呂成亮,王曉珅(天津市測繪院,天津 300381)

GAMIT基線解算質(zhì)量指標(biāo)分析

呂成亮?,王曉珅
(天津市測繪院,天津 300381)

摘 要:詳細(xì)介紹GAMIT基線解算分步處理與自動(dòng)化處理的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo),同時(shí)分別利用fortran語言和bash編寫自動(dòng)提取單天解標(biāo)準(zhǔn)化均方差和基線重復(fù)率自動(dòng)計(jì)算的程序,實(shí)現(xiàn)快速評(píng)定基線解算結(jié)果質(zhì)量的功能。

關(guān)鍵詞:GAMIT;單天解標(biāo)準(zhǔn)化均方差;基線重復(fù)率;質(zhì)量評(píng)定

1 引 言

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。其基于Fortran語言和標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫,包括多個(gè)可以獨(dú)立運(yùn)行的程序化模塊。GAMIT廣泛應(yīng)用于定軌及長距離的定位,尤其是監(jiān)測全球性的板塊運(yùn)動(dòng)[1]。

近年來,GAMIT在數(shù)據(jù)自動(dòng)處理方面做了較大改進(jìn),在精度范圍允許的條件下,GAMIT可以運(yùn)用sh_ gamit進(jìn)行快速自動(dòng)化處理。比較GAMIT自動(dòng)化處理和分步處理,雖然兩者得到的結(jié)果基本一致,但是對(duì)應(yīng)的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)卻不完全相同。而且,sh_gamit只能實(shí)現(xiàn)基線的自動(dòng)解算,并不包含對(duì)基線解算結(jié)果的質(zhì)量評(píng)定功能。

本文在分析GAMIT基線解算結(jié)果質(zhì)量指標(biāo)的基礎(chǔ)上,以單天解標(biāo)準(zhǔn)化均方差和基線重復(fù)率為基線解算結(jié)果的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo),編寫了相應(yīng)的快速提取、計(jì)算和繪圖程序,以實(shí)現(xiàn)對(duì)基線解算結(jié)果的快速質(zhì)量評(píng)定。

2 質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)

2．1分步處理質(zhì)量指標(biāo)

(1)單天解標(biāo)準(zhǔn)化均方差

單天解標(biāo)準(zhǔn)化均方差NRMS ( Normalized Root Mean Square)。它表示單時(shí)段解算出的基線值偏離其加權(quán)平均值的程度[2]。

其中:

Yi為第i日的基線邊長;

Y為單天解基線邊長的加權(quán)平均值;

通常情況下,NRMS小于0．3視為該項(xiàng)質(zhì)量評(píng)定指標(biāo)合格。NRMS值越小,基線解算的精度越高。若NRMS太大,則說明處理過程中周跳可能未得到完全修復(fù)。此時(shí),可以首先利用SCANDD命令進(jìn)行觀測值的雙差檢驗(yàn)。通過對(duì)所有的雙差組合進(jìn)行檢查,以此來判斷觀測信號(hào)不佳的衛(wèi)星號(hào),從而在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中屏蔽該衛(wèi)星的數(shù)據(jù),提高基線解算精度。當(dāng)上述步驟依然無法降低NRMS值時(shí),可以考慮用CVIEW手工對(duì)殘余周跳進(jìn)行修復(fù)[3]。

(2)基線重復(fù)率

基線重復(fù)率是衡量基線解算質(zhì)量的重要指標(biāo)之一,它反映了基線內(nèi)符合精度,其值越小,基線內(nèi)符合精度越高?；€重復(fù)率包括基線向量的重復(fù)性和相對(duì)重復(fù)性兩個(gè)指標(biāo),分別由以下兩公式計(jì)算[1]:

其中:Rl為基線向量的重復(fù)性;

n為基線單日解數(shù)目;

Rr為基線向量的相對(duì)重復(fù)性;

