GAMIT在呼倫貝爾市GPS C級(jí)網(wǎng)基線處理中的應(yīng)用

張瑞新

摘要：GAMIT是美國麻省理工學(xué)院（MIT）和美國加利福尼亞大學(xué)SCRIPPS海洋研究所（SIO）共同研制用于定位和定軌的GPS數(shù)據(jù)分析軟件，廣泛應(yīng)用于定軌、長距離定位、全球性板塊運(yùn)動(dòng)監(jiān)測等，是優(yōu)秀、穩(wěn)定的高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件。本文以內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市GPS C級(jí)網(wǎng)為例，利用GAMIT高精度基線解算方法，解決了呼倫貝爾市GPS C級(jí)網(wǎng)因?yàn)辄c(diǎn)位觀測環(huán)境差、平均控制網(wǎng)邊過長，B級(jí)控制點(diǎn)點(diǎn)位發(fā)生位移等難以達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的問題。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，呼倫貝爾市GPS C級(jí)網(wǎng)根據(jù)GAMIT q文件中N、E、U三分方向的分量誤差統(tǒng)計(jì)，相鄰點(diǎn)基線分量中誤差為水平±7.9mm、垂直±16.1mm，相對(duì)精度達(dá)到0.09ppm，完全符合國家GPS C級(jí)網(wǎng)限差要求。

關(guān)鍵詞：gamit；GPS C級(jí)網(wǎng)；基線解算；可靠性

1.引言

GPS C級(jí)控制網(wǎng)是內(nèi)蒙古自治區(qū)現(xiàn)代大地測繪基準(zhǔn)體系的重要組成部分，是對(duì)自治區(qū)境內(nèi)已有的高等級(jí)GPS控制網(wǎng)的加密和補(bǔ)充，作為各類測繪工程的基準(zhǔn)使用。目前，已完成全區(qū)十二個(gè)盟市的GPS C級(jí)網(wǎng)加密建設(shè)，所有GPS C級(jí)網(wǎng)均嚴(yán)格相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)、布設(shè)和觀測。整個(gè)項(xiàng)目耗時(shí)長、工作量大，為反映觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量、減少后期補(bǔ)測反測，觀測數(shù)據(jù)的處理方法顯得尤為重要。GAMIT軟件是目前世界上最優(yōu)秀、最穩(wěn)定的高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件，可以有效提高GPS C級(jí)控制網(wǎng)的點(diǎn)位精度，解決部分質(zhì)量較差的觀測數(shù)據(jù)達(dá)不到國家標(biāo)準(zhǔn)的問題。

2.研究區(qū)概況與觀測數(shù)據(jù)情況

2.1研究區(qū)概況

本文以內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部呼倫貝爾市GPS C級(jí)網(wǎng)為例，，由94座GPS C級(jí)網(wǎng)和19座GPS B級(jí)控制點(diǎn)組成均勻分布在整個(gè)呼倫貝爾市。研究區(qū)東鄰黑龍江省，南接興安盟，西和西南與蒙古國毗鄰，北和西北與俄羅斯交界，面積26.2萬Km2，境內(nèi)地形復(fù)雜，涵蓋森林、湖泊、草原等地形地貌。呼倫貝爾市地勢西高東低，大興安嶺以東北—西南走向縱貫呼倫貝爾市中部，形成三大地形單元：大興安嶺山地為林區(qū)、嶺西為呼倫貝爾大草原、嶺東地區(qū)為低山丘陵與河谷平原。由于呼倫貝爾市特殊地形地貌環(huán)境，在GPS C級(jí)點(diǎn)點(diǎn)位設(shè)計(jì)與埋設(shè)過程中，部分控制點(diǎn)無法找到理想的環(huán)境，接收機(jī)GPS衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較差；其次，呼倫貝爾市面積較大，各控制點(diǎn)之間平均間距較長；最后，轄區(qū)內(nèi)B級(jí)點(diǎn)成果老舊，部分已被人為破壞，發(fā)生明顯沉降和位移，需要剔除粗差，給解算帶來一定難度。

2.2觀測數(shù)據(jù)

呼倫貝爾市GPS C級(jí)網(wǎng)于2016年至2017年間觀測完成，全部采用美國天寶Trimble雙頻GPS R8-4接收機(jī)進(jìn)行觀測，觀測25天，共有49個(gè)時(shí)段數(shù)據(jù)，觀測時(shí)間大于4h，每點(diǎn)觀測大于2時(shí)段。其中：2016年年積日為267、269、270、271、272、274、275、276、277、278、279、281、282、283、284、285、286共17天，2017年年積日為227、229、230、231、232、233、234、235、325、326、329、330共12天。

