基于GAMIT+CosaGPS組合軟件GPS跨河水準(zhǔn)精確大地高的獲取方法研究

李世良 李書(shū)銀

(中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武漢 430050)

在借鑒既有研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)踐，探討利用GAMIT及CosaGPS組合軟件獲取跨河點(diǎn)精確大地高的方法。

1 軟件介紹

GAMIT軟件是美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)研制，其主要功能是加載精密星歷，精密解算 GPS基線;GLOBK軟件由MIT與斯克里普斯(SCRIPPS)海洋研究所合作研發(fā)，可對(duì)GAMIT解算基線進(jìn)行平差計(jì)算。這兩個(gè)軟件組合均為L(zhǎng)INUX環(huán)境下研發(fā)，具有操作簡(jiǎn)單、精度高、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。在利用精密星歷處理長(zhǎng)基線方面，其相對(duì)定位精度非常高，一般能達(dá)到10－8～10－9級(jí)別，處理短基線的絕對(duì)精度也可達(dá)到或高于1 mm。此軟件組合開(kāi)放源代碼，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，用戶可以參與其中，根據(jù)實(shí)際需求，調(diào)整數(shù)據(jù)處理模式和參數(shù)，人機(jī)交互性能較好。

GAMIT利用GPS載波相位觀測(cè)值實(shí)現(xiàn)定位定軌解算基線;精密解算基線后，把基線成果文件輸入GLOBK軟件，基于卡爾曼濾波進(jìn)行網(wǎng)平差。根據(jù)國(guó)內(nèi)實(shí)際情況及精度評(píng)定指標(biāo)的不同，一般不采用GLOBK軟件進(jìn)行網(wǎng)平差，而是采用武漢大學(xué)研發(fā)的CosaGPS軟件進(jìn)行平差處理，此平差軟件具有界面良好、操作簡(jiǎn)單、精度指標(biāo)符合中國(guó)國(guó)情的優(yōu)點(diǎn)。因此，在GPS跨河水準(zhǔn)測(cè)量中，采用GAMIT+CosaGPS軟件進(jìn)行高精度GPS數(shù)據(jù)處理與分析，從而得到跨河點(diǎn)的高精度大地高。

2 精密基線解算原理

在GAMIT軟件初級(jí)階段，基線解算過(guò)程及步驟十分繁復(fù)及困難，需要較多的人工干預(yù)，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。隨著軟件的開(kāi)發(fā)和升級(jí)，尤其是AUTCLN模塊及FIDRV模塊的研發(fā)成功，使數(shù)據(jù)篩選和編輯工作大大簡(jiǎn)化，數(shù)據(jù)處理工作條理清楚，簡(jiǎn)單易行，更加人性化。2000年以后所開(kāi)發(fā)的一個(gè)小程序SH_gamit，使數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和數(shù)據(jù)處理工作高度集成，只要在解算前設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)，運(yùn)行一個(gè)命令，即可自動(dòng)進(jìn)行基線解算。

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段

(1)觀測(cè)文件標(biāo)準(zhǔn)化

將原始觀測(cè)文件轉(zhuǎn)換為GAMIT軟件能夠辨識(shí)的統(tǒng)一格式，主要包括原始觀測(cè)文件格式轉(zhuǎn)化、文件名稱的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、天線高量測(cè)方法等。

①將原始文件轉(zhuǎn)換為RINEX格式文件。

②對(duì)RINEX格式文件按照標(biāo)準(zhǔn)方式重新命名。

③外業(yè)數(shù)據(jù)采集所應(yīng)用的GPS接收機(jī)天線型號(hào)多種多樣，量測(cè)方法亦不相同。為使天線高數(shù)據(jù)一致，應(yīng)統(tǒng)一換算到相同部位，建議采用天線座底部(DHARP)。

(2)從網(wǎng)上查詢或下載相關(guān)數(shù)據(jù)文件。

①可以從網(wǎng)址 http://www．ngs．noaa．govCORSGpscal．html上查詢或下載GPS Calendar文件，此文件包含了觀測(cè)0－files文件所在的GPS周天、年積日、UTC之間的關(guān)系。

