GAMIT/GLOBK 軟件在地殼形變監(jiān)測中的應(yīng)用

紀(jì)海源，何遠(yuǎn)梅，王拉出，殷 瓊

（1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽；2.中國有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安；3.陜西新旅程測繪科技有限公司，陜西 西安）

1 GNSS 監(jiān)測概況

隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) (Global Navigation Satellite System，GNSS)的快速發(fā)展，連續(xù)GNSS 監(jiān)測技術(shù)在地殼變形監(jiān)測中得到了廣泛應(yīng)用，對連續(xù)GNSS數(shù)據(jù)處理的精度和效率也提出了更高的要求。中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)工程和陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)工程已建成有成叟上千個GNSS 連續(xù)觀測站和流動觀測區(qū)域站，積累了大量的GNSS 原始數(shù)據(jù)。本文以網(wǎng)絡(luò)工程中汾渭及鄰近區(qū)域多期GNSS 連續(xù)站和區(qū)域站數(shù)據(jù)為研究對象，采用GAMIT/GLOBK 高精度軟件處理數(shù)據(jù)，在處理過程中編寫腳本語言，使數(shù)據(jù)處理更靈活方便，同時加入必要的模型改正，最終得到高精度的GNSS 坐標(biāo)和位移時間序列，為進(jìn)一步研究地殼運動分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)處理軟件簡介

2.1 GAMIT/GLOBK 軟件介紹

GAMIT/GLOBK 是一款免費的、公開的基于UNIX/LINUX 操作系統(tǒng)開發(fā)的高精度GNSS 數(shù)據(jù)處理與分析軟件，加入高精度起算點和精密星歷進(jìn)行短基線解算時靜態(tài)相對定位精度可達(dá)1～3 mm。

GAMIT/GLOBK 不僅具備精度高、功能強(qiáng)大等特點，而且源代碼完全對外開放，可以根據(jù)用戶對數(shù)據(jù)的實際需求，定制腳本語言，人機(jī)結(jié)合進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；采用GNSS 載波相位觀測方式，是目前國際上最優(yōu)秀的GNSS 定軌和定位數(shù)據(jù)處理軟件之一，在科學(xué)研究領(lǐng)域得到了很廣泛的應(yīng)用[1]。

GLOBK 軟件是一個卡爾曼濾波的過程，對空間大地測量和經(jīng)典大地測量得到的初步處理結(jié)果進(jìn)行后處理分析。數(shù)據(jù)處理的對象主要是一些準(zhǔn)觀測量（例如：衛(wèi)星軌道、測站坐標(biāo)、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)），以及方差- 協(xié)方差，對這些參數(shù)進(jìn)行濾波、平差后得到最佳結(jié)果。GLOBK 包括以下四類模塊[2]：

（1）htoglb（格式轉(zhuǎn)換模塊）：是將GNSS、SLR 和VLBI 等軟件分析的結(jié)果轉(zhuǎn)換為GLOBK 識別的文件H-file 中，H-file 是一個二進(jìn)制文件。

（2）圖形繪制模塊：來調(diào)用GMT 繪制時間序列圖與速度場等。

（3）GLRED、GLORG 和GLOBK：是運算模塊，GLRED 一般用來分析當(dāng)天解決和生成坐標(biāo)時間序列；GLORG 是為平差定義參考框架，進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換；GLOBK 是實現(xiàn)軟件的主要模塊，用于平差。

（4）其他輔助模塊：分析板塊運動與框架的關(guān)系，為GLOBK 模塊服務(wù)等。

2.2 TEQC 軟件介紹

TEQC（Translation Editing and Quality Checking）是一款GNSS 數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件，簡單易用；由美國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與地殼形變觀測研究大學(xué)聯(lián)合體共同開發(fā)的軟件，是公開免費為地學(xué)研究GNSS 監(jiān)測站數(shù)據(jù)管理服務(wù)開發(fā)的，有格式轉(zhuǎn)換、質(zhì)量檢核、編輯、單點定位四個主要模塊，這四個模塊相互獨立、互不影響，既可用單個模塊實現(xiàn)單個功能，也可使用模塊組合，同時實現(xiàn)多功能處理[3]。

