基于GAMIT和COSAGPS軟件的GNSS控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理

劉明波,申恩昌

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

GAMIT軟件是由美國麻省理工學(xué)院(MIT)和美國加利福尼亞大學(xué)SCRIPPS海洋研究所(SIO)共同研制的用于定位和定軌的GNSS數(shù)據(jù)分析軟件包[1]。該軟件采用雙差觀測值解算，在利用精密星歷的情況下，基線解的相對(duì)精度能夠達(dá)到10-9左右，是世界上最優(yōu)秀的GNSS軟件之一[2]。

COSAGPS即“GPS工程測量控制網(wǎng)通用平差軟件包”，能讀取各種GNSS數(shù)據(jù)處理軟件的基線解文件，具有基線質(zhì)量檢驗(yàn)、三維向量網(wǎng)平差、二維網(wǎng)聯(lián)合/約束平差、工程網(wǎng)(一點(diǎn)一方向)平差、高程擬合等功能[3]。

采用GAMIT基線解算和COSAGPS后處理的方法既能方便地按照中國GNSS相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行基線質(zhì)量評(píng)定，又能獲取正確可靠的點(diǎn)位成果。本文將以某工程C級(jí)網(wǎng)為例，介紹此方法的數(shù)據(jù)處理過程，并用TBC軟件處理結(jié)果對(duì)平面成果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 GAMIT/COSAGPS數(shù)據(jù)處理流程

GAMIT軟件解算基線的主要步驟包括更新gamit/tables、準(zhǔn)備觀測數(shù)據(jù)、修改關(guān)鍵的tables文件、數(shù)據(jù)處理、質(zhì)量評(píng)估等階段[1，2，4]?，F(xiàn)以2017年5月4日(DOY124，GPS Week 1947，Day of week 4，Decimal Year 2017.3370)某國產(chǎn)GNSS接收機(jī)施測的C級(jí)網(wǎng)為例加以說明。

(1) 更新gamit/tables

可從ftp://garner.ucsd.edu/archive/garner/gamit/tables更新leap.sec、luntab.2017.J2000、nutabl.2017、soltab.2017.J2000、pole.unso、ut1.unso,從ftp:// garner.ucsd.edu/archive/garner/gamit/setup更新svs_exclude.dat文件。

(2) 準(zhǔn)備觀測數(shù)據(jù)

在工程目錄下新建文件夾“rinex”、“brdc”、“igs”，分別用于存放rinex-o文件、廣播星歷和精密星歷。

原始觀測文件標(biāo)準(zhǔn)化。將原始觀測文件轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)RINEX文件，命名形式為sitedoyn.yyo，site為測站的4個(gè)字母標(biāo)識(shí)名，且必須為小寫，doy為年積日，n為時(shí)段號(hào)，yy為兩位數(shù)年份。將量測天線高轉(zhuǎn)換為相位中心高度，根據(jù)rcvant.dat和GNSS接收機(jī)修改RINEX文件中的接收機(jī)類型、版本和天線類型。

可從ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps/data/daily/2017/124/17o下載BJFS、LHAZ、ULAB、URUM 等IGS站的觀測數(shù)據(jù)文件；從ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps/data/daily/2017/124/17n下載廣播星歷文件“brdc1240.17.Z”；從ftp://garner.ucsd.edu/archive/garner/products/1947下載最終精密星歷文件“igs19474.sp3.Z”。

(3) 修改關(guān)鍵的tables文件

在工程目錄下運(yùn)行命令“sh_setup -yr 2017”,建立tables文件夾。在tables文件夾內(nèi)修改關(guān)鍵文件內(nèi)容，包括測站信息文件station.info、測站坐標(biāo)控制文件sites.defaults、測段信息控制文件sestbl.、數(shù)據(jù)處理控制文件process.defaults、測站坐標(biāo)文件lfile.。

