GAMIT和CosaGPS在工程控制測(cè)量中的應(yīng)用

王 瑞，寧長(zhǎng)春，陳 聯(lián)，李世顯

（1.中油（新疆）石油工程有限公司，新疆 克拉瑪依 834000；2.塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆 庫(kù)爾勒 841000）

在一般的中小型測(cè)繪工程控制測(cè)量項(xiàng)目中，短基線的GPS靜態(tài)定位技術(shù)已經(jīng)成熟，天寶TBC、萊卡LGO、中海達(dá)HGO、華測(cè)CGO等GPS接收機(jī)附帶的隨機(jī)軟件已能滿足大多數(shù)工程控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的精度要求。然而，在一些大面積長(zhǎng)距離的油氣輸送管道、沙漠公路等大型測(cè)繪項(xiàng)目中，測(cè)區(qū)線路長(zhǎng)度可達(dá)幾百甚至上千km，沿線控制點(diǎn)稀少、分布不均且離線路較遠(yuǎn)，強(qiáng)行引入到工程控制網(wǎng)中，必定導(dǎo)致基線超長(zhǎng)且不合規(guī)范，此時(shí)的GPS接收機(jī)隨機(jī)商用軟件，因其數(shù)據(jù)處理模型存在一定的缺陷，無法消除或削弱星歷誤差、大氣延遲誤差等多項(xiàng)誤差，因此解算精度不能滿足要求。在我國(guó)西北的新疆、西藏等地區(qū)，測(cè)區(qū)往往沒有可利用的已知控制點(diǎn)，無法進(jìn)行常規(guī)GPS靜態(tài)測(cè)量。

一種有效解決上述工程控制測(cè)量問題的方法是利用中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)工程的25個(gè)連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站和國(guó)內(nèi)國(guó)外已有的地球動(dòng)力學(xué)服務(wù)站（IGS）的全天不間斷觀測(cè)數(shù)據(jù)，任意未知站點(diǎn)在任何觀測(cè)時(shí)段均可與它們組成結(jié)構(gòu)良好的同步觀測(cè)環(huán)，進(jìn)而可精密確定未知站點(diǎn)的坐標(biāo)。GPS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站的存在大大降低了（甚至無需）未知觀測(cè)點(diǎn)間觀測(cè)同步的要求。將下載的連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站單天GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)作為已知點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，引入測(cè)區(qū)布設(shè)的工程控制網(wǎng)中；再利用GAMIT軟件進(jìn)行長(zhǎng)基線聯(lián)合解算；然后利用CosaGPS數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行網(wǎng)平差，通過歷元框架轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)形式轉(zhuǎn)換精確求取待定點(diǎn)CGCS2000平面坐標(biāo)；最后利用測(cè)區(qū)少量GPS/水準(zhǔn)點(diǎn)和地球重力場(chǎng)模型EGM2008求取待定點(diǎn)的正常高。具體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 基于GAMIT和CosaGPS的GPS靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理流程圖

1 GAMIT基線解算

1.1 GAMIT軟件簡(jiǎn)介

GAMIT軟件是由美國(guó)麻省理工學(xué)院和美國(guó)加利福利亞大學(xué)海洋研究所共同研制的，主要是用于定位和定軌的GPS數(shù)據(jù)分析軟件包，也是世界上最優(yōu)秀的GPS精密數(shù)據(jù)處理軟件之一。它可采用精密星歷，并考慮大氣延遲、潮汐影響和其他系統(tǒng)誤差模型，消除衛(wèi)星鐘差和接收機(jī)鐘差的影響，減弱軌道誤差、大氣折射誤差等系統(tǒng)誤差的影響，從而提高精度。因其具有免費(fèi)申請(qǐng)獲得、源代碼開放、更新速度快、解算精度高以及能進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理等優(yōu)點(diǎn)，GAMIT軟件在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。因此，當(dāng)精度要求較高、商用處理軟件無法滿足精度要求時(shí)，可采用GAMIT軟件對(duì)GPS控制網(wǎng)進(jìn)行基線解算。目前該軟件已更新到10.71版本，可采用安裝虛擬機(jī)的方法搭建Ubuntu系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)GAMIT軟件進(jìn)行安裝。

