GAMIT基線解算質量指標分析

呂成亮,王曉珅(天津市測繪院,天津 300381)

GAMIT基線解算質量指標分析

呂成亮?,王曉珅
(天津市測繪院,天津 300381)

摘 要:詳細介紹GAMIT基線解算分步處理與自動化處理的質量評價指標,同時分別利用fortran語言和bash編寫自動提取單天解標準化均方差和基線重復率自動計算的程序,實現快速評定基線解算結果質量的功能。

關鍵詞:GAMIT;單天解標準化均方差;基線重復率;質量評定

1 引 言

GAMIT是美國麻省理工學院(MIT)和美國加利福尼亞大學SCRIPPS海洋研究所(SIO)共同研制用于定位和定軌的GPS數據分析軟件。其基于Fortran語言和標準C語言編寫,包括多個可以獨立運行的程序化模塊。GAMIT廣泛應用于定軌及長距離的定位,尤其是監測全球性的板塊運動[1]。

近年來,GAMIT在數據自動處理方面做了較大改進,在精度范圍允許的條件下,GAMIT可以運用sh_ gamit進行快速自動化處理。比較GAMIT自動化處理和分步處理,雖然兩者得到的結果基本一致,但是對應的質量評價指標卻不完全相同。而且,sh_gamit只能實現基線的自動解算,并不包含對基線解算結果的質量評定功能。

本文在分析GAMIT基線解算結果質量指標的基礎上,以單天解標準化均方差和基線重復率為基線解算結果的質量評價指標,編寫了相應的快速提取、計算和繪圖程序,以實現對基線解算結果的快速質量評定。

2 質量評價指標

2．1分步處理質量指標

(1)單天解標準化均方差

單天解標準化均方差NRMS ( Normalized Root Mean Square)。它表示單時段解算出的基線值偏離其加權平均值的程度[2]。

其中:

Yi為第i日的基線邊長;

Y為單天解基線邊長的加權平均值;

通常情況下,NRMS小于0．3視為該項質量評定指標合格。NRMS值越小,基線解算的精度越高。若NRMS太大,則說明處理過程中周跳可能未得到完全修復。此時,可以首先利用SCANDD命令進行觀測值的雙差檢驗。通過對所有的雙差組合進行檢查,以此來判斷觀測信號不佳的衛星號,從而在后續的數據處理中屏蔽該衛星的數據,提高基線解算精度。當上述步驟依然無法降低NRMS值時,可以考慮用CVIEW手工對殘余周跳進行修復[3]。

(2)基線重復率

基線重復率是衡量基線解算質量的重要指標之一,它反映了基線內符合精度,其值越小,基線內符合精度越高。基線重復率包括基線向量的重復性和相對重復性兩個指標,分別由以下兩公式計算[1]:

其中:Rl為基線向量的重復性;

n為基線單日解數目;

Rr為基線向量的相對重復性;

ˉL為單天解基線邊長的加權平均值;

Li為第i日的基線邊長。

2．2自動化處理質量指標

在自動化處理情況下,評價基線解算結果質量有三個指標[3～5]:

(1)是否具有進行合理估計的足夠數據;

(2)數據噪聲水平是否滿足與所選模型匹配;

(3)誤差是否足夠小。

下面以IGS在中國境內的wuhn、bjfs、kunm、shao、lhas共5個站點在2000年全年的觀測數據為測試數據進行基線解算。如圖1所示,以第123天基線解算結果為例,對上述三個質量指標進行具體說明。

圖1　sh_gamit_123．summary

基線解算結果的質量指標保存在sh_gamit_123．summary中,分析如下:

(1)Number of stations used表示參與數據處理的測站數,Total xfiles表示創建x文件的總數。通常情況下,兩者應該相等。如果參與數據處理的測站數小于創建x文件的總數,說明雖然某些x文件已經被創建,但是由于它們觀測時間太短,不滿足process．defaults中關于最短觀測時間的設置,因此這部分站點不會參與數據處理。當然,如果是在sites．defaults中設置了xsite項,排除了某些站參與數據處理,也會造成創建的x文件數大于參與數據處理的測站數。

