等學(xué)科提供的各類數(shù)據(jù)文件。

3 北京市CORS網(wǎng)數(shù)據(jù)的處理方法和步驟

從北京市政務(wù)網(wǎng)絡(luò)中心獲得了2012年7月份的9個(gè)CORS基準(zhǔn)站的GPS觀測數(shù)據(jù)，這九個(gè)基準(zhǔn)站分別是BISM十三陵、DAXN大興、DSQI東三旗、MYUN密云、PING平谷、THKO湯河口、XIJI西集、YANQ延慶、ZHAI齋堂。這些站點(diǎn)的接收機(jī)類型有5個(gè)為TRIMBLE 5700，2個(gè)為 TRIMBLE NETR5，2個(gè)為 LEICA GRX1200；均為 24小時(shí)全天候觀測，采樣時(shí)間間隔為15s。GAMIT使用的觀測數(shù)據(jù)為Rinex格式，如果所得觀測數(shù)據(jù)不是Rinex格式，則使用dos2unix命令將其轉(zhuǎn)換為Rinex格式。

圖1 引入的IGS全球站分布圖

表4 控制參數(shù)設(shè)置

國際 GNSS 服務(wù)組織（International GNSS Service，IGS）在東亞區(qū)域有足夠的全球跟蹤站提供全天24小時(shí)的觀測數(shù)據(jù)，為了獲得高精度的基線解算結(jié)果，我們一般需要引入具有準(zhǔn)確先驗(yàn)坐標(biāo)的IGS全球站參與聯(lián)合解算，為此本文引入了BJFS北京房山、CHAN吉林長春、GUAO烏魯木齊、KUNM云南昆明、LHAZ拉薩、SHAO上海佘山、TWTF臺(tái)灣新竹、ULAB蒙古烏蘭巴托、WUHN湖北武漢等9個(gè)IGS全球站參與聯(lián)合解算。這些全球站的GPS觀測數(shù)據(jù)可以從IGS官方站點(diǎn)(ftp://garner/uscd/edu/pub或ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/pub)下載，數(shù)據(jù)格式為壓縮形式，通過常規(guī)解壓獲得形如bjfs2000.12d的d文件，再使用GAMIT自帶的CRX2RNX命令對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換化為形如bjfs2000.12o的o文件。

引入IGS全球站的地理位置分布情況如圖1所示。

3.1 對測站及控制文件重新配置

表2中的4種測站及控制文件需要和進(jìn)行處理的GPS數(shù)據(jù)相匹配，才能保證解算過程不出現(xiàn)錯(cuò)誤。為此對從IGS資源服務(wù)器下載的station.info、session.info、sestbl.、sittbl.文件進(jìn)行重新配置。

（1）station.info文件。該文件記錄了測站的接收機(jī)型號(hào)、天線類型、天線高、設(shè)備運(yùn)行的起始時(shí)間等信息。IGS全球站已全部包含在內(nèi)，需要我們自己添加本地CORS站點(diǎn)的相關(guān)信息，這些信息可以參照CORS站的GPS觀測數(shù)據(jù)文件o文件中的信息。

（2）session.info文件。該文件最好在解算過程中通過makexp來自動(dòng)創(chuàng)建，包括年、年積日、采樣間隔、歷元數(shù)、起始時(shí)間及衛(wèi)星號(hào)等信息。

（3）sestbl.文件。這是控制GAMIT解算過程及結(jié)果的核心控制文件，包括衛(wèi)星截至高度角、海潮模型、大氣潮模型、映射函數(shù)、觀測值選擇、處理模式、迭代方案、天頂延遲數(shù)量等控制參數(shù)，需要根據(jù)解算目的加以妥善修改。

（4）sittbl.文件。需要加入本地CORS站的站名、先驗(yàn)坐標(biāo)約束和對流層延遲改正模型等信息。

3.2 基線解算的參數(shù)選擇

本文數(shù)據(jù)處理的參數(shù)設(shè)置如表4所示。

3.3 數(shù)據(jù)解算的步驟

進(jìn)行解算的是2012年7月18日的IGS全球站和北京市CORS網(wǎng)基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)解算過程中，需要在Linux系統(tǒng)終端執(zhí)行的命令依次為：