3. GAMIT軟件及數(shù)據(jù)處理方法

3.1 GAMIT簡介

GAMIT是美國麻省理工學(xué)院（MIT）和美國加利福尼亞大學(xué)SCRIPPS海洋研究所（SIO）共同研制用于定位和定軌的GPS數(shù)據(jù)分析軟件。基于Fortran語言和標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫，包括多個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的程序化模塊。GAMIT廣泛應(yīng)用于定軌及長距離定位，尤其是監(jiān)測全球性板塊的運(yùn)動(dòng)。與普通的GPS隨機(jī)處理軟件相比，GAMIT功能更加強(qiáng)大，在解算過程中引入了衛(wèi)星軌道和地球自轉(zhuǎn)參數(shù)估計(jì)、用模型改正各種地球物理效應(yīng)（極移、歲差、章動(dòng)、潮汐等）、對(duì)流層天頂延遲參數(shù)和大氣水平梯度參數(shù)估計(jì)、支持接收機(jī)天線相位中心的ELEV（隨衛(wèi)星高度角變化）模型改正、可選觀測值等權(quán)、反比于基線長度或隨高度角定權(quán)、同時(shí)提供載波相位整周模糊度分別為實(shí)數(shù)和整數(shù)的約束解及松弛解、數(shù)據(jù)編輯人工干預(yù)（CVIEW），也可自動(dòng)處理（AUTCLN）。

采用GAMIT軟件處理雙差觀測值，采用最小二乘算法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，可完全消除衛(wèi)星鐘差和接收機(jī)鐘差，能明顯減弱軌道誤差、大氣折射誤差等系統(tǒng)性誤差的影響。

3.2 GAMIT數(shù)據(jù)處理方法

（1）原始觀測數(shù)據(jù)處理

將觀測值轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)格式RINEX文件，由于觀測時(shí)天線量高方式為ARP，需要進(jìn)行天線高歸化改正DHARP。同時(shí)，保證rinex頭文件中的接收機(jī)和天線類型與GMAIT表文件rcvant.dat中的接收機(jī)和天線類型保持一致。

（2）gamit軟件數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

①新建工程及文件夾brdc、rinex、tables、igs、gigs。

②更新表文件（tables文件夾）。利用filezilla命令鏈接服務(wù)器，找到更新的表文件進(jìn)行更新，將更新后的表文件復(fù)制到新建工程文件夾中。通常來自IERS的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)表ut1、pole.需要每日或每周更新；章動(dòng)表nutabl、太陽星歷表soltab、月亮星歷表luntab.、跳秒表leap.sec需要每年更新；接收機(jī)/天線列表rcvant.dat在新儀器使用時(shí)需要更新；衛(wèi)星列表svnav.dat在新衛(wèi)星使用時(shí)更新；碼偏文件（P1-C1、P1-P2）dcb.dat需要月更新。

③利用sh_get_nav命令下載廣播星歷和精密星歷，利用sh_get_rinex命令下載北京房山（bjfs）、吉林長春（chan）、蒙古烏蘭巴托（ulab）3個(gè)IGS跟蹤站觀測數(shù)據(jù)。

④調(diào)整解算策略。本文中sestbl基線處理時(shí)模型控制文件及sittbl各測站的精度控制指標(biāo)、已知坐標(biāo)強(qiáng)約束、未知點(diǎn)松約束設(shè)置如下表3-1所示。

⑤獲取觀測點(diǎn)先驗(yàn)坐標(biāo)，制作lfile。本文利用rinex頭文件中各點(diǎn)位的概略坐標(biāo)制作lfile.

⑥將觀測值（所有單一時(shí)段的RINEX文件）拷貝到RINEX文件夾下，同時(shí)將tables文件夾中的station.info文件拷貝到該文件夾下，利用sh_upd_stnfo -files *命令利用RINEX文件進(jìn)更新station.info文件。查看更新后的station. info文件，確保每個(gè)點(diǎn)位觀測數(shù)據(jù)中儀器型號(hào)、儀器高度、天線型號(hào)、天線相位中心改正模型等參數(shù)正確。

（3）基線向量批處理

①利用sh_gamit命令將整網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)與IGS觀測站觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行批處理。

