牛洪柳

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142)

隨著GNSS系統(tǒng)的發(fā)展、衛(wèi)星接收設(shè)備的改進(jìn)和定位理論及算法的日臻完善，短距離GNSS靜態(tài)定位技術(shù)已經(jīng)比較成熟。GNSS隨機(jī)軟件能夠利用實(shí)時(shí)衛(wèi)星廣播星歷對(duì)獲取的GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度解算，點(diǎn)位坐標(biāo)精度可控制在cm級(jí)，能夠滿足大多數(shù)工程應(yīng)用的需求[1]。而在中長(zhǎng)基線距，大范圍、高精度大型工程及地殼形變監(jiān)測(cè)中，受控于衛(wèi)星軌道和星差產(chǎn)品的精度，GNSS數(shù)據(jù)的解算往往需要高精度的數(shù)據(jù)處理軟件，如國(guó)際公認(rèn)的GAMIT/GLOBK軟件、GIPSY-OASIS軟件和Bernese軟件[2]。GAMIT采用雙差模型(開放源代碼)，在GNSS數(shù)據(jù)解算模型中消除了站鐘和星鐘的主要誤差，其軌道誤差對(duì)測(cè)站的相對(duì)位置不敏感，有利于精密定位，且其AUTCLN模塊可對(duì)周跳進(jìn)行自動(dòng)修復(fù)[3-4]。采用GAMIT軟件解算短基線精度可達(dá)1～3 mm，解算長(zhǎng)基線的相對(duì)精度達(dá)10-9。但該軟件對(duì)GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理時(shí)，往往需要衛(wèi)星精密軌道數(shù)據(jù)(IGS)，而IGS最終星歷的發(fā)布有12～18 d的時(shí)延，使其應(yīng)用時(shí)效性受到一定的限制。目前，IGS快速星歷(IGR)的發(fā)布延遲僅17～41 h，可滿足一般工程應(yīng)用中時(shí)間效率的需要，但其對(duì)GNSS點(diǎn)位解算的精度需要探討。

丁克良等[5]分析了快速星歷與精密星歷對(duì)基線解算計(jì)算結(jié)果的影響，結(jié)果表明：對(duì)于一般的工程控制網(wǎng)而言，快速星歷能夠達(dá)到與精密星歷同樣的效果。高旺等[6-7]則利用廣播星歷和快速星歷進(jìn)行GAMIT基線解算，驗(yàn)證了中長(zhǎng)基線的解算結(jié)果可以滿足常規(guī)的工程應(yīng)用需求。王樹東等[8]同樣基于GAMIT軟件，用快速精密星歷和超快速精密星歷代替最終精密星歷，對(duì)實(shí)測(cè)的CORS站數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算，結(jié)果表明：在特殊情況下，采用快速和超快速星歷代替最終精密星歷進(jìn)行基線解算可行。李文浩等[9]指出，在時(shí)效性要求較高的情況下，在南極地區(qū)可以使用快速星歷或超快速精密星歷代替精密星歷進(jìn)行高精度的GPS基線解算。牟春霖[10]基于GAMIT基線解算模塊，分別利用快速星歷和超快速星歷對(duì)某高速鐵路框架控制網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算，并將解算結(jié)果與最終星歷產(chǎn)品的解算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：超快速星歷解算結(jié)果的誤差略大于快速星歷，但平面誤差均為mm級(jí)，可滿足高速鐵路框架控制網(wǎng)的精度要求；而超快速星歷產(chǎn)品相較于快速星歷產(chǎn)品時(shí)延更短，更能滿足高速鐵路框架控制網(wǎng)對(duì)于時(shí)效性的要求。郭敏[11]則利用GAMIT-TRACK模塊解算動(dòng)態(tài)GPS數(shù)據(jù)，研究結(jié)果表明：測(cè)站坐標(biāo)、天頂延遲、鐘差等的數(shù)據(jù)精度與精密星歷的類型幾乎無關(guān)。但上述研究往往停留在基線解算的層面，沒有討論不同衛(wèi)星星歷對(duì)于點(diǎn)位坐標(biāo)解算精度的影響。以下利用IGS提供的快速星歷(IGR)和最終星歷(IGS)，對(duì)不同基線距的GNSS網(wǎng)(20～1 000 km)進(jìn)行點(diǎn)位坐標(biāo)解算，以對(duì)比不同衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)對(duì)GNSS網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)解算精度的影響。