ˉL為單天解基線邊長的加權(quán)平均值;

Li為第i日的基線邊長。

2．2自動(dòng)化處理質(zhì)量指標(biāo)

在自動(dòng)化處理情況下,評(píng)價(jià)基線解算結(jié)果質(zhì)量有三個(gè)指標(biāo)[3～5]:

(1)是否具有進(jìn)行合理估計(jì)的足夠數(shù)據(jù);

(2)數(shù)據(jù)噪聲水平是否滿足與所選模型匹配;

(3)誤差是否足夠小。

下面以IGS在中國境內(nèi)的wuhn、bjfs、kunm、shao、lhas共5個(gè)站點(diǎn)在2000年全年的觀測數(shù)據(jù)為測試數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算。如圖1所示,以第123天基線解算結(jié)果為例,對(duì)上述三個(gè)質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行具體說明。

圖1　sh_gamit_123．summary

基線解算結(jié)果的質(zhì)量指標(biāo)保存在sh_gamit_123．summary中,分析如下:

(1)Number of stations used表示參與數(shù)據(jù)處理的測站數(shù),Total xfiles表示創(chuàng)建x文件的總數(shù)。通常情況下,兩者應(yīng)該相等。如果參與數(shù)據(jù)處理的測站數(shù)小于創(chuàng)建x文件的總數(shù),說明雖然某些x文件已經(jīng)被創(chuàng)建,但是由于它們觀測時(shí)間太短,不滿足process．defaults中關(guān)于最短觀測時(shí)間的設(shè)置,因此這部分站點(diǎn)不會(huì)參與數(shù)據(jù)處理。當(dāng)然,如果是在sites．defaults中設(shè)置了xsite項(xiàng),排除了某些站參與數(shù)據(jù)處理,也會(huì)造成創(chuàng)建的x文件數(shù)大于參與數(shù)據(jù)處理的測站數(shù)。

(2)RMS那部分中,顯示的是各個(gè)測站和衛(wèi)星的均方根誤差(由于篇幅限制,僅列出1號(hào)～24號(hào)衛(wèi)星),緊隨其后的是其中質(zhì)量最好的兩個(gè)測站和質(zhì)量最差的兩個(gè)測站相應(yīng)的均方根誤差。這部分中,第一列的數(shù)據(jù)單位是mm,后面的所有列的單位都是0．1 mm。

一般最好的測站的RMS應(yīng)該在3 mm～5 mm;最差的測站RMS應(yīng)該在7 mm～9 mm。如果在10 mm～15 mm之間說明該測站有很大的噪聲;如果RMS大于15 mm,說明該站的觀測存在問題。這種問題可能是接收機(jī)的某種故障造成的,也有可能是因?yàn)闇y站附近多路徑誤差太大或者天氣很惡劣。除此之外,如果測站的初始坐標(biāo)有較大的誤差或者觀測時(shí)間太短以致引起收斂問題也會(huì)導(dǎo)致RMS值過大。

需要注意的是,如果最“好“的測站RMS值為0,說明該站的數(shù)據(jù)已經(jīng)移除。這種情況極有可能是因?yàn)闇y站的先驗(yàn)坐標(biāo)質(zhì)量太差,那么在atucln．post．sum文件的最開始就可以看到偽距的RMS值很大。

(3)雙差數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)那四行表示的是不同情況下的nrms,依次是:約束浮動(dòng)解;約束固定解;松弛浮動(dòng)解;松弛固定解。其中左邊的是先驗(yàn)值,右邊的是最后確定值。

(4)最后一個(gè)部分是表示寬巷模糊度(WL)和窄項(xiàng)模糊度(NL)固定的百分比。一般WL應(yīng)該大于90%,NL應(yīng)該大于80%。

3 程序?qū)崿F(xiàn)