（1）g r e p POSITION*.12o ＞ xyz.rnx

（2）rx2apr xyz.rnx 2012 200

（3）glbtol xyz.rnx.apr ljing2.200 “” 2012 200

通過以上3個(gè)命令可以得到參與解算的所有站點(diǎn)的先驗(yàn)坐標(biāo)值，并被寫入L文件(ljing2.200)中，其中的IGS全球站的比較精確的先驗(yàn)坐標(biāo)可以從IGS站點(diǎn)下載相關(guān)坐標(biāo)文件并提取出來，使用此較準(zhǔn)確的先驗(yàn)坐標(biāo)替換L文件中相應(yīng)站點(diǎn)的先驗(yàn)坐標(biāo)，可以有效提高基線向量解算結(jié)果的精度。

（4）makexp

執(zhí)行此命令后，按照終端提示依次輸入：工程名 (jing)、軌道名(jing)、年(2012)、年積日(200)、時(shí)段號(hào)(99)、L 文件名(ljing2.200)、n 文件名(auto2000.12n)及采樣時(shí)間間隔、起始時(shí)間、總歷元數(shù)(30 0 0 2880)。

（5）sh_sp3fit-f igs16973.sp3-o jing-d2012 200-t-u

該命令中igs16973.sp3為事后sp3精密星歷，通常要延后13天左右公布。如果在工程測量中需盡快獲得解算結(jié)果時(shí)，可替換為快速精密星歷igr16973.sp3，精度差別很小。

（6）sh_check_sess-sess 200-type gfile-file gjing2.200

（7） makej auto2000.12n jauto2.200

（8）sh_check_sess-sess 200-type jfile-file jauto2.200

（9）makex jing.makex.batch

(10)fixdrv djing2.200

(11)csh bjing2.bat

以上(1)-(10)步驟最終目的是產(chǎn)生批處理文件(b*.bat),最后(11)在csh編譯環(huán)境下全自動(dòng)運(yùn)行批處理，在正確完成批處理后得到處理結(jié)果，批處理過程是由 ARC、MODEL、AUTCLN、SOLVE、CFMRG 等模塊共同完成的。其中jing為工程名，可以選取任意四個(gè)字母或數(shù)字的組合。

4 基線解算結(jié)果及精度分析

參與解算的站點(diǎn)包括9個(gè)CORS基準(zhǔn)站和9個(gè)IGS全球共18個(gè)站點(diǎn)，基線總數(shù)為153條，從處理結(jié)果來看所有基線向量解的絕對精度都達(dá)到了mm級(jí)，由于篇幅有限不能全部列出，表5、表6列出了隨機(jī)抽取的部分長基線和短基線的處理結(jié)果及精度。

表5 部分長基線的處理結(jié)果及精度

從表5可以看到，長度超過500km的長基線，其解算結(jié)果的相對精度均達(dá)到了10-9量級(jí)，表6的結(jié)果則表明，長度在150km以內(nèi)的短基線，解算結(jié)果的相對精度也達(dá)到10-7-10-8量級(jí)，而所有基線解的絕對精度都達(dá)到了mm級(jí)，這樣的精度已經(jīng)完全可以滿足地球動(dòng)力學(xué)、一般工程測量及部分精密工程測量的要求。

表6 部分短基線的處理結(jié)果及精度

5 結(jié)語

本文介紹了運(yùn)用GAMIT處理CORS基準(zhǔn)站GPS觀測數(shù)據(jù)、對CORS網(wǎng)進(jìn)行高精度基線解算的方法步驟，解算結(jié)果表明長基線解的相對精度優(yōu)于短基線，可達(dá)10-9量級(jí)，而短基線解的絕對精度則高于長基線，且所有基線解的絕對精度均達(dá)到mm級(jí)。GAMIT作為一種復(fù)雜的高精度GPS數(shù)據(jù)解算軟件，且運(yùn)行環(huán)境為Linux/Unix平臺(tái)，在實(shí)際使用中遇到各種問題在所難免，需要不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，以提高運(yùn)用能力和水平。

［1］GPS Analysis at MIT.GAMIT Reference Manual Release 10.4，2010[Z].

［2］孔祥元，郭際明，劉宗泉.大地測量學(xué)基礎(chǔ) [M].武漢大學(xué)出版社，2005.

［3］李征航，黃勸松.GPS測量與數(shù)據(jù)處理[M].2版.武漢大學(xué)出版社，2010.

［4］王志強(qiáng)，李軍.GAMIT 使用指南[J]．全球定位系統(tǒng)，2002.

［5］孫建，王勇.GAMIT 在工程測量方面的使用技巧[J]．礦山測量，2006，3(1)．