1.2 觀測(cè)文件與星歷文件準(zhǔn)備

觀測(cè)文件包括RINEX格式觀測(cè)O文件、廣播星歷N文件和IGS精密星歷sp3文件。本文首先利用GPS接收機(jī)的隨機(jī)軟件將GPS靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RINEX標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，以供GAMIT軟件計(jì)算使用；然后從武漢大學(xué)IGS數(shù)據(jù)中心下載所用IGS站的觀測(cè)文件和星歷文件。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，在Ubuntu系統(tǒng)桌面上建立一個(gè)工程目錄（即工程文件夾），用于存放本次需處理的所有數(shù)據(jù)，建立的所有目錄均在該目錄下。

1）建立子目錄rinex，用于存放處理好的RINEX格式觀測(cè)O文件。

2）建立子目錄igs，用于存放從網(wǎng)上下載的對(duì)應(yīng)時(shí)段的精密星歷sp3文件。

3）建立子目錄brdc，用于存放所有廣播星歷N文件。

4）建立tables目錄，用于存放數(shù)據(jù)處理過程中所需的各種表格，可采用sh_setup命令建立。該命令可將GAMIT安裝目錄下自帶的tables文件夾中的文件鏈接過來。

1.3 參數(shù)表文件準(zhǔn)備

需要重點(diǎn)查看和設(shè)置的參數(shù)表文件包括月球星歷表（luntab）、太陽(yáng)星歷表（soltab）、章動(dòng)歷表.（nutab）、極移參數(shù)（pole）、時(shí)間表（ut1.UT1）、天線高與相位中心偏移模式參數(shù)表（antmod.dat）、接收機(jī)與天線類型信息（rcvant.dat）和天線型號(hào)與量高方式改正數(shù)參數(shù)（hi.dat）。

1）首先打開觀測(cè)O文件，查看接收機(jī)和天線型號(hào)；然后打開antmod.dat文件，查看其有無該接收機(jī)和天線類型，若無，則通過www.ngs.noaa.gov網(wǎng)站查閱該接收機(jī)天線類型，并添加到antmod.dat文件中；再打開rcvant.dat文件，根據(jù)天線型號(hào)查看gamit唯一內(nèi)部碼；最后找到接收機(jī)型號(hào)，若無，則自行添加。

2）打開hi.dat文件，根據(jù)天線型號(hào)查看量高方式，DHARP為直量至相位中心參考點(diǎn)，SLBCR為斜量至扼流圈底部。若量高方式不正確，直接修改；若找不到該天線型號(hào)，則手動(dòng)添加并修改量高方式。

3）打 開tables文 件 夾，查 看soltab、luntab和nutab這3個(gè)文件表頭日期，查看觀測(cè)O文件日期是否在表頭日期之內(nèi)，若不在，則需更新這3個(gè)文件。

4）在tables文件夾中，輸入doy命令，查看極移日期是否在pole.usno文件表頭日期之內(nèi)，若不在，則需更新pole和ut1兩個(gè)文件。

上述參數(shù)表文件的更新可通過在tables目錄下輸入命令gftp，回車，再輸入主機(jī)：garner.ucsd.edu，端口：21，用戶名：anonymous，在密碼處點(diǎn)擊回車后鏈接至服務(wù)器，然后順序點(diǎn)擊achive-garner-gamit-tables進(jìn)行單個(gè)文件的選擇下載更新；也可直接通過ftp://lox.ucsd.edu/pub/gamit/tables/網(wǎng)站下載更新。

1.4 基線解算

1）打開tables文件夾，輸入命令sh_upd_stnfo-files../rinex/*.yyo，更新station.info測(cè)站文件；然后打開測(cè)站文件，查看觀測(cè)數(shù)據(jù)站名、接收機(jī)和天線類型、量高方式是否與參數(shù)表文件中設(shè)置的一致。

2）打開sestbl數(shù)據(jù)處理參數(shù)設(shè)置表，修改海洋文件，若不使用潮汐改正模型，則將Tides applied=31中的31改為23，Use otl.grid=Y中的Y改成N；再設(shè)置截止高度角Elevation Cutoff，保存即可。

3）打開process.defaults控制文件，可對(duì)采樣間隔set sint、采樣起始時(shí)間set stime、觀測(cè)數(shù)據(jù)文件大小set minxf以及是否使用RINEX頭文件進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成后保存即可。

4）上述參數(shù)文件設(shè)置完成后，在tables文件夾中執(zhí)行sh_gamit-expt***命令，進(jìn)行基線解算。解算過程中，若系統(tǒng)提示解算錯(cuò)誤，則找到出現(xiàn)fatal的第一個(gè)地方，修改參數(shù)表文件，解決錯(cuò)誤；再重新解算。