3 GNSS 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

GNSS 觀測數(shù)據(jù)預(yù)處理，是精密應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)；首先采用TEQC 軟件對研究區(qū)域(汾渭地區(qū))36 個連續(xù)站和227 個區(qū)域站原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，對非標(biāo)準(zhǔn)RINEX 文件進(jìn)行適當(dāng)?shù)木庉嫞禾蕹`差較大、觀測時間太短的觀測數(shù)據(jù)，剔除其中的病態(tài)數(shù)據(jù)，同時修正出現(xiàn)在原始數(shù)據(jù)文件名里中不合格的字母、在解算過程中出現(xiàn)的與數(shù)據(jù)質(zhì)量有關(guān)的問題要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析后重新解算[4]；TEQC 軟件計算結(jié)果最核心的部分是質(zhì)量檢查統(tǒng)計結(jié)果文件，用來評定GNSS 觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量；表1 是G352 站檢測結(jié)果的視圖文件。

表1 視圖文件

結(jié)果文件可以對質(zhì)量進(jìn)行多路徑效應(yīng)分析（MP1、MP2）、電磁干擾情況（IOD1，IOD2）分析、數(shù)據(jù)完好性分析、信噪比分析。

3.2 GAMIT 基線解算及精度分析

GAMIT 軟件是一個沒有圖形界面的程序，只能在終端中采用命令進(jìn)行，時常提供兩種處理方式，一種是分步操作，另一種是批處理操作。本次處理用GAMIT 自帶的編程語言shell，自制批量處理腳本（do_gamit）進(jìn)行。數(shù)據(jù)處理過程分為兩個階段，首先利用GAMIT 軟件解算連續(xù)站36 個和中國大陸及其周邊的IGS 站聯(lián)合86 個，其次是區(qū)域站227 個和IGS站86 個聯(lián)合解算，得到單日基線解、極移和衛(wèi)星軌道參數(shù)的單日松弛解及其方差- 協(xié)方差矩陣基線解算過程如下：

3.2.1 do_gamit 腳本文件結(jié)構(gòu)

在當(dāng)前工程目錄下建立名稱為：IGS、SP3、LOCAL、TABLES 文件夾，會自動生成一個YEAR 文件夾，這里的處理結(jié)果文件是按年積日存放。圖1 是do_gamit 腳本文件結(jié)構(gòu)形式。

圖1 do_gamit 腳本文件結(jié)構(gòu)形式

3.2.2 tables 文件夾下的配置文件

（1）station.info 文件：在TABLES 文件夾里面復(fù)制一個station.info 文件，放到LOCAL 文件下，保留station.info 中的頭文件信息，刪除其他全部信息，執(zhí)行sh_upd_stnfo 自動提取觀測文件的有關(guān)信息，生成station.info，判斷生成的信息是否正確。

（2）vg_in（先驗坐標(biāo)文件）：記錄各測站的近似坐標(biāo)。執(zhí)行sh_rx2apr 命令，自動生成，利用svpos 和svdiff 模塊單點定位生成站點坐標(biāo)。

（3）sestbl.：在GAMIT 基線處理時過程中，對處理模型進(jìn)行設(shè)置的文件。

（4）sittbl.：是一個精度指標(biāo)文件，用來控制測站的，對精度高的已知坐標(biāo)強(qiáng)約束，待求點坐標(biāo)松弛約束。

3.2.3 do_gamit 腳本執(zhí)行

在TEST 總文件夾下打開終端輸入：“csh do_gamit -t 2012 045”，程序會自動生成YEAR 文件夾，將gg/tables 下的表文件連接到本目錄下面的時段文件下，并在時段文件下生成所有處理結(jié)果文件；用循環(huán)語句批處理多天數(shù)據(jù)。

