楊文鋒

(信息工程大學導航與空天目標工程學院，河南 鄭州450052)

一、引 言

GNSS泛指所有的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，包括了GPS、GLNOSS、Galileo、BDS導航系統(tǒng)等，以及相關的增強系統(tǒng)，如美國的WAAS(廣域增強系統(tǒng))、歐洲的EGNOS(歐洲靜地導航重疊系統(tǒng))和中國的北斗地基增強系統(tǒng)。GNSS的出現(xiàn)不僅推動了定位、授時、導航技術的巨大發(fā)展，同時也給測繪行業(yè)帶來了前所未有的技術革新，推動了當今測繪信息獲取技術的巨大變革，特別是地球空間信息獲取技術的變革。

GNSS數(shù)據(jù)的處理對提高定位精度也越來越關鍵。而參考框架是GNSS數(shù)據(jù)處理的基礎，因此一個良好的參考框架對GNSS數(shù)據(jù)處理有著至關重要的作用。較好的坐標參考框架必須是全球統(tǒng)一、連續(xù)自洽、并得到不斷精化的框架，目前只有國際參考框架(ITRF)具有這些條件。當今常用的國際坐標參考框架有2001年的ITRF2000，2006年的ITRF2005和2007年的ITRF2008。同時在處理GNSS數(shù)據(jù)時，要盡量采用最新的ITRF參考框架，并及時把過去處理的結果轉換到最新的ITRF參考系中。

GNSS數(shù)據(jù)進行處理時，不同的軟件對GNSS數(shù)據(jù)處理的結果也有很大的差異。目前，國內(nèi)外對GNSS數(shù)據(jù)處理的主流軟件有美國的GAMIT/GLOBK、瑞士的Bernese和武漢大學的PANDA等。使用這些軟件對GPS、SLR(激光測衛(wèi))、DORIS(多普勒定軌和無線電定位系統(tǒng))等多類跟蹤數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)了GPS導航衛(wèi)星和中低軌衛(wèi)星的精密定軌;通過對地面跟蹤網(wǎng)數(shù)據(jù)進行處理，相對定位精度可達mm級;對全球GPS跟蹤網(wǎng)數(shù)據(jù)處理，GPS導航星座的精密定軌可達到3～4 cm精度以及時間同步精度優(yōu)于0．5 ns;通過對星載GPS數(shù)據(jù)處理，低軌衛(wèi)星精密軌道精度可達到6～8 cm;對地面的SLR數(shù)據(jù)進行處理可以實現(xiàn)LAGEOS等衛(wèi)星厘米級精度的精密定軌。隨著GNSS技術的不斷發(fā)展，我國學者利用GAMIT/GLOBK和Bernese等軟件對GNSS數(shù)據(jù)處理作了大量的研究工作和一些大膽的嘗試與創(chuàng)新，取得了大量優(yōu)異的成果。但是就總體而言，我國在高精度GNSS數(shù)據(jù)處理的研究成果與發(fā)達國家相比還有一定的差距。

本文利用GAMIT/GLOBK軟件對高精度的GNSS數(shù)據(jù)在不同的ITRF框架下的解算進行了試驗，并對不同參考框架下的結果進行了比較分析，得出了相應的結果。

二、ITRF國際地球參考框架

ITRF(International Terrestrial Reference Frame)地球參考框架是利用全球測站觀測資料成果推算所得到的地心坐標系統(tǒng)，是目前世界上精度最高、穩(wěn)定性最好的參考框架，是一個空間直角坐標形式的坐標，同時給出了臺站的漂移速度，其坐標精度為毫米級甚至是厘米級的四維地心坐標參考框架。從20世紀80年代至今，IERS已發(fā)布了多個不同版本的ITRF，包括ITRF88-ITRF97，2000、2005、2008全球坐標參考框架。ITRF點位、速度的精度方面以及在科學性和完整性方面在的后一個版本都要優(yōu)于前一個版本。

其中ITRF2000是供21世紀地球科學應用和地球參考系的標準坐標框架。ITRF2000的形成不僅使用了甚長基線測量(VLBI)、激光測月(LLR)、SLR、DORIS、GPS這些主要的核心站參與計算以外，還采用了阿拉斯加、南極、亞洲、歐洲、南北美洲和太平洋等地區(qū)的區(qū)域性GPS網(wǎng)進行加密。ITRF2000聯(lián)合平差單項解算成果時，常采用移去、松弛、最小約束等平差技術。