3．1單天解標(biāo)準(zhǔn)化均方差

利用GAMIT進(jìn)行基線解算,NRMS保存在基線解算結(jié)果O文件中。對(duì)于時(shí)間跨度較大的基線處理而言,如果逐一查看結(jié)果文件進(jìn)行NRMS值檢查,將會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間。為此,筆者基于Fortran語言編寫了相應(yīng)的程序,實(shí)現(xiàn)如下功能:提取所有結(jié)果文件中的NRMS 值,并生成相應(yīng)的NRMS隨時(shí)間分布圖。其中,程序中的核心部分是NRMS的提取與保存,相應(yīng)的代碼如下所示:

program readdata

implicit none

real?8 a,grow(365)

character?55::f_name="files_name．txt" character?80::infile

open(10,file=f_name,status="old")

open(30,file='pwen09',status='unknown')

do 21 j=1,365

read(10,?,file=f_name,end=301) infile

open(20,file=infile,status="old")

do 22 i=1,6

read(20,?,end=23)

22 continue

23 read(20,"(44x,f7．5)") grow(j) 21 continue

write(30,"(f7．5)") grow 301 continue

close(10) close(20) close(30) stop end

以某區(qū)域CORS網(wǎng)聯(lián)合IGS在中國境內(nèi)的wuhn、bjfs、kunm、shao、lhas共5個(gè)站點(diǎn)為例,選取其2009年1月～2010年11月的數(shù)據(jù),進(jìn)行基線解算,解算策略如下:

(1)引入的5個(gè)IGS站點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn),并在基線解算的過程中進(jìn)行適當(dāng)?shù)募s束;

(2)基線解算星歷采用IGS提供的事后精密星歷;

(3)采用松弛解(RELAX)解算模式,即在定位的同時(shí)估計(jì)衛(wèi)星軌道;

(4)用LC觀測解模糊度;

(5)采用PWL分段線性方法估計(jì)天頂對(duì)流層延遲參數(shù),估計(jì)間隔為2 h;

(6)考慮測站的固體潮、海潮、極潮和大氣負(fù)荷潮等模型改正;

(7)考慮測站的電離層折射改正,利用LC觀測值組合來消除電離層折射的影響;

(8)考慮衛(wèi)星時(shí)鐘改正和站鐘差改正,利用廣播星歷中的鐘差參數(shù)對(duì)衛(wèi)星鐘差進(jìn)行模型改正,利用偽距觀測值計(jì)算接收機(jī)鐘差。

利用筆者編寫的程序,從單天解O文件中提取NRMS值并繪圖,結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以發(fā)現(xiàn),99．8%的單天解NRMS值均小于0．2,NRMS的最大值小于0．25,完全小于該項(xiàng)指標(biāo)臨界值0．3。基于此得出結(jié)論:基線解算的該項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)符合要求。

圖2　NRMS時(shí)間分布圖

3．2基線重復(fù)率

不同于NRMS值,GAMIT基線解算的結(jié)果中并沒有直接計(jì)算基線向量的重復(fù)性和相對(duì)重復(fù)性。因此,評(píng)價(jià)該項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)必須事先根據(jù)基線解算結(jié)果O文件中基線的長度,按照式(2)～式(4)分別計(jì)算基線向量的重復(fù)性和相對(duì)重復(fù)性。基于此,筆者利用bash編寫了相應(yīng)的腳本程序,從單天解的O文件中抓取每條基線的長度,按照上述公式計(jì)算基線向量的重復(fù)性和相對(duì)重復(fù)性,并進(jìn)行批處理。程序的核心部分如下:

