不同版本的GAMIT超短基線數據解算精度分析

何月帆,聶桂根,2,武曙光,李海洋

(1. 武漢大學 衛星導航定位技術研究中心，湖北 武漢 430079；2. 地球空間信息技術協同創新中心，湖北 武漢 430079)

GAMIT軟件是美國麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology,MIT)與斯克里普斯海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography,SIO)共同研制的高精度數據后處理軟件，由于其優良的解算特性，在GNSS數據高精度解算領域得到廣泛應用[1]。但是由于北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)與GPS系統在星座結構、坐標框架、時間系統、信號頻率等方面都有著明顯的差異，故在GAMIT10.6版本之前只能解算GPS數據，對其他GNSS系統數據不能進行有效處理[2]。GAMIT10.61版本開始陸續可以處理GNSS多系統觀測數據，此版本發布于2017年7月，其特點是不僅能處理GPS數據，還能夠單獨處理如北斗(BDS)、伽利略(GALILEO)、印度區域衛星導航系統(IRNSS)的觀測數據[3]。隨著GNSS誤差模型的不斷精化，基于GAMIT進行的基線解算也逐步增加了最新的GNSS誤差改正模型，如參考框架IGS14和ITRF2014、對流層映射函數GMF/VMF、大氣負載、非潮汐大氣負載等[4]。GAMIT軟件的用途極為廣泛，其中一個重要作用就是用來分析測站的坐標和速度，進而對建筑物進行動態或靜態的形變分析，GAMIT主要輸出的是松弛約束解、參數估值及其協方差(矩陣)的h文件[5]。通過此文件能夠傳遞給GLOBK軟件包，以進行數據解算來求解測站位置和速度。除此之外，GAMIT可以應用于地球動力學、地殼形變、氣象水汽等領域的科學研究[6]。

現如今GAMIT軟件得到廣泛的應用，新版本軟件也得到定期的更新。目前使用比較廣泛的GAMIT軟件版本有10.5、10.6、10.61和最新的10.7，而各版本軟件之間也有一些模型改正方面的差異。已有研究對各版本之間解算差異的比較還很少，因此文中選用GAMIT10.5、GAMIT10.6、GAMIT10.61、GAMIT10.7這4個不同版本的軟件，對北京某一地區所測的超短基線場的5個GPS點及其周邊的陸態網的站點進行聯測處理，比較不同版本在解算成果上的差異，分析造成這些差異的因素。

1 GPS資料概況

該超短基線場由5個點組成，網形為等腰梯形，各條基線的夾角約為60°，長度約為6 m，每次同步校準最多5臺GNSS接收機。該校準場基準點選擇高度角在15°以上，天空無障礙物，地質構造堅固穩定且遠離電磁信號干擾源和易于產生多路徑信號源的地方，如圖1所示：文中采用Trimble Net R9接收機，對這5個點連續進行為期3 d的靜態觀測，觀測時間為2019年11月5日至7日，采樣頻率15 s，天線型號為TRM55971。

參考站選取的是中國境內和周邊的6個IGS站點(見圖2)，包括POL2、BADG、YSSK、LHAZ、TWTF和SUWN，以及北京市及周邊均勻分布的5個CMONOC站點。這些參考站均勻分布在超短基線場所在地周圍，使得組成的GPS網有較好的網形和精度。本次處理使用的各IGS站的觀測文件、廣播星歷、精密星歷以及精密鐘差均從美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA) 全球數據中心SOPAC下載得到；其中5個CMONOC參考站數據來自陸態網數據中心教育部數據子系統服務器。

圖1 網形設計

圖2 GAMIT處理使用的IGS站分布

2 GAMIT設計方案

本文采用的數據處理軟件由GAMIT10.5、GAMIT10.6、GAMIT10.61、GAMIT10.7所組成。如表1所示，文中對這些不同版本的GAMIT軟件進行了簡單的比較說明。首先使用GAMIT計算2019年11月5日至7日的單日基線結果，再利用GLOBK進行整體平差得各站坐標。

表1 不同版本的GAMIT軟件比較

主要的GAMIT基線解算策略包括：

1)解算類型為BASELINE，將衛星軌道參數固定；

2)觀測值類型為雙差觀測值；

3)截止高度角設置為15°，以減少多路徑效應等與衛星高度角有關的誤差源的影響；

4)測站約束為松弛約束，IGS站點N，E方向10 cm，U方向20 cm；待估測站N，E，U方向皆為30 m；

5)天線相位中心改正模型為AZEL，將天線相位中心看成是衛星高度角和方位角的函數，采用雙線性插值；

6)對流層延遲改正：映射函數采用VMF1；每2 h估計一次天頂對流層延遲參數；每12 h估計一次大氣水平梯度參數；

7)電離層延遲改正：采用LC組合觀測值消除一階電離層延遲的影響，高階電離層延遲模型為GMAP；

7)地磁場參考模型為IGRF11；

8)潮汐改正：采用的潮汐改正項包括地球固體潮(IERS2003)、極潮、海潮(FES2004)以及大氣潮(全球格網模型ANU100826)；非潮汐改正：非潮汐大氣模型改正(atmfilt_cm.year模型)；