ITRF2005與以前的ITRF版本不同，ITRF2005是利用站點坐標和地球定向參數(shù)(EOP)的時間序列數(shù)據(jù)來建立的。從ITRF2005開始，以后的ITRF實現(xiàn)基于站坐標(VLBI)每天的站坐標，GPS、SLR和DORIS每周的站坐標)和EOP參數(shù)(極移、UT1、日長參數(shù))的時間序列，最終目標是實現(xiàn)ICRF、ITRF、EOP等一系列完全融洽的產(chǎn)品。

ITRF2008同ITRF2000形成一樣，利用4個空間大地測量技術GPS、VLBI、SLR、和DORIS的不同年份觀測數(shù)據(jù)進行重新處理后的國際地球參考框架精化版，ITRF2008相比其他系列版本的ITRF，改善了臺站的位置、速度精度、定義參數(shù)，特別是原點和尺度都有所改善。

由于不同時期的ITRF框架之間4個基準分量的定義不同，因此ITRF框架之間存在較小的系統(tǒng)性差異，這些系統(tǒng)性差異可以用七參數(shù)表示，兩個框架之間的轉換公式為

三、GNSS數(shù)據(jù)處理軟件GAMIT/GLOBK

1．GAMIT/GLOBK軟件

GAMIT/GLOBK軟件是一套基于UNIX/LINUX操作系統(tǒng)下的用于高精度GNSS數(shù)據(jù)處理分析的開源軟件，它不僅精度高、功能強大，而且開放源代碼。當它采用精密星歷和高精度起算點時，其處理長基線和連續(xù)時段靜態(tài)定位相對精度可達10－8～10－9數(shù)量級，短基線的精度可達1～3 mm。解算時可以根據(jù)實際需要進行人工干預進行數(shù)據(jù)處理，如數(shù)據(jù)處理時的最大測站和衛(wèi)星數(shù)目可在編譯時進行自行設定。它是目前國際上最優(yōu)秀的GNSS定位和定軌數(shù)據(jù)處理分析軟件之一，在科學研究中得到了廣泛的應用。它的基本輸出文件是H-文件，GLOBK軟件利用GAMIT的基本輸出文件作為輸入文件進行解算，可估計出測站坐標、速度、衛(wèi)星軌道參數(shù)以及地球定向參數(shù)等。GAMIT/GLOBK軟件的優(yōu)點是數(shù)學模型準確、能夠自動化批處理、國際標準適應性、靈活的模塊化設計等。它包括5個核心模塊一些輔助模塊。如圖1所示。

圖1 GAMIT/GLOBK/GLOBK軟件結構圖

(1)核心模塊

ARC:軌道積分模塊，對衛(wèi)星運動方程進行數(shù)值積分來確定衛(wèi)星軌道;依據(jù)初始根數(shù)產(chǎn)生標準軌道，ARC程序會創(chuàng)建一個T文件，里面是慣性坐標系下衛(wèi)星坐標及其相對于初軌的偏導數(shù)和其他一些調(diào)節(jié)參數(shù)。

MODEL:求偏導數(shù)，生成觀測方程創(chuàng)建一個包含觀測殘差OCS的C文件和用于SOLVE進行參數(shù)估計的部分派生文件。

AUTCLN:周跳探測修復模塊，自動修復周跳，AUTCLN能對一個甚至多個C文件運行來標記或者修復周跳，并對問題數(shù)據(jù)除權。在處理數(shù)據(jù)時還可選擇周跳修復模塊模式，即單站/雙站自動修復模塊和人工修復模塊。

SOLVE:利用雙差觀測值按最小二乘解算各參數(shù)的模塊。

CFMRG:SOLVE模塊創(chuàng)建觀測文件(M—file)，定義和選擇有關參數(shù)并確定最終解算數(shù)據(jù)以及參數(shù)的組織方式。

