GAMIT中不同衛(wèi)星星歷對GNSS點位 坐標解算的影響

牛洪柳

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300142)

隨著GNSS系統(tǒng)的發(fā)展、衛(wèi)星接收設(shè)備的改進和定位理論及算法的日臻完善，短距離GNSS靜態(tài)定位技術(shù)已經(jīng)比較成熟。GNSS隨機軟件能夠利用實時衛(wèi)星廣播星歷對獲取的GNSS數(shù)據(jù)進行高精度解算，點位坐標精度可控制在cm級，能夠滿足大多數(shù)工程應用的需求[1]。而在中長基線距，大范圍、高精度大型工程及地殼形變監(jiān)測中，受控于衛(wèi)星軌道和星差產(chǎn)品的精度，GNSS數(shù)據(jù)的解算往往需要高精度的數(shù)據(jù)處理軟件，如國際公認的GAMIT/GLOBK軟件、GIPSY-OASIS軟件和Bernese軟件[2]。GAMIT采用雙差模型(開放源代碼)，在GNSS數(shù)據(jù)解算模型中消除了站鐘和星鐘的主要誤差，其軌道誤差對測站的相對位置不敏感，有利于精密定位，且其AUTCLN模塊可對周跳進行自動修復[3-4]。采用GAMIT軟件解算短基線精度可達1～3 mm，解算長基線的相對精度達10-9。但該軟件對GNSS數(shù)據(jù)進行后處理時，往往需要衛(wèi)星精密軌道數(shù)據(jù)(IGS)，而IGS最終星歷的發(fā)布有12～18 d的時延，使其應用時效性受到一定的限制。目前，IGS快速星歷(IGR)的發(fā)布延遲僅17～41 h，可滿足一般工程應用中時間效率的需要，但其對GNSS點位解算的精度需要探討。

丁克良等[5]分析了快速星歷與精密星歷對基線解算計算結(jié)果的影響，結(jié)果表明：對于一般的工程控制網(wǎng)而言，快速星歷能夠達到與精密星歷同樣的效果。高旺等[6-7]則利用廣播星歷和快速星歷進行GAMIT基線解算，驗證了中長基線的解算結(jié)果可以滿足常規(guī)的工程應用需求。王樹東等[8]同樣基于GAMIT軟件，用快速精密星歷和超快速精密星歷代替最終精密星歷，對實測的CORS站數(shù)據(jù)進行基線解算，結(jié)果表明：在特殊情況下，采用快速和超快速星歷代替最終精密星歷進行基線解算可行。李文浩等[9]指出，在時效性要求較高的情況下，在南極地區(qū)可以使用快速星歷或超快速精密星歷代替精密星歷進行高精度的GPS基線解算。牟春霖[10]基于GAMIT基線解算模塊，分別利用快速星歷和超快速星歷對某高速鐵路框架控制網(wǎng)數(shù)據(jù)進行基線解算，并將解算結(jié)果與最終星歷產(chǎn)品的解算結(jié)果進行對比，結(jié)果表明：超快速星歷解算結(jié)果的誤差略大于快速星歷，但平面誤差均為mm級，可滿足高速鐵路框架控制網(wǎng)的精度要求；而超快速星歷產(chǎn)品相較于快速星歷產(chǎn)品時延更短，更能滿足高速鐵路框架控制網(wǎng)對于時效性的要求。郭敏[11]則利用GAMIT-TRACK模塊解算動態(tài)GPS數(shù)據(jù)，研究結(jié)果表明：測站坐標、天頂延遲、鐘差等的數(shù)據(jù)精度與精密星歷的類型幾乎無關(guān)。但上述研究往往停留在基線解算的層面，沒有討論不同衛(wèi)星星歷對于點位坐標解算精度的影響。以下利用IGS提供的快速星歷(IGR)和最終星歷(IGS)，對不同基線距的GNSS網(wǎng)(20～1 000 km)進行點位坐標解算，以對比不同衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)對GNSS網(wǎng)點坐標解算精度的影響。