9)參考框架：ITRF2014。

文中采用分級兩步法進行基線解算和網平差，即首先將IGS站、CMONOC參考站共11個站點作為框架網(見圖3)，經過基線解算與網平差，得出CMONOC參考站的ITRF2014框架下的精確坐標。然后將CMONOC參考站、項目測站作為下一級子網，采用相同的數據處理策略得出5個項目測站的基線解算與坐標結果。

圖3 GAMIT處理使用的CMONOC參考站分布

3 結果分析與比較

3.1 基線解算

GAMIT基線解算完成后，可將基線解的標準均方根誤差(Normalized Root Mean Square, NRMS)作為GPS同步環質量好壞的一個指標，表示單時段解算的基線值偏離其加權平均值Y的程度[7]，其定義如式(1)所示。通常要求NRMS值小于0.3 cm，若大于0.5 cm，則表示基線處理過程中周跳可能未得到完全修復[8-9]。

(1)

表2為利用這4款不同版本的GAMIT軟件進行基線解算獲得的年積日309—311單日解的NRMS值。

表2 GAMIT解算獲得的NRMS值表 cm

從表2可以看出，除了GAMIT10.61以外，其他版本的GAMIT基線解算結果的NRMS值均在0.3以內，產生這種結果的原因可能是GAMIT10.61軟件在處理基線時，其周跳模糊度模型未完善所致。

另外，也可以通過檢查所有站點是否全部參與基線解算來檢查解算效果。在單日解文件中的總結文件中，若是Number of stations used(使用的測站數目)與Total xfiles(生成的X文件的數量)一致，則說明全部站點參與了基線解算[10]。經檢查，本次解算所有測站均參與解算。

在基線解算的質量控制中，還可以采用其重復性來作為其更高等級的質量控制指標。重復性的定義為：

(2)

從表3可以看出，在水平以及長度分量上，其基線重復率均在亞毫米級，而在垂直分量上，其內符

表3 N，E，U分量及長度方向的基線重復率 m

合精度稍差，有少量基線重復率可達到毫米級。故從基線分量重復率結果來看，這4款不同版本的GAMIT軟件均滿足基線解算精度要求。

全站儀測邊結果列于表4。可以看出，若以全站儀兩日實測值的均值作為基準，則4個版本的基線結果最大差異均不到3 mm，解算成果均符合精度要求。

表4 全站儀實測基線邊長與對應的GAMIT基線解算結果 m

3.2 GLOBK網平差

基線解算完成以后，使用所獲得的H文件作為觀測量進行GLOBK網平差，起算點坐標約束在N，E，U 3個坐標分量為1 cm，1 cm，2 cm。各個版本的GAMIT/GLOBK軟件所得出的坐標結果如表5所示。

表5 測站點位坐標結果(ITRF, 2019.848)

續表5

由表5所列出的坐標結果，然后取這4款軟件的坐標結果的平均值作為虛擬的真值，分別求出這4種方案下各個項目測站的坐標與其虛擬真值間的距離，以此來對比它們坐標結果的穩健度，如圖4—圖6所示。

圖4 X方向點位坐標與均值間的距離

圖5 Y方向點位坐標與均值間的距離

圖6 Z方向點位坐標與均值間的距離

如圖4—圖6所示，用同一解算方案，利用不同版本的GAMIT/GLOBK軟件進行基線解算和網平差處理，所得到的坐標結果會有細微的差距，與其均值間的差異均不超過1 cm，對比4款軟件可以看出，不管在水平分量還是在垂直分量上，最新版本GAMIT10.7軟件與均值的差異最小，坐標穩健性最好，均不到2 mm；其次是GAMIT10.61版本；GAMIT10.6和GAMIT10.5版本相比較而言與均值差異較大，最大可達4.6 mm。

4 結 論

文中采用4種不同版本的GAMIT軟件對新建立的GPS超短基線場進行GAMIT/GLOBK高精度數據處理，通過對基線解算后NRMS值、基線重復性、獨立基線長度比較以及網平差后點位坐標穩健性等方面的對比分析，可以看出GAMIT在進行GPS超短基線處理時，其GAMIT10.7版本的解算結果最好，而GAMIT10.61除NRMS值較大以外，其他處理結果相比于GAMIT10.6和GAMIT10.5來講較好。文中通過對比不同GAMIT版本在數據解算中的精度和坐標結果的可靠性，對于類似的數據處理解算具有一定的參考意義。同時隨著多系統衛星接收機的普及，對于該類接收機的校準工作需要綜合處理多系統數據，這將是本文下一步的研究計劃。