1 GAMIT數(shù)據(jù)解算

在解算高精度靜態(tài)GNSS數(shù)據(jù)時(shí)，GAMIT采用同步相位觀測(cè)值組成基線網(wǎng)，通過對(duì)基線網(wǎng)進(jìn)行解算得到基線向量，進(jìn)而通過固定參考站對(duì)基線向量進(jìn)行平差，獲取GNSS點(diǎn)的精確坐標(biāo)值[12]。當(dāng)前，國(guó)際IGS網(wǎng)絡(luò)連續(xù)運(yùn)行測(cè)站超過400個(gè)，且免費(fèi)向全球各地用戶提供數(shù)據(jù)，這為在實(shí)際應(yīng)用中開展GNSS點(diǎn)位組網(wǎng)提供了數(shù)據(jù)保障。GMIAT軟件由Fortran語言和C-shell腳本混合編寫，且軟件的運(yùn)行基于UNIX平臺(tái)，沒有窗口界面，給從事測(cè)繪地理信息的專業(yè)人員帶來了一定的困難。以下給出利用GAMIT進(jìn)行高精度GNSS數(shù)據(jù)解算的流程，并介紹了利用GLOBK模塊對(duì)基線網(wǎng)進(jìn)行平差時(shí)的一些注意事項(xiàng)，以期對(duì)從事高精度GNSS數(shù)據(jù)處理的技術(shù)人員提供借鑒。

(1)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

GNSS觀測(cè)文件、GNSS觀測(cè)天線文件、GNSS測(cè)站坐標(biāo)文件、星歷文件和共用表等。

GNSS觀測(cè)文件包含rinex文件、導(dǎo)航N文件以及星歷文件，可以利用GAMIT軟件包中提供的sh_get_rinex、sh_get_nav和sh_get_orbits命令獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)。

共用表格文件是指在多天、多網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中的共用文件，包含日月星歷、章動(dòng)、極移、地球自轉(zhuǎn)及其它一些參數(shù)設(shè)置文件，其中日月星歷、章動(dòng)、極移、地球自轉(zhuǎn)需要依據(jù)處理日期隨時(shí)更新。

與測(cè)站相關(guān)的文件包括station.info文件、lfile.文件、sittbl.文件。station.info文件記錄各測(cè)站的站點(diǎn)、站點(diǎn)名稱、開始觀測(cè)時(shí)問、結(jié)束觀測(cè)時(shí)間、天線高、天線量測(cè)方法、接收機(jī)類型、軟硬件版本號(hào)、天線類型等信息；lfile.文件記錄各測(cè)站的近似坐標(biāo)；sittbl.文件記錄各測(cè)站的精度控制指標(biāo)。

數(shù)據(jù)處理過程控制文件是指sestbl.文件。這個(gè)文件包括了基線解算模型的選擇、觀測(cè)值類型的選擇、參數(shù)估計(jì)、大氣參數(shù)估計(jì)等重要設(shè)置。準(zhǔn)備該文件時(shí)，要根據(jù)實(shí)際需求來對(duì)參數(shù)進(jìn)行選擇。

(2)數(shù)據(jù)批處理

GAMIT提供了兩種數(shù)據(jù)處理方式。對(duì)于初級(jí)用戶，建議采用分布式的處理步驟，有利于發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理過程中的問題。對(duì)于從事高精度GNSS數(shù)據(jù)處理的專業(yè)人員來說，批處理方式不僅能夠提高工作效率，而且保證了數(shù)據(jù)處理參數(shù)的一致性。

使用sh_setup命令可自動(dòng)獲取共用表文件(將上述準(zhǔn)備好的文件進(jìn)行相應(yīng)的更新即可)。建議在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時(shí)即運(yùn)行該命令，并在原有的共用表基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，從而保證共用表文件格式正確。

使用sh_gamit命令進(jìn)行批處理，選擇適合當(dāng)前任務(wù)的各個(gè)參數(shù)，如衛(wèi)星星歷的類型等。GAMIT采用組網(wǎng)方式解算GNSS數(shù)據(jù)，建議同步環(huán)中同步觀測(cè)的GNSS點(diǎn)位數(shù)量不超過50個(gè)，以減少計(jì)算時(shí)間。