(4) 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理時(shí)采用集成式命令sh_gamit，采用最終精密星歷時(shí)輸入的命令為“sh_gamit-d 2017 124 -orbit IGSF”。

精密星歷文件第一行的“ORBIT IGS14”表明精密星歷軌道坐標(biāo)系統(tǒng)為IGS14，它源于ITRF2014，故GAMIT解算的基線向量屬于ITRF2014。由于ITRF2014為ITRF2008的精化，兩者在2010.0歷元具有相同的坐標(biāo)原點(diǎn)、尺度和定向[5]，可將GAMIT解算基線的坐標(biāo)系統(tǒng)認(rèn)定為ITRF2008當(dāng)天歷元。

(5) 質(zhì)量評(píng)估

標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差NRMS是衡量GAMIT基線解算結(jié)果的一個(gè)重要指標(biāo)，NRMS體現(xiàn)在“oexpta.doy” 文件的Postfit nrms項(xiàng)。根據(jù)國內(nèi)外GNSS數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗(yàn)，其值一般小于0.3，若NRMS值太大，則說明數(shù)據(jù)處理過程中周跳可能未得到完全修復(fù)。

為便于COSAGPS讀取“oexpta.doy”文件中的基線信息，在文件中加入識(shí)別標(biāo)志“COSAGPS FOR GAMIT O-FILE”[3]。

COSAGPS數(shù)據(jù)處理流程如下：① 打開/新建工程、設(shè)置工程參數(shù)；② 輸入三維已知坐標(biāo)、二維已知坐標(biāo)、一維高程；③ 分時(shí)段讀取同步基線、形成同步基線文件；④ 環(huán)閉合差檢驗(yàn)、重復(fù)基線差檢驗(yàn)；⑤ 在WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)下進(jìn)行三維向量網(wǎng)平差；⑥在自定義坐標(biāo)系統(tǒng)下進(jìn)行二維聯(lián)合/約束平差；⑦ GPS高程擬合。

2 TBC數(shù)據(jù)處理流程

Trimble Business Center(TBC)是Trimble的新一代后處理軟件，不僅能夠處理GNSS(包含GPS和GLONASS)數(shù)據(jù)，還可以處理全站儀、水準(zhǔn)儀、3D掃描儀數(shù)據(jù)，集成了功能強(qiáng)大的可視工具和建模工具，利用多種視圖全面反映數(shù)據(jù)信息，全新的處理算法保證其處理速度，并提供了靈活的處理配置方案[6-7]。

TBC軟件處理GNSS數(shù)據(jù)的過程如下：① 新建工程，設(shè)置項(xiàng)目屬性；② 導(dǎo)入觀測數(shù)據(jù)文件、編輯點(diǎn)名和天線高；③ 基線處理參數(shù)設(shè)置、基線解算；④ 在WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)下網(wǎng)平差；⑤ 更改坐標(biāo)系統(tǒng)、添加已知數(shù)據(jù)、網(wǎng)平差；⑥ 成果輸出。

3 實(shí)例分析

圖1 C級(jí)GNSS網(wǎng)形圖

黃河上游某大型水電站庫區(qū)淤積測量項(xiàng)目的測圖面積約為403 km2，首級(jí)GNSS控制網(wǎng)設(shè)計(jì)為C級(jí)。C級(jí)網(wǎng)由10點(diǎn)組成，網(wǎng)形見圖1，其基線向量長度跨度為5.05～41.67 km。數(shù)據(jù)采集時(shí)投入了6臺(tái)南方銀河-1型GNSS接收機(jī)，數(shù)據(jù)采樣間隔為15 s，高度截止角為10°，同步觀測時(shí)間為4 h。采集時(shí)間為2017年5月4日和5日，觀測了4個(gè)時(shí)段，得到了23個(gè)觀測文件，重復(fù)設(shè)站率為2.3。