②查看q文件，若評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)均方根nrms≤0.5，則認(rèn)為基線解算成功，一般為0.25左右，數(shù)值越小越好；若>0.5，則認(rèn)為周跳未修復(fù)。同時(shí)，查看每條基線處理的實(shí)際精度。若nrms超限或基線實(shí)際精度指標(biāo)不符合要求，則調(diào)整策略重新解算。

③預(yù)平差處理，剔除粗差

若基線解算精度符合要求，則利用GAMIT/GOLBK模塊進(jìn)行一次預(yù)平差（sh_glred命令）。平差時(shí)，將三個(gè)IGS跟蹤站當(dāng)作已知點(diǎn)，原控制網(wǎng)中GPS B級(jí)控制點(diǎn)和GPS C級(jí)點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)當(dāng)作未知點(diǎn)進(jìn)行解算。通過預(yù)平差結(jié)果，將不同時(shí)段點(diǎn)位坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，排除不穩(wěn)定的B級(jí)控制點(diǎn)，剔除C級(jí)點(diǎn)因儀器型號(hào)或高程錯(cuò)誤產(chǎn)生的粗差。

④基線解算

利用預(yù)平差坐標(biāo)結(jié)果更新L-file文件，刪除IGS站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算。查看解算結(jié)果，若不超限，則提取所有q文件，在q文件中第二個(gè)基線解算結(jié)果前加入COSA平差軟件設(shè)定的gamit基線文件標(biāo)識(shí)“COSAGPS FOR GAMIT Q-FILE”，接下來即可利用COSA軟件進(jìn)行平差解算。

（4）整網(wǎng)平差

利用武漢大學(xué)研發(fā)的科傻GPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（CosaGPS V5.20）進(jìn)行網(wǎng)平差。

4.基線處理結(jié)果與質(zhì)量分析

4.1不同時(shí)段觀測數(shù)據(jù)粗差的發(fā)現(xiàn)與剔除

在GAMIT/GOLBK利用預(yù)平差處理后，對(duì)整個(gè)GPS網(wǎng)中同一點(diǎn)位不同時(shí)段間的平差結(jié)果坐標(biāo)進(jìn)行比較，將平面和高程誤差明顯過大（平面超過3cm，高程超5cm）的點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，檢查原始觀測手簿。

不同時(shí)段平差結(jié)果誤差超限統(tǒng)計(jì)如表4-1所示：

在檢查原始觀測數(shù)據(jù)與外業(yè)觀測手簿后，將觀測數(shù)據(jù)中個(gè)別儀器高輸入錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行了更正，個(gè)別觀測時(shí)段與其余時(shí)段明顯不符的進(jìn)行了數(shù)據(jù)剔除。

4.2 GPS網(wǎng)中B級(jí)控制點(diǎn)可靠性分析

呼倫貝爾市GPS C級(jí)網(wǎng)在觀測時(shí)聯(lián)測了呼倫貝爾市范圍內(nèi)19個(gè)B級(jí)點(diǎn)進(jìn)行同步觀測，基線解算合格后將以這些B級(jí)點(diǎn)的坐標(biāo)成果為基準(zhǔn)進(jìn)行整網(wǎng)平差解算，為保證GPS C級(jí)點(diǎn)坐標(biāo)成果的正確性與可靠性，必須先對(duì)作為控制點(diǎn)采用的B級(jí)點(diǎn)進(jìn)行可靠性分析。利用預(yù)平差后B級(jí)點(diǎn)點(diǎn)位坐標(biāo)數(shù)據(jù)與資料館提供的已知坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，分析B級(jí)點(diǎn)的可靠性。B級(jí)控制點(diǎn)比較結(jié)果如表4-2：

分析發(fā)現(xiàn)，B767與B834兩點(diǎn)預(yù)平差成果與坐標(biāo)資料成果明顯相差較遠(yuǎn)，屬于外業(yè)找點(diǎn)時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤，不可用。而B765和B853與原坐標(biāo)成果有一定差距，對(duì)這兩個(gè)B級(jí)控制點(diǎn)也進(jìn)行了剔除。

4.3基線處理結(jié)果質(zhì)量分析

利用Gamit進(jìn)行解算，其質(zhì)量好壞指標(biāo)為nrms（單天解標(biāo)準(zhǔn)化均方差）。它表示單時(shí)段解出的基線值偏離其加權(quán)平均值的程度。nrms越小，其精度越高。通常情況下0.5以下視為合格，一般在0.25左右。本項(xiàng)目共涉及49個(gè)時(shí)段的數(shù)據(jù)，其nrms分布區(qū)間統(tǒng)計(jì)見表4-3：