1 GAMIT數(shù)據(jù)解算

在解算高精度靜態(tài)GNSS數(shù)據(jù)時，GAMIT采用同步相位觀測值組成基線網(wǎng)，通過對基線網(wǎng)進行解算得到基線向量，進而通過固定參考站對基線向量進行平差，獲取GNSS點的精確坐標值[12]。當前，國際IGS網(wǎng)絡連續(xù)運行測站超過400個，且免費向全球各地用戶提供數(shù)據(jù)，這為在實際應用中開展GNSS點位組網(wǎng)提供了數(shù)據(jù)保障。GMIAT軟件由Fortran語言和C-shell腳本混合編寫，且軟件的運行基于UNIX平臺，沒有窗口界面，給從事測繪地理信息的專業(yè)人員帶來了一定的困難。以下給出利用GAMIT進行高精度GNSS數(shù)據(jù)解算的流程，并介紹了利用GLOBK模塊對基線網(wǎng)進行平差時的一些注意事項，以期對從事高精度GNSS數(shù)據(jù)處理的技術(shù)人員提供借鑒。

(1)數(shù)據(jù)準備

GNSS觀測文件、GNSS觀測天線文件、GNSS測站坐標文件、星歷文件和共用表等。

GNSS觀測文件包含rinex文件、導航N文件以及星歷文件，可以利用GAMIT軟件包中提供的sh_get_rinex、sh_get_nav和sh_get_orbits命令獲得相應數(shù)據(jù)。

共用表格文件是指在多天、多網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中的共用文件，包含日月星歷、章動、極移、地球自轉(zhuǎn)及其它一些參數(shù)設(shè)置文件，其中日月星歷、章動、極移、地球自轉(zhuǎn)需要依據(jù)處理日期隨時更新。

與測站相關(guān)的文件包括station.info文件、lfile.文件、sittbl.文件。station.info文件記錄各測站的站點、站點名稱、開始觀測時問、結(jié)束觀測時間、天線高、天線量測方法、接收機類型、軟硬件版本號、天線類型等信息；lfile.文件記錄各測站的近似坐標；sittbl.文件記錄各測站的精度控制指標。

數(shù)據(jù)處理過程控制文件是指sestbl.文件。這個文件包括了基線解算模型的選擇、觀測值類型的選擇、參數(shù)估計、大氣參數(shù)估計等重要設(shè)置。準備該文件時，要根據(jù)實際需求來對參數(shù)進行選擇。

(2)數(shù)據(jù)批處理

GAMIT提供了兩種數(shù)據(jù)處理方式。對于初級用戶，建議采用分布式的處理步驟，有利于發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理過程中的問題。對于從事高精度GNSS數(shù)據(jù)處理的專業(yè)人員來說，批處理方式不僅能夠提高工作效率，而且保證了數(shù)據(jù)處理參數(shù)的一致性。

使用sh_setup命令可自動獲取共用表文件(將上述準備好的文件進行相應的更新即可)。建議在數(shù)據(jù)準備時即運行該命令，并在原有的共用表基礎(chǔ)上進行修改，從而保證共用表文件格式正確。

使用sh_gamit命令進行批處理，選擇適合當前任務的各個參數(shù)，如衛(wèi)星星歷的類型等。GAMIT采用組網(wǎng)方式解算GNSS數(shù)據(jù)，建議同步環(huán)中同步觀測的GNSS點位數(shù)量不超過50個，以減少計算時間。

(3)基線網(wǎng)解算結(jié)果評估

GAMIT數(shù)據(jù)處理結(jié)果有O文件、Q文件和H文件，其中O文件和Q文件用于做單天的結(jié)果分析。O文件中均方根殘差nrms的大小是衡量單天解質(zhì)量的重要指標之一，比較理想的數(shù)值應在0.25左右(如果nrms的值小于0.5，說明基線解算結(jié)果可用，否則，需要查找原因并重新解算)。對于批處理結(jié)果，可直接檢查單天解的summary文件，確保所有測站參與了網(wǎng)絡的解算，且GNSS模糊度固定率達到80%以上。