數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)，在南方測繪GNSS數(shù)據(jù)處理軟件[8]中將觀測文件轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)RINEX格式文件、將天線高換算至相位中心高，正確設(shè)置RINEX頭文件中的接收機(jī)和天線類型、點(diǎn)名。將編輯好的RINEX文件按時(shí)段存儲(chǔ)。

GAMIT軟件中按時(shí)段解算基線?；€解算的參數(shù)設(shè)置如下：采樣間隔15 s，高度截止角15°，基線解算方式LC_Help，星歷類型為最終精密星歷，lfile.中的坐標(biāo)來自RINEX文件的頭文件。基線解算結(jié)果見oexpta.doy文件，4個(gè)時(shí)段的Postfit nrms分別為0.196、0.196、0.191、0.186，基線解算結(jié)果良好。在oexpta.doy文件中添加COSAGPS識(shí)別標(biāo)志“COSAGPS FOR GAMIT O-FILE”。

將第1時(shí)段中的CHNS、WQKY和BJFS、LHAZ、ULAB、URAM等IGS站進(jìn)行聯(lián)測，獲得了這兩點(diǎn)ITRF2008框架2017.3370歷元下的空間直角坐標(biāo)，并將其作為COSAGPS中C級(jí)網(wǎng)三維向量網(wǎng)平差的已知數(shù)據(jù)。

COSAGPS軟件后處理時(shí)，設(shè)定的儀器誤差為5 mm+1 ppm，坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)；所有異步環(huán)閉合差和重復(fù)基線差在限差范圍內(nèi)，三維向量網(wǎng)平差后的最弱點(diǎn)位中誤差為±8.4 mm、最弱邊長中誤差為1/3 029 000。將坐標(biāo)系統(tǒng)更改為“北京54”，中央子午線經(jīng)度102°，輸入CHNS和SZXB的平面坐標(biāo)后進(jìn)行二維約束平差，平差后的最弱點(diǎn)位中誤差為±2.3 mm，最弱邊長中誤差為1/5016 000。

為驗(yàn)證結(jié)果的正確性，用TBC(V2.50)軟件進(jìn)行了基線處理與網(wǎng)平差。TBC基線解算時(shí)的參數(shù)設(shè)置為：廣播星歷、固定解、雙頻(L1&L2)、采樣間隔15 s、高度截止角15°，網(wǎng)平差時(shí)的坐標(biāo)系統(tǒng)、平差方法和起算數(shù)據(jù)和COSAGPS相同。2種方法得到的二維平差成果的比較情況見表1。

由表1可知，2種方法得到的成果互差最大值為8.6 mm，這充分驗(yàn)證了GAMIT和COSAGPS軟件聯(lián)合處理結(jié)果的正確性。

表1 二維平差成果比較表

4 結(jié) 語

采用GAMIT和COSAGPS聯(lián)合處理GNSS數(shù)據(jù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 能準(zhǔn)確計(jì)算待測點(diǎn)ITRF2008框架當(dāng)天歷元的空間直角坐標(biāo)，可通過框架歷元綜合變換得到ITRF97框架2000.0歷元坐標(biāo)，即2000國家大地坐標(biāo)系坐標(biāo)。

(2) COSAGPS能按照中國GNSS相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行基線質(zhì)量評(píng)定，能合理地進(jìn)行點(diǎn)位精度評(píng)定。

本文用GAMIT和COSAGPS軟件聯(lián)合處理的方法對(duì)C級(jí)GNSS控制網(wǎng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，獲取了各控制點(diǎn)ITRF2008歷元2017.3370下的空間直角坐標(biāo)、北京54坐標(biāo)系下的平面成果，并用TBC軟件對(duì)平面成果進(jìn)行比較。從比較結(jié)果可知，GAMIT和COSAGPS軟件聯(lián)合數(shù)據(jù)處理方法得當(dāng)、結(jié)果正確可靠，為項(xiàng)目后續(xù)工作提供了高精度的首級(jí)控制成果。