②IGS國(guó)際連續(xù)運(yùn)行站RINEX格式原始數(shù)據(jù)、導(dǎo)航電文(后綴為brdc)文件及精密星歷(后綴為SP3)文件可以從下列三個(gè)網(wǎng)站獲得。ftp://garner．ucsd．edu/pub/;ftp://cddis．gsfc．nasa．gov/pub/gps/;ftp://igs．ensg．ign．fr/pub/。

③可以在ftp://garner．ucsd．edu/pub/gamit網(wǎng)址下載最新的tables表文件，共需更新63個(gè)文件。

2.2 文件準(zhǔn)備階段

(1)文件歸類

進(jìn)行精密基線解算所應(yīng)用的數(shù)據(jù)文件繁多，主要包括:原始數(shù)據(jù)(RINEX格式)、導(dǎo)航電文(brdc)、精密星歷文件(igs)、國(guó)際連續(xù)運(yùn)行站原始數(shù)據(jù)(RINEX格式)、tables文件等。為便于對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)、更新和運(yùn)用，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行分類存放，各類文件分別存放于獨(dú)立的文件夾，尤其是tables文件夾應(yīng)單獨(dú)存放于根目錄下。

(2)修改tables文件夾下的配置文件

tables文件夾下包含各種信息，在基線解算前，應(yīng)配置 tables文件，主要配置項(xiàng)目為 station．info、l－file、sestbl、sittbl四個(gè)文件。其中station．info文件中包含測(cè)站站點(diǎn)、觀測(cè)時(shí)間、天線高、天線高量測(cè)方法、接收機(jī)類型、軟硬件版本號(hào)、天線類型、天線相位中心模型機(jī)構(gòu)代碼等基礎(chǔ)信息，可以利用sh_upd_stnfo命令自動(dòng)從RINEX文件中提取相關(guān)信息，無(wú)法提取的可以手工錄入;l－file文件中存放各站點(diǎn)的近似坐標(biāo);sestbl文件是模型選擇配置文件，一般情況下采用默認(rèn)值;sittbl文件是各測(cè)站精度控制指標(biāo)文件，對(duì)有特殊要求的測(cè)站點(diǎn)應(yīng)手動(dòng)設(shè)置，否則采用默認(rèn)值。

鏈接tables文件夾各文件到各時(shí)段文件夾。

2.3 數(shù)據(jù)處理階段

(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理

從原始數(shù)據(jù)中提取基線解算相關(guān)數(shù)據(jù)文件。主要命令如下(以星歷日2008年第37天為例)。

①輸入命令:makexp然后按照提示輸入相應(yīng)的文件數(shù)據(jù)。

②輸入命令:sh_sp3fit–figs14566．sp3–oigsf–d2008 037–r BERNE–t–u。需要準(zhǔn)備的文件:精密星歷文件、時(shí)長(zhǎng)變化表、極移表、太陽(yáng)星歷表、月亮星歷表、跳秒、衛(wèi)星天線類型，以上文件可從tables文件夾及IGS文件夾調(diào)用。輸出文件:gtest8.037。

③在輸入命令前檢查需要準(zhǔn)備的文件gtest8.037，確認(rèn)無(wú)誤后輸入命令sh_check_sess–sess 037–type gfile–file gigsf8.037。輸出文件:session．info。

④輸入命令前檢查需要準(zhǔn)備的文件brdc2020.07n，確認(rèn)無(wú)誤后，輸入命令makej brdc2020.07n jbrdc8.037，輸出文件:jbrdc8.037。

⑤在輸入命令前需要準(zhǔn)備jbrdc8.037文件，然后輸入命令sh_check_sess–sess 037–type jfile– file jbrdc8.037。輸出文件:session．info。

⑥在輸入命令前需要準(zhǔn)備 test．makex．batch，以及該文件所列出的所有文件，然后輸入命令:makex test．makex．batch。輸出文件:dtest8.037。

(2)啟動(dòng)GAMIT軟件

在輸入命令前需要準(zhǔn)備dtest8.037，以及該文件所列出的所有文件，然后輸入命令:fixdrv dtest8.037。輸出的文件:btest8.037．bat、btest8．num。

(3)數(shù)據(jù)處理

在輸入命令前需要準(zhǔn)備 btest8．bat、btest8．num 兩個(gè)文件，然后輸入命令:csh btest8．bat，得到基線解算結(jié)果。