(2)輔助模塊

MAKEXP:數(shù)據(jù)準備部分的驅(qū)動程序，為后續(xù)處理生成文件。

MAKEJ:用于生成衛(wèi)星鐘差文件。

MAKEX:將原始觀測數(shù)據(jù)格式(RINEX)轉換成GAMIT軟件所需的文件格式。

BCTOT(NGS．TOT):將星歷格式(RINEX、SP3、SP1)轉換成GAMIT軟件所需的文件格式。

FIXDRV:數(shù)據(jù)處理部分的驅(qū)動程序，生成批處理文件。

CTOX:將二進制C文件轉換成文本形式的X文件。

CLEAN:人工周跳剔除模塊。

Hl:天線高改正的相關模塊。

ORBITS:一些特殊用途的軌道分析模塊集，例如軌道比較、軌道轉化等。

TFORM:一些坐標轉化程序集。

UTILS:一些常用數(shù)據(jù)分析工具集。

其數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖2 GAMIT/GLOBK/GLOBK軟件處理流程圖

2．GAMIT/GLOBK數(shù)據(jù)處理質(zhì)量的評價標準

1)標準化均方差post_nrms是衡量單天解質(zhì)量的重要指標之一，根據(jù)國內(nèi)外利用GAMIT/GLOBK解算GNSS數(shù)據(jù)經(jīng)驗，其值越小越好，最大不能超過0．3，若NRMS值太大，則需要重新檢查處理過程中的周跳是否完全修復。

2)參數(shù)的改正量小于等于其約束量的2倍。

3)當Choice of observable為LI-ONLY時，B1、Ll計算的整周模糊度必須是整數(shù)。

4)數(shù)據(jù)的噪聲水平是否與選用的模型匹配。

四、ITRF參考框架對GNSS數(shù)據(jù)處理與結果分析

本試驗數(shù)據(jù)處理均以中國IGS網(wǎng)的10個跟蹤站的數(shù)據(jù)為例，其中包括BJFS、CHAN、GUAO、LHAZ、KUNM、SHAO、TCMS、TNML、TWTF和URUM。用GAMIT/GLOBK/GLOBK軟件在ITRF00和ITRF05的框架下進行了上面數(shù)據(jù)的處理并對結果進行比較分析。同時將處理的結果通過GLOBK軟件轉換到ITRF2008框架下，然后進行結果分析與精度評定。

1．GNSS數(shù)據(jù)處理準備

在GNSS數(shù)據(jù)處理前，用戶需從IGS網(wǎng)站上下載和更新處理數(shù)據(jù)所需要的文件，包括測站先驗坐標文件(L-文件和vg-in文件)、廣播星歷文件、觀測數(shù)據(jù)O文件以及其他輔助文件等。GAMIT/GLOBK軟件處理數(shù)據(jù)時要求每個時段觀測數(shù)據(jù)的周期最長為1個UTC天，即從UTC的0點至24點(北京時間8:00—24:00)，原則上不要跨天作業(yè)。需要下載的數(shù)據(jù)包括:原始觀測．O文件、電離層．ION文件、導航．N文件、精密星歷．SP3文件、地球自轉參數(shù)信息．ERP文件、碼偏差．DCB文件、衛(wèi)星鐘差．CLK文件、參考框架相關的參考基準．CRD文件和速度場．VEL文件、衛(wèi)星參數(shù)．I0X文件、天線相位中心改正參數(shù)．I0X文件;此外還需要編輯測站信息文件．STA、測站板塊．PLD文件、測站縮寫．ABB文件、海潮．BLQ文件、所選站點參考坐標．FIX文件等等。以上IGS測站的地理位置、接收機和天線類型以及天線高(見表1)。

表1 示例數(shù)據(jù)測站的相關信息

2．GNSS數(shù)據(jù)處理

1)為了得到GAMIT/GLOBK軟件在不同ITRF框架下處理相同數(shù)據(jù)的差異，本次觀測數(shù)據(jù)為2013年年積日為275—279 d，測站為BJFS、CHAN、GUAO、LHAZ、KUNM、SHAO、TCMS、TNML、TWTF和URUM。每個站點的觀測數(shù)據(jù)都為2013年年積日為5(275—279)天的全天24 h觀測，數(shù)據(jù)質(zhì)量完好。

2)查詢表文件ut1．的時間范圍，看處理的年積日是否在時間范圍內(nèi)，如圖3所示。

3)利用批處理命令處理以上年積日的數(shù)據(jù)，獲得基線結算結果文件H-file(基線的松弛解)、O-file(約束解)和Q-file(過程記錄文件)。