3.2.4 GAMIT 基線處理結(jié)果質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)

（1）對所有測站點是否都參與計算進(jìn)行檢查。

（2）檢查單日解標(biāo)準(zhǔn)化均方差（postfitnrms），postfitnrms 值是單時段解質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，也是從歷元的模糊度解算中得出的殘差，表示解算出的基線值偏離其加權(quán)平均值的程度，計算公式為：

一般采用默認(rèn)的加權(quán)方式進(jìn)行實際解算，nrms 值如果在0.25 左右，認(rèn)為是解算結(jié)果精度高，nrms 值大于0.5，說明處理結(jié)果精度差，處理過程中的周跳可能未完全修復(fù)，或者模型參數(shù)的設(shè)定有誤，需要重新解算；如果nrms 小于0.5，則認(rèn)為解算成功，結(jié)果有效。

（3）檢查summary 文件，各基線結(jié)果是否符合gamit 的實際精度，均方根RMS 一般應(yīng)該大于0 mm小于8 mm，要符合要求。

（4）坐標(biāo)重復(fù)率也是坐標(biāo)解算結(jié)果的重要評價指標(biāo)。

（5）GNSS 基線精度評定的另一個重要指標(biāo)：基線重復(fù)率，能反映基線的內(nèi)部符合精度，是相對多個時段而言；這個值越小基線的內(nèi)部符合精度越高，基線解算的質(zhì)量越好，反之內(nèi)部符合精度越低，質(zhì)量越差?；€重復(fù)率的計算公式如下：

式中，n 是同一基線總觀測時段數(shù)；Ci是一個時段某一基線分量或長度；是各時段的加權(quán)平均值，是該時段相應(yīng)于Ci分量的方差。

（6）基線重復(fù)率計算完之后，利用基線長度及各時段分量擬合固定誤差a 和比例誤差b，擬合采用一元線性回歸的最小二乘模型，最后檢驗a、b 擬合結(jié)果是否滿足GNSS 測量規(guī)范規(guī)定的等級，以基線長度和基線重復(fù)率構(gòu)建線性模型如下：

式中，Lm是基線的長度；Rm是基線Lm的基線重復(fù)率。將上面公式進(jìn)行變換如下：

3.3 GLOBK 平差

（1）建立目錄：glbf 文件和soln 文件均與gamit中的單日文件平行，執(zhí)行htoglb，將h 解轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制格式；用ls 生成.gdl 文件，準(zhǔn)備好需要的先驗坐標(biāo)：apr 文件、globk 命令文件和glorg 命令文件，并設(shè)置好相關(guān)的命令文件，圖2 是GLOBK 文件結(jié)構(gòu)。

圖2 GLOBK 文件結(jié)構(gòu)

（2）運行g(shù)lred 命令：“glred 6 glred.prt glred.log../west11-2.gdl globk_rep.cmd”；它會自動激發(fā)globk和glorg 命令，通過globk 平差得到每天的坐標(biāo).prt 文件，glorg 命令得到ITRF 坐標(biāo).org 文件。

（3）檢查偏差較大的天或者測站，分析原因重新計算；檢查每個測站點的坐標(biāo)時間序列。

（4）也可以利用sh_glred 命令進(jìn)行批處理平差。本次處理用matlab 提取了globk_comb.org 文件中的位移和中誤差等信息，按照測站生成.list 文件，最后matlab 讀取.list 文件中的坐標(biāo)序列，繪制時間序列圖，表2 是List 數(shù)據(jù)文件格式，也是后處理所需要的格式。

表2 G352.list 文件格式

4 結(jié)論

GAMIT/GLOBK 的處理結(jié)果為平差過的高精度坐標(biāo)或位移以及中誤差，通過精度分析表明：兩次解算的GNSS 連續(xù)站水平方向平均點位誤差在2 mm 左右，垂直分量平均點位誤差在5 mm 左右；一般點位誤差的限差為5～10 mm；因此，利用GAMIT/GLOBK軟件能夠獲取汾渭斷陷帶及鄰近地區(qū)GNSS 觀測網(wǎng)的高精度坐標(biāo)和位移時間序列，為地殼運動分析提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。