5）解算成功后，最終生成基線文件Q文件和O文件。

1.5 基線解算質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)

在基線解算文件夾中打開sh_gamit_**.summary批處理綜合文件，檢查以下內(nèi)容看基線解算是否合格：①文件中測(cè)站數(shù)Number of stations是否正確；②查看測(cè)站RMS值，通常3～10之間的數(shù)據(jù)較好；③文件中最后4個(gè)驗(yàn)后NRMS，此值應(yīng)小于0.2；④相位模糊度的求解Phase ambiguities WL fixed 93.6% NL fixed 70.5%，兩個(gè)值接近100%為最優(yōu)，大于90%代表很好，70%～85%屬于一般；⑤Q文件中基線解算的相對(duì)精度應(yīng)小于10-8。

2 CosaGPS網(wǎng)平差

2.1 CosaGPS平差軟件簡(jiǎn)介

為了滿足工程測(cè)量單位對(duì)GPS數(shù)據(jù)處理的要求，在分析研究GPS數(shù)據(jù)處理理論的基礎(chǔ)上，武漢大學(xué)自主研制了CosaGPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)便、界面友好、解算容量大、速度快、系統(tǒng)穩(wěn)定性好、輸出成果全、功能全面、能滿足多種規(guī)范要求等優(yōu)點(diǎn)。因此，與GAMIT/GLOBK相比，該軟件更適合GPS工程控制網(wǎng)平差計(jì)算。

2.2 CosaGPS控制網(wǎng)平差

利用GAMIT軟件進(jìn)行基線解算，可輸出Q文件和O文件兩種格式的基線解算結(jié)果文件，每個(gè)文件中均包含兩處基線向量數(shù)據(jù)，第二處是CosaGPS網(wǎng)平差所需的數(shù)據(jù)。為使CosaGPS軟件能直接調(diào)用該部分?jǐn)?shù)據(jù)，需要在該數(shù)據(jù)的上一行加入CosaGPS識(shí)別標(biāo)志。本文以Q文件為例，說明如何調(diào)用該部分?jǐn)?shù)據(jù)。

1）打開Q文件，找到第二處基線解算成果文件如下：

2）在該文件第一條基線的Baseline vector的前一行加入cosagps for gamit q-file識(shí)別標(biāo)志點(diǎn)，保存即可。

3）打開CosaGPS軟件，新建工程名稱，設(shè)置存盤路徑、選擇控制網(wǎng)等級(jí)和坐標(biāo)系統(tǒng)，基線類型選擇gamit。

4）輸入已知數(shù)據(jù)，可通過登陸itrf.ensg.ign.fr網(wǎng)站輸入日期下載所需的IGS跟蹤站三維空間直角坐標(biāo)值，并將其作為已知點(diǎn)錄入到CosaGPS軟件。

5）讀取gamit基線數(shù)據(jù)，形成獨(dú)立基線文件，再進(jìn)行三維向量網(wǎng)平差，輸出待測(cè)點(diǎn)成果即可。具體解算步驟可參考CosaGPS軟件說明書。

3 歷元框架轉(zhuǎn)換

經(jīng)過CosaGPS網(wǎng)平差后可輸出待測(cè)點(diǎn)三維空間直角坐標(biāo)，需對(duì)三維空間直角坐標(biāo)進(jìn)行歷元框架的轉(zhuǎn)換，精確求取其在歷元2000.0、ITRF97下的CGCS2000坐標(biāo)。目前市面上有免費(fèi)的大地測(cè)量工具集和一些測(cè)量小程序可供使用，本文采用西安測(cè)繪研究所劉光明老師編寫的CGCS2000坐標(biāo)轉(zhuǎn)換程序集，具體步驟為：①利用微塊體歐拉矢量法計(jì)算待測(cè)點(diǎn)測(cè)站速度值；②將當(dāng)前坐標(biāo)歷元?dú)w算至2000.0歷元；③在2000.0歷元下進(jìn)行不同參考框架間的轉(zhuǎn)換，先查看已下載的IGS站坐標(biāo)值文件中的參考框架，再登陸itrf.ensg.ign.fr網(wǎng) 站，點(diǎn) 擊Transformation Parameters下載當(dāng)前參考框架對(duì)應(yīng)ITRF97的轉(zhuǎn)換參數(shù)，最后輸入到程序集中進(jìn)行不同參考框架轉(zhuǎn)換；④將CGCS2000三維空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為高斯平面直角坐標(biāo)和WGS84坐標(biāo)即可。