(4)基線網(wǎng)平差

在GAMIT中，采用整網(wǎng)平差時往往需要選擇IGS測站作為參考點，對于區(qū)域子網(wǎng)，IGS測站數(shù)以3～10為宜。如果解算的是多天GNSS數(shù)據(jù)，首先需要檢查區(qū)域子網(wǎng)數(shù)據(jù)的時間序列，以確保點位坐標的穩(wěn)定性；而對于工程應用，往往子網(wǎng)觀測時長較短，可直接在cmd文件中(globk.cmd、glorg.cmd)設(shè)置穩(wěn)定參考站，運行g(shù)lobk命令進行整網(wǎng)平差。在用戶進行cmd文件控制參數(shù)的設(shè)置時，建議采用原有的默認參數(shù)。需要注意的是：對不同模式誤差(噪聲)的控制會對多天解造成影響，而對于單天解則影響很小。

GAMIT整網(wǎng)平差后，需對平差結(jié)果進行查看。最直接的標準即解算得到的參考站坐標與先驗值之間的調(diào)整量，較好的平差結(jié)果中參考站的殘差均值接近0，殘差RMS值在mm級。如果有部分參考站的坐標解算值與先驗值之間殘差較大，則需要改變參考框架。

2 實驗及結(jié)果

為探討GAMIT軟件中不同衛(wèi)星星歷對測站坐標解算精度的影響，選取了位于美國西海岸的CORS觀測網(wǎng)(www.ngs.noaa.gov)2017年100～102 d的觀測數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可方便地獲取，且點位坐標已知，可對解算結(jié)果進行定量對比。根據(jù)實驗的需求，選取不同基線距的GNSS點構(gòu)成同步觀測網(wǎng)絡(見圖1)。共設(shè)計了6組實驗，以探討在GAMIT軟件中，不同衛(wèi)星星歷對不同基線距GNSS網(wǎng)絡點位坐標解算精度的影響，實驗設(shè)計方案見表1。

圖1 GNSS點位分布

實驗基線距/km星歷GNSS測站實驗一26～78IGSP558 P560 P554 SKYB P560實驗二68～230IGSP567 P521 CRU1 CNPP P560實驗三210～1010IGSP468 P254 SCIP P001 P560實驗四26～78IGRP558 P560 P554 SKYB P560實驗五68～230IGRP567 P521 CRU1 CNPP P560實驗六210～1010IGRP468 P254 SCIP P001 P560

對于每一組實驗，均采用上述的數(shù)據(jù)處理步驟和策略。首先準備基線解算所需文件，如觀測文件、星歷文件、坐標文件和天線文件等，并對GAMIT中的表(tables)進行更新；隨后采用sh_gamit批處理方式進行單天解算，并檢查單天解的summary文件，確?；€解算正確。在完成上述基線解算過程后，將基線平差所需的cmd文件(globk.cmd和glorg.cmd)復制到與單天解平行的文件目錄下，并修改控制文件中的穩(wěn)定參考站，最后運行g(shù)lobk命令進行基線網(wǎng)的平差。為對結(jié)果進行定量比較，在上述實驗中，均以P560點作為坐標未知點進行網(wǎng)平差，其他參與解算的點作為參考站；最終得到P560的點位坐標結(jié)果，并與其精確坐標進行對比，獲取點位坐標的解算誤差。

實驗結(jié)果見圖2和表2。從實驗結(jié)果可以看出，利用IGS提供的最終精密衛(wèi)星星歷解算得到的點位誤差隨著基線距的增加而增大，但水平向均保持在5 mm以內(nèi)；垂向精度較水平向稍差，短基線網(wǎng)(20～100 km)和中長基線網(wǎng)(60～200 km)的誤差保持在1 cm以內(nèi)，長基線GNSS網(wǎng)(200～1 000 km)的垂向誤差超過2 cm。值得注意的是，盡管GNSS點的基線距不超過100 km(實驗一)，解算得到的點位(P560)坐標仍然具有近2 mm的誤差，其原因為：該CORS網(wǎng)的精確坐標是在全球基準下利用坐標長時間序列解算獲得，而此次實驗僅解算了該GNSS點的單天坐標，且構(gòu)建的GNSS網(wǎng)為局部網(wǎng)絡[13-14]。上述結(jié)果表明，GAMIT在高精度GNSS數(shù)據(jù)解算中具有mm級的精度，且對不同基線距的測站分布并不敏感，不僅能夠滿足cm級的一般工程需要，而且能夠滿足絕大多數(shù)高精度大型工程和地殼形變監(jiān)測的mm級精度要求。在特定的工程條件下，即便是僅有少量的非同步觀測控制點，依然可以利用IGS提供的全球連續(xù)運行觀測站進行高精度點位坐標解算。