由表4-3可知，本次基線處理結(jié)果中nrms全部小于0.25，質(zhì)量較好，基線解結(jié)果可以進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)和平差處理。

4.3.1相鄰點(diǎn)基線分量中誤差

相鄰點(diǎn)基線分量精度誤差在GAMIT基線解q文件中以N、E、U三分方向給出分量誤差，由此統(tǒng)計(jì)出的相鄰點(diǎn)基線分量中誤差見表4-4。

4.3.2同步環(huán)檢核

Gamit軟件采用的是全組合網(wǎng)解，同一時(shí)段同步環(huán)閉合差在基線解算時(shí)，已經(jīng)進(jìn)行了分配，由同步基線組成的同步環(huán)閉合差均為0。將每個(gè)時(shí)段的基線文件導(dǎo)入科傻GPS軟件中進(jìn)行同步環(huán)閉合差統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖4-1所示：

4.3.3重復(fù)基線檢核

重復(fù)基線檢核檢核采用科傻GPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（cosa）軟件，基線總計(jì)1310條，其中復(fù)測基線689條，結(jié)果全部合格。

4.3.4異步環(huán)檢核

利用科傻GPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（cosa）軟件進(jìn)行異步環(huán)閉合差檢驗(yàn)，共513個(gè)異步環(huán)，結(jié)果全部合格。

4.4網(wǎng)平差結(jié)果統(tǒng)計(jì)

網(wǎng)平差軟件使用科傻GPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（cosagps），進(jìn)行三維無約束平差及三維約束平差。平差基準(zhǔn)采用2000國家大地坐標(biāo)系，坐標(biāo)框架為ITRF97，歷元為2000.0。下面以最終的三維約束平差結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

三維約束平差基準(zhǔn)為2000國家大地坐標(biāo)系，以B760、B763、B765、B777、B779、B784、B792、B802、B805、B808、B818、B824、B828、B836、B844和B845點(diǎn)的三維坐標(biāo)作為起算依據(jù)進(jìn)行約束平差。

4.4.1基線向量精度統(tǒng)計(jì)

基線向量殘差統(tǒng)計(jì)，見表4-5。

4.4.2點(diǎn)位精度統(tǒng)計(jì)

三維約束平差，點(diǎn)位誤差最大點(diǎn)（最弱點(diǎn)）是C505，誤差為4.11cm。整網(wǎng)點(diǎn)位中誤差為±1.86cm。

4.4.3相對(duì)精度統(tǒng)計(jì)

控制網(wǎng)平均邊長為78.05km，最弱邊C450-C474，邊長20053.931m，相對(duì)精度為1/1906000（0.52ppm）。平均相對(duì)誤差為0.08ppm。

5.結(jié)語

GAMIT相對(duì)于其他GPS數(shù)據(jù)處理軟件，在觀測數(shù)據(jù)處理方面有如下優(yōu)勢：（1）采用批處理模式，實(shí)現(xiàn)整網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)自動(dòng)批處理；（2）解算時(shí)引入精密星歷、天線動(dòng)態(tài)相位中心模型、海潮模型、對(duì)流程延遲改正模型等參數(shù)，在求解長距離基線時(shí)能達(dá)到更高的精度；（3）基線處理采用的是全向量解，在基線解算的過程中，將同步環(huán)閉合差進(jìn)行了誤差分配，基線解算完成后每個(gè)時(shí)段的同步觀測基線組成的同步環(huán)其閉合差都為0，省去了反復(fù)“調(diào)整基線—導(dǎo)出數(shù)據(jù)—同步環(huán)檢驗(yàn)”的循環(huán)過程；（4）利用GAMIT/GOLBK模塊進(jìn)行預(yù)平差，通過對(duì)預(yù)平差結(jié)果比對(duì)分析，可將觀測數(shù)據(jù)中的粗差剔除。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)于小范圍內(nèi)幾個(gè)、十幾個(gè)控制點(diǎn)的小GPS觀測網(wǎng)或者對(duì)測量精度要求不高的低等級(jí)GPS網(wǎng)，Gamit的優(yōu)勢與解算速度并不明顯。但是對(duì)于大范圍、高等級(jí)、點(diǎn)位多的控制網(wǎng)如GPSB/C級(jí)網(wǎng)或省級(jí)CORS網(wǎng)基線解算、網(wǎng)平差或穩(wěn)定性分析時(shí)，GAMIT有著非常大的優(yōu)勢，可明顯提高解算效率和精度。

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