4 高程擬合

4.1 EGM2008模型簡(jiǎn)介

EGM2008模型是一個(gè)完全階次為2 190的全球重力場(chǎng)模型，基本網(wǎng)格分辨率為5′×5′，在全球范圍內(nèi)的精度可達(dá)13 cm，在我國(guó)大陸的總體精度為20 cm，我國(guó)西部地區(qū)為24 cm。因此，EGM2008模型具有很高的精度，是計(jì)算大地水準(zhǔn)面高的首選地球重力場(chǎng)模型，可免費(fèi)使用。

4.2 正常高計(jì)算

利用測(cè)區(qū)少量GPS/水準(zhǔn)點(diǎn)和EGM2008模型進(jìn)行似大地水準(zhǔn)面精化，擬合得到待測(cè)點(diǎn)的正常高。該方法可達(dá)厘米級(jí)精度，能滿足一般工程測(cè)量需求，詳見實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本文利用新疆烏什塔拉鄉(xiāng)6個(gè)已知C級(jí)GPS點(diǎn)靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)為4 h，采樣間隔為30 s，截止高度角為15°；利用IRKM、POL2、NVSK和LHAZ四個(gè)IGS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站同天的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算，其中以IRKM、POL2、NVSK作為CosaGPS網(wǎng)平差的已知點(diǎn)，以LHAZ和6個(gè)C級(jí)GPS點(diǎn)作為檢查點(diǎn)。網(wǎng)平差計(jì)算時(shí)，首先對(duì)求解的LHAZ站三維空間直角坐標(biāo)進(jìn)行檢核（表1），合格后再計(jì)算6個(gè)C級(jí)GPS點(diǎn)的CGCS2000高斯平面直角坐標(biāo)。對(duì)比數(shù)據(jù)如表2所示。由表1可知，CosaGPS軟件解算得到的坐標(biāo)與已知值的較差不超過1 cm，說明三維向量網(wǎng)平差結(jié)果精度較高，可進(jìn)行下一步工作。由表2可知，通過歷元框架、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換求得的CGCS2000坐標(biāo)成果點(diǎn)位誤差最大為1.9 cm、最小為3 mm，外符合精度為1.5 cm，說明解算成果與原有成果符合度較好，精度較高。

表1 LHAZ站三維空間直角坐標(biāo)解算成果比較表

表2 GPS點(diǎn)CGCS2000解算成果比較表/m

GPS點(diǎn)正常高是基于EGM2008模型采用常數(shù)模型擬合的方式獲取的，該測(cè)區(qū)跨度約為50 km，選取中央點(diǎn)C05作為已知高程點(diǎn)，計(jì)算得到另外5個(gè)GPS點(diǎn)的正常高，對(duì)比數(shù)據(jù)如表3所示，可以看出，高程擬合誤差最大為5.9 cm、最小為-5 mm，外符合精度為3.8 cm，C級(jí)GPS點(diǎn)間距平均約為10 km。按四等幾何水準(zhǔn)的允許殘差±20L判斷，該方法得到的GPS擬合高程可達(dá)四等水準(zhǔn)精度。

表3 GPS擬合高程比較表/m

6 結(jié)語(yǔ)

通過上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在測(cè)區(qū)控制點(diǎn)稀少或無已知控制點(diǎn)時(shí)，可基于全球連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站和IGS跟蹤站數(shù)據(jù)，利用GAMIT軟件進(jìn)行長(zhǎng)基線解算，利用CosaGPS軟件進(jìn)行三維向量網(wǎng)平差；再通過歷元框架、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精確求取待測(cè)點(diǎn)CGCS2000平面坐標(biāo)；最后利用測(cè)區(qū)少量GPS/水準(zhǔn)點(diǎn)和EGM2008模型進(jìn)行似大地水準(zhǔn)面精化，擬合得到待測(cè)點(diǎn)的正常高，高程精度可達(dá)厘米級(jí)，能滿足一般工程測(cè)量的需要。該方法突破了常規(guī)工程控制測(cè)量聯(lián)測(cè)已知點(diǎn)的瓶頸，大大縮短了工期，提高了工作效率，在精度滿足規(guī)范要求的前提下可直接獲取未知點(diǎn)CGCS2000平面坐標(biāo)和高程，使測(cè)量方式多樣化，克服了工程控制測(cè)量在復(fù)雜環(huán)境下的難點(diǎn)，是一種行之有效的方法，為實(shí)際工程運(yùn)用提供了新的解決思路。