(2)RMS那部分中,顯示的是各個測站和衛星的均方根誤差(由于篇幅限制,僅列出1號～24號衛星),緊隨其后的是其中質量最好的兩個測站和質量最差的兩個測站相應的均方根誤差。這部分中,第一列的數據單位是mm,后面的所有列的單位都是0．1 mm。

一般最好的測站的RMS應該在3 mm～5 mm;最差的測站RMS應該在7 mm～9 mm。如果在10 mm～15 mm之間說明該測站有很大的噪聲;如果RMS大于15 mm,說明該站的觀測存在問題。這種問題可能是接收機的某種故障造成的,也有可能是因為測站附近多路徑誤差太大或者天氣很惡劣。除此之外,如果測站的初始坐標有較大的誤差或者觀測時間太短以致引起收斂問題也會導致RMS值過大。

需要注意的是,如果最“好“的測站RMS值為0,說明該站的數據已經移除。這種情況極有可能是因為測站的先驗坐標質量太差,那么在atucln．post．sum文件的最開始就可以看到偽距的RMS值很大。

(3)雙差數據統計那四行表示的是不同情況下的nrms,依次是:約束浮動解;約束固定解;松弛浮動解;松弛固定解。其中左邊的是先驗值,右邊的是最后確定值。

(4)最后一個部分是表示寬巷模糊度(WL)和窄項模糊度(NL)固定的百分比。一般WL應該大于90%,NL應該大于80%。

3 程序實現

3．1單天解標準化均方差

利用GAMIT進行基線解算,NRMS保存在基線解算結果O文件中。對于時間跨度較大的基線處理而言,如果逐一查看結果文件進行NRMS值檢查,將會耗費大量時間。為此,筆者基于Fortran語言編寫了相應的程序,實現如下功能:提取所有結果文件中的NRMS 值,并生成相應的NRMS隨時間分布圖。其中,程序中的核心部分是NRMS的提取與保存,相應的代碼如下所示:

program readdata

implicit none

real?8 a,grow(365)

character?55::f_name="files_name．txt" character?80::infile

open(10,file=f_name,status="old")

open(30,file='pwen09',status='unknown')

do 21 j=1,365

read(10,?,file=f_name,end=301) infile

open(20,file=infile,status="old")

do 22 i=1,6

read(20,?,end=23)

22 continue

23 read(20,"(44x,f7．5)") grow(j) 21 continue

write(30,"(f7．5)") grow 301 continue

close(10) close(20) close(30) stop end

以某區域CORS網聯合IGS在中國境內的wuhn、bjfs、kunm、shao、lhas共5個站點為例,選取其2009年1月～2010年11月的數據,進行基線解算,解算策略如下:

(1)引入的5個IGS站點作為基準點,并在基線解算的過程中進行適當的約束;

(2)基線解算星歷采用IGS提供的事后精密星歷;

(3)采用松弛解(RELAX)解算模式,即在定位的同時估計衛星軌道;

(4)用LC觀測解模糊度;

(5)采用PWL分段線性方法估計天頂對流層延遲參數,估計間隔為2 h;

(6)考慮測站的固體潮、海潮、極潮和大氣負荷潮等模型改正;

(7)考慮測站的電離層折射改正,利用LC觀測值組合來消除電離層折射的影響;

(8)考慮衛星時鐘改正和站鐘差改正,利用廣播星歷中的鐘差參數對衛星鐘差進行模型改正,利用偽距觀測值計算接收機鐘差。

利用筆者編寫的程序,從單天解O文件中提取NRMS值并繪圖,結果如圖2所示。

從圖2中可以發現,99．8%的單天解NRMS值均小于0．2,NRMS的最大值小于0．25,完全小于該項指標臨界值0．3。基于此得出結論:基線解算的該項質量指標符合要求。