#! / bin/ bash

ls＞a

mkdir file0 only_data

echo X-Y＞issue

while read line;

do

file0= $ line

echo $ file0

awk '/ X-Y/ ' " $ file0"＞" $ file0"0

cat issue " $ file0"0＞" $ file0"01

rm " $ file0"0

while read line;

do

awk '{print $ 1"" $ 16}' $ file＞" $ file0"data;

done < " $ file0"01

mv " $ file0"01 file0

mv " $ file0"data only_data

done < a

rm a file0/ a01 only_data/ adata file0/ test_do01 only_data/ test _dodata issue

同樣以3．1節(jié)中的基線解算結(jié)果為例,運(yùn)行筆者的程序,計(jì)算基線向量的重復(fù)性和相對(duì)重復(fù)性。由于篇幅的限制,計(jì)算得到的每條基線的重復(fù)性和相對(duì)重復(fù)性的結(jié)果不在此一一列出。將每條基線重復(fù)性作為觀測值,利用線性擬合的辦法求出固定部分和比例系數(shù)部分是最為常用的分析辦法。采用的線性擬合模型為下式:

按照式(5),將計(jì)算得到的基線重復(fù)性和基線長度數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中進(jìn)行線性擬合,得到的擬合圖形如圖3所示。

圖3　線性擬合結(jié)果

通常情況下,基線重復(fù)率指標(biāo)合格是指基線向量的相對(duì)重復(fù)性精度在10-9量級(jí),常數(shù)部分為毫米級(jí)。由圖3可知,計(jì)算得到的常數(shù)部分值為2．3 mm,比例系數(shù)為7．86×10-10。因此可以得出結(jié)論:基線解算的該項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)符合要求。

4 總 結(jié)

基線解算是GPS數(shù)據(jù)處理中工作量最大的一步,也是進(jìn)行后續(xù)分析的基礎(chǔ)。因此,對(duì)于基線解算結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定非常重要。

本文首先詳細(xì)介紹了GAMIT分步過處理的質(zhì)量指標(biāo)和利用sh_gamit進(jìn)行基線解算的質(zhì)量指標(biāo)。其次,編寫相關(guān)程序,實(shí)現(xiàn)了以下功能:①自動(dòng)提取單天解標(biāo)準(zhǔn)化均方差并將結(jié)果繪制成隨時(shí)間變化的曲線圖;②自動(dòng)計(jì)算基線重復(fù)率。最后結(jié)合MATLAB對(duì)計(jì)算得到的基線重復(fù)率進(jìn)行線性擬合,更為準(zhǔn)確的表達(dá)基線解算結(jié)果中基線重復(fù)率這項(xiàng)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄂棟臣,詹必偉,姜衛(wèi)平等．應(yīng)用GAMIT/ GLOBK軟件進(jìn)行高精度GPS數(shù)據(jù)處理[J]．極地研究,2005,17(3):173 ～182．

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

[3] T．A．Herring,R．W．King,S．C．McClusky,GAMIT Reference Manual,Department of Earth,Atmospheric,and Planetary Sciences Massachusetts Institute of Technology,2009．

[4] T．A．Herring,R．W．King,S．C．McClusky,Introduction to GAMIT/ GLOBK, Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences Massachusetts Institute of Technology, 2010．

[5] T．A．Herring,R．W．King,S．C．McClusky．GLOBK Reference Manual,Department of Earth,Atmospheric,and Planetary Sciences Massachusetts Institute of Technology,2009．

Analysis of Quality Index for Baseline Solution by GAMIT

Lv Chengliang,Wang Xiaoshen
(Tianjin Institute of Surveying and Mapping,Tianjin 300381,China)

Abstract:For the indicators of Baseline solution,sh_gamit is different from processing step by step．This article introduces both of them in detail．In order to evaluate the quality of results quickly,it takes the normalized root mean square and the relative recurrence rate of baseline to program by fortran and bash．

Key words:GAMT;normalized root mean square;the relative recurrence rate of baseline;estimation of quality

文章編號(hào):1672-8262(2015)06-59-04中圖分類號(hào):P228

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

收稿日期:?2015—07—07

作者簡介:呂成亮(1986—),男,碩士,工程師,主要從事GPS數(shù)據(jù)處理方面的研究。

基金項(xiàng)目:住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技項(xiàng)目(2011-K3-10)