(4)對(duì)gamit基線解算結(jié)果質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)

①對(duì)所有測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，確定所有測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)全部參與了基線解算。

②標(biāo)準(zhǔn)均方根nrms是基線解算精度評(píng)定的重要指標(biāo)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，解算結(jié)果為0.25左右認(rèn)為基線解算良好。如果標(biāo)準(zhǔn)均方根大于0.5，說(shuō)明基線解算結(jié)果存在問(wèn)題(例如周跳沒(méi)有修復(fù)，測(cè)站的起算點(diǎn)坐標(biāo)有問(wèn)題等)。這種情況下需要檢查原因，重新進(jìn)行基線解算。

③對(duì)各基線文件處理精度與gamit的實(shí)際精度進(jìn)行檢查，判斷兩者是否匹配。

3 基于CosaGPS軟件的網(wǎng)平差分析與精確大地高獲取

GPS基線處理完成后，對(duì)所得到的基線文件進(jìn)行編輯，轉(zhuǎn)換成CosaGPS軟件可識(shí)別的基線格式，然后導(dǎo)入軟件，設(shè)置橢球參數(shù)、平差等級(jí)、起算坐標(biāo)等，進(jìn)行平差。平差前應(yīng)對(duì)基線質(zhì)量進(jìn)行檢核和評(píng)定，主要檢核和評(píng)定項(xiàng)目有:環(huán)閉合差檢核、基線向量三維改正數(shù)檢核、重復(fù)基線較差檢核等。

在GPS基線向量的精度指標(biāo)滿足要求后，利用CosaGPS軟件，以GAMIT軟件解算的精密GPS三維基線向量及其相應(yīng)方差－協(xié)方差陣作為觀測(cè)值，以其中一觀測(cè)點(diǎn)的三維地心坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)作為起算數(shù)據(jù)，進(jìn)行GPS網(wǎng)的無(wú)約束平差。平差完成后即可得到各跨河點(diǎn)的三維地心坐標(biāo)(包括高精度大地高)、各基線向量改正數(shù)及精度信息。

4 應(yīng)用分析

如圖1所示，某長(zhǎng)江大橋全長(zhǎng)約6 km，其中橋址附近長(zhǎng)江寬度為2.2 km，水位較高，地形復(fù)雜，不適合利用傳統(tǒng)方法進(jìn)行跨河高程傳遞?？绾铀疁?zhǔn)點(diǎn)A、B的距離為2 430 m;C、D的距離為2 410 m，其它各點(diǎn)沿A、B及C、D方向雙向延長(zhǎng)線布設(shè)為兩條直線，各相鄰測(cè)站點(diǎn)間距離與跨河點(diǎn)間距離大致一致。

圖1 某長(zhǎng)江大橋水準(zhǔn)點(diǎn)布網(wǎng)示意

利用8臺(tái)Trimble R8雙頻GPS接收機(jī)按二等GPS跨河水準(zhǔn)測(cè)量精度進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集，共觀測(cè)4個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段長(zhǎng)度為23h。利用GAMIT(Ver 10.3)軟件精密解算基線，基線網(wǎng)解算精度指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 GPS框架網(wǎng)基線解算同步環(huán)精度統(tǒng)計(jì)

從表1可以看出，四個(gè)時(shí)段同步圖形的標(biāo)準(zhǔn)化驗(yàn)后均方差nrms值在0.37～0.49內(nèi)，基線解算精度較高。

基線解算合格后，利用CosaGPS進(jìn)行三維無(wú)約束平差，解算各大地高(如表2)。

表2 精度指標(biāo)cm

由表2可見(jiàn)，兩方案平差后，最弱邊相對(duì)精度都小于百萬(wàn)分之一，平差結(jié)果精度高。

5 結(jié)論

(1)利用GAMIT軟件進(jìn)行精密基線解算，可獲得高精度的基線。

(2)利用CosaGPS對(duì)GAMIT所解算基線進(jìn)行三維平差，可獲取點(diǎn)位精確的大地高。

(3)GAMIT+CosaGPS組合軟件，具有操作簡(jiǎn)單、精度高等優(yōu)點(diǎn)，不但可用于跨河水準(zhǔn)，還可用于大地水準(zhǔn)面精化等領(lǐng)域。

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