圖3 處理時間圖范圍圖

3．數(shù)據(jù)處理結果分析

本次試驗在ITRF2000與ITRF2005框架下對中國部分IGS跟 蹤站(BJFS、CHAN、GUAO、LHAZ、KUNM、SHAO、TCMS、TNML、TWTF、URUM)的數(shù)據(jù)在GAMIT/GLOBK/GLOBK軟件下進行處理，所處理的觀測數(shù)據(jù)為2013年年積日為5 d(275—279)的數(shù)據(jù)。經(jīng)過處理后在不同框架下的各天的基線向量解算的Prefit(驗前)和Postfit(驗后)均方根差如表2所示。

表2 解算均方根精度表

同時，GAMIT/GLOBK解算基線會提供GPS網(wǎng)中所有基線的解算結果，共(n(n－1))/2條基線，其中n為測站個數(shù)，本次試驗中，總共產(chǎn)生45條基線。以BJFS為例，在不同的ITRF框架下的基線結果如圖4所示。

同時經(jīng)GLOBK軟件平差處理和轉換后得到的各站點3個坐標分量的如圖5所示。

圖4 ITRF00與ITRF05基線比較圖

圖5 坐標值X、Y、Z方向精度比較

五、結 論

本文通過對5 d GNSS數(shù)據(jù)在不同ITRF框架下用GAMIT/GLOBK軟件進行的數(shù)據(jù)處理得到的結果分析可知:

1)在不同參考框架下，其postfit_nrms項的值都小于0．3，符合GNSS數(shù)據(jù)處理精度的評價標準，解算結果正確，說明數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。

2)由以上數(shù)據(jù)處理結果分析可知在ITRF2000和ITRF2005框架下基線長度所受到的影響較小，其差值都在1 mm以內(nèi)。由于測點之間的變形特征受基線長度的變化影響，而解算結果中不足1 mm的差異表明該變形信息受到參考框架的影響非常小，在精度要求不高時可以直接使用解算的結果。

3)ITRF2008、ITRF2005和ITRF2000框架下的測站坐標差均達到毫米級，符合高精度GNSS數(shù)據(jù)處理結果的精度評價標準。不同坐標系統(tǒng)框架對處理GNSS數(shù)據(jù)的結果都在毫米級范圍內(nèi)，在一些精度要求不高的情況下，解算結果可以直接使用。

［1］ 李征航，張小紅．衛(wèi)星導航定位新技術及高精度數(shù)據(jù)處理方法［M］．武漢:武漢大學出版社，2009:1-4．

［2］ 劉立，成英燕．ITRF框架的相互轉化．大地測量與地球動力學［J］．2010，30(2):141-147．

［3］ 張西光，呂志平．ITRF2005的實現(xiàn)與改進．測繪通報［J］．2007(7):16-22．

［4］ 徐杰，任超，孟黎．使用GAMIT進行高精度基線向量解算的方法與實踐［J］．海洋測繪，2007，27(6):29-32．

［5］ 金雙根，朱文耀．ITRF2000參考架的評價及其探討．武漢大學學報［J］．2002，27(6):598-603．

［6］ 崔書珍，彭軍還，謝助峰．未知點初始坐標精度對基線解算結果的影響，Bernese和GAMIT解算結果對比［J］．桂林工學院學報，2006，26(2):218-220．

［7］ HERRINGTA，KILLGRW，MECLUSKY SC．GAMIT Reference Manual Release10．4［EB/OL］．［2005-09-10］．http:∥chandler．mit．edu/simon/gtgk/Intro_GG_10．4．Pdf，2010．10．

［8］ 李軍，高詠梅．GAMIT、GIPSY和BERNESE軟件解算結果的比較研究［J］．全球定位系統(tǒng)，2010(3):5-9．

［9］ 徐杰，孟黎，王焱筠，等．GAMIT與BERNESE在GPS基線解算中的比較［J］．山東國土資源，2011(9):53-60．

［10］ 占偉，楊博，武艷強，等．ITRF2000與ITRF2005的差異對GNSS數(shù)據(jù)處理的影響［J］．大地測量與地球動力學，2011，31(6):110-112．