圖2 點位誤差統(tǒng)計

表2 實驗結(jié)果mm

采用IGS提供的快速衛(wèi)星星歷進行坐標解算，短基線GNSS網(wǎng)(20～100 km)水平向坐標誤差在5 mm以內(nèi)，與利用精密星歷解算得到的結(jié)果相當，這是由于觀測數(shù)據(jù)在解算時組成雙差觀測值，消除掉了大部分的共模誤差[15]，如對流層、電離層的影響等。中長基線GNSS網(wǎng)(60～200 km)的水平向坐標誤差在1 cm以內(nèi)，垂向相對較差，誤差超過了1.5 cm；對于長基線GNSS網(wǎng)(200～1 000 km)，利用快速衛(wèi)星星歷解算得到的點位坐標誤差在水平向超過了1 cm，垂向誤差超過3 cm，表明其對精密工程網(wǎng)點位坐標解算的影響不可忽略[16-17]。

上述實驗僅基于待定點(P560)周圍均勻分布的4～5個已知點位來進行解算，如果增加已知框架點的個數(shù)，點位解算的精度雖然會有一定程度的提高，但其誤差變化的趨勢不會改變[18-19]。對于中國大陸來說，盡管IGS連續(xù)運行站分布相對稀疏，但隨著中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡260個連續(xù)站在2010年的正式運行以及各省市密集的CORS網(wǎng)絡的建立，能夠滿足短基線GNSS網(wǎng)或中長基線GNSS網(wǎng)的構(gòu)建，采用快速衛(wèi)星星歷(IGR)解算得到的GNSS點位坐標將能夠滿足cm級的工程精度要求。

隨著GAMIT/GLOBK10.7版本的發(fā)布(http://geoweb.mit.edu/gg/)，GAMIT提供了Linux和Windows平臺下的安裝版本，進一步為用戶提供了便利。同時，GAMIT/GLOBK程序自10.5版本開始，逐步加入了對其他各大GNSS系統(tǒng)(如北斗、Galileo)的支持；隨著GAMIT/GLOBK10.61版本的發(fā)布，該程序已經(jīng)能夠支持北斗觀測數(shù)據(jù)的解算，并且附帶的共用表文件也包含了多個GNSS系統(tǒng)的信息，這為今后開展基于北斗導航系統(tǒng)的工程測量控制應用提供了基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

對采用GAMIT/GLOBK解算高精度GNSS數(shù)據(jù)的一般性流程做了簡要的介紹，并利用IGS提供的精密衛(wèi)星星歷(IGS)和快速衛(wèi)星星歷(IGR)，對不同基線距的GNSS網(wǎng)(20～1 000 km)進行了坐標解算，探討了不同衛(wèi)星星歷對不同基線距GNSS網(wǎng)點位坐標解算的影響。結(jié)果表明，采用IGS最終衛(wèi)星星歷解算得到的點位水平向誤差均保持在5 mm以內(nèi)，且隨著基線距的增加變化不大；采用快速衛(wèi)星星歷解算得到的點位坐標水平向誤差隨著基線距的增加而增大(1～3 cm)，但短基線GNSS網(wǎng)點位的誤差對于衛(wèi)星星歷(IGS和IGR)并不敏感，點位坐標解算水平向精度在1 cm以內(nèi)；而長基線GNSS網(wǎng)的點位坐標解算水平向精度超過1 cm。在實際工程應用中，應綜合考慮時間效率及精度要求，選擇最佳的GNSS數(shù)據(jù)后處理方式。