圖2　NRMS時間分布圖

3．2基線重復率

不同于NRMS值,GAMIT基線解算的結果中并沒有直接計算基線向量的重復性和相對重復性。因此,評價該項質量指標必須事先根據基線解算結果O文件中基線的長度,按照式(2)～式(4)分別計算基線向量的重復性和相對重復性。基于此,筆者利用bash編寫了相應的腳本程序,從單天解的O文件中抓取每條基線的長度,按照上述公式計算基線向量的重復性和相對重復性,并進行批處理。程序的核心部分如下:

#! / bin/ bash

ls＞a

mkdir file0 only_data

echo X-Y＞issue

while read line;

do

file0= $ line

echo $ file0

awk '/ X-Y/ ' " $ file0"＞" $ file0"0

cat issue " $ file0"0＞" $ file0"01

rm " $ file0"0

while read line;

do

awk '{print $ 1"" $ 16}' $ file＞" $ file0"data;

done < " $ file0"01

mv " $ file0"01 file0

mv " $ file0"data only_data

done < a

rm a file0/ a01 only_data/ adata file0/ test_do01 only_data/ test _dodata issue

同樣以3．1節中的基線解算結果為例,運行筆者的程序,計算基線向量的重復性和相對重復性。由于篇幅的限制,計算得到的每條基線的重復性和相對重復性的結果不在此一一列出。將每條基線重復性作為觀測值,利用線性擬合的辦法求出固定部分和比例系數部分是最為常用的分析辦法。采用的線性擬合模型為下式:

按照式(5),將計算得到的基線重復性和基線長度數據導入MATLAB中進行線性擬合,得到的擬合圖形如圖3所示。

圖3　線性擬合結果

通常情況下,基線重復率指標合格是指基線向量的相對重復性精度在10-9量級,常數部分為毫米級。由圖3可知,計算得到的常數部分值為2．3 mm,比例系數為7．86×10-10。因此可以得出結論:基線解算的該項質量指標符合要求。

4 總 結

基線解算是GPS數據處理中工作量最大的一步,也是進行后續分析的基礎。因此,對于基線解算結果進行質量評定非常重要。

本文首先詳細介紹了GAMIT分步過處理的質量指標和利用sh_gamit進行基線解算的質量指標。其次,編寫相關程序,實現了以下功能:①自動提取單天解標準化均方差并將結果繪制成隨時間變化的曲線圖;②自動計算基線重復率。最后結合MATLAB對計算得到的基線重復率進行線性擬合,更為準確的表達基線解算結果中基線重復率這項質量評價指標。

參考文獻

[1] 鄂棟臣,詹必偉,姜衛平等．應用GAMIT/ GLOBK軟件進行高精度GPS數據處理[J]．極地研究,2005,17(3):173 ～182．

[2] 李征航,張小紅．衛星導航定位新技術及高精度數據處理方法[M]．武漢:武漢大學出版社,2009．

[3] T．A．Herring,R．W．King,S．C．McClusky,GAMIT Reference Manual,Department of Earth,Atmospheric,and Planetary Sciences Massachusetts Institute of Technology,2009．

[4] T．A．Herring,R．W．King,S．C．McClusky,Introduction to GAMIT/ GLOBK, Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences Massachusetts Institute of Technology, 2010．

[5] T．A．Herring,R．W．King,S．C．McClusky．GLOBK Reference Manual,Department of Earth,Atmospheric,and Planetary Sciences Massachusetts Institute of Technology,2009．

Analysis of Quality Index for Baseline Solution by GAMIT

Lv Chengliang,Wang Xiaoshen
(Tianjin Institute of Surveying and Mapping,Tianjin 300381,China)

Abstract:For the indicators of Baseline solution,sh_gamit is different from processing step by step．This article introduces both of them in detail．In order to evaluate the quality of results quickly,it takes the normalized root mean square and the relative recurrence rate of baseline to program by fortran and bash．

Key words:GAMT;normalized root mean square;the relative recurrence rate of baseline;estimation of quality

文章編號:1672-8262(2015)06-59-04中圖分類號:P228

文獻標識碼:B

收稿日期:?2015—07—07

作者簡介:呂成亮(1986—),男,碩士,工程師,主要從事GPS數據處理方面的研究。

基金項目:住房和城鄉建設部科技項目(2011-K3-10)