(3)基線網(wǎng)解算結(jié)果評(píng)估

GAMIT數(shù)據(jù)處理結(jié)果有O文件、Q文件和H文件，其中O文件和Q文件用于做單天的結(jié)果分析。O文件中均方根殘差nrms的大小是衡量單天解質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，比較理想的數(shù)值應(yīng)在0.25左右(如果nrms的值小于0.5，說明基線解算結(jié)果可用，否則，需要查找原因并重新解算)。對(duì)于批處理結(jié)果，可直接檢查單天解的summary文件，確保所有測(cè)站參與了網(wǎng)絡(luò)的解算，且GNSS模糊度固定率達(dá)到80%以上。

(4)基線網(wǎng)平差

在GAMIT中，采用整網(wǎng)平差時(shí)往往需要選擇IGS測(cè)站作為參考點(diǎn)，對(duì)于區(qū)域子網(wǎng)，IGS測(cè)站數(shù)以3～10為宜。如果解算的是多天GNSS數(shù)據(jù)，首先需要檢查區(qū)域子網(wǎng)數(shù)據(jù)的時(shí)間序列，以確保點(diǎn)位坐標(biāo)的穩(wěn)定性；而對(duì)于工程應(yīng)用，往往子網(wǎng)觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)較短，可直接在cmd文件中(globk.cmd、glorg.cmd)設(shè)置穩(wěn)定參考站，運(yùn)行g(shù)lobk命令進(jìn)行整網(wǎng)平差。在用戶進(jìn)行cmd文件控制參數(shù)的設(shè)置時(shí)，建議采用原有的默認(rèn)參數(shù)。需要注意的是：對(duì)不同模式誤差(噪聲)的控制會(huì)對(duì)多天解造成影響，而對(duì)于單天解則影響很小。

GAMIT整網(wǎng)平差后，需對(duì)平差結(jié)果進(jìn)行查看。最直接的標(biāo)準(zhǔn)即解算得到的參考站坐標(biāo)與先驗(yàn)值之間的調(diào)整量，較好的平差結(jié)果中參考站的殘差均值接近0，殘差RMS值在mm級(jí)。如果有部分參考站的坐標(biāo)解算值與先驗(yàn)值之間殘差較大，則需要改變參考框架。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

為探討GAMIT軟件中不同衛(wèi)星星歷對(duì)測(cè)站坐標(biāo)解算精度的影響，選取了位于美國(guó)西海岸的CORS觀測(cè)網(wǎng)(www.ngs.noaa.gov)2017年100～102 d的觀測(cè)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可方便地獲取，且點(diǎn)位坐標(biāo)已知，可對(duì)解算結(jié)果進(jìn)行定量對(duì)比。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需求，選取不同基線距的GNSS點(diǎn)構(gòu)成同步觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(見圖1)。共設(shè)計(jì)了6組實(shí)驗(yàn)，以探討在GAMIT軟件中，不同衛(wèi)星星歷對(duì)不同基線距GNSS網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)位坐標(biāo)解算精度的影響，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表1。

圖1 GNSS點(diǎn)位分布

實(shí)驗(yàn)基線距/km星歷GNSS測(cè)站實(shí)驗(yàn)一26～78IGSP558 P560 P554 SKYB P560實(shí)驗(yàn)二68～230IGSP567 P521 CRU1 CNPP P560實(shí)驗(yàn)三210～1010IGSP468 P254 SCIP P001 P560實(shí)驗(yàn)四26～78IGRP558 P560 P554 SKYB P560實(shí)驗(yàn)五68～230IGRP567 P521 CRU1 CNPP P560實(shí)驗(yàn)六210～1010IGRP468 P254 SCIP P001 P560

對(duì)于每一組實(shí)驗(yàn)，均采用上述的數(shù)據(jù)處理步驟和策略。首先準(zhǔn)備基線解算所需文件，如觀測(cè)文件、星歷文件、坐標(biāo)文件和天線文件等，并對(duì)GAMIT中的表(tables)進(jìn)行更新；隨后采用sh_gamit批處理方式進(jìn)行單天解算，并檢查單天解的summary文件，確?；€解算正確。在完成上述基線解算過程后，將基線平差所需的cmd文件(globk.cmd和glorg.cmd)復(fù)制到與單天解平行的文件目錄下，并修改控制文件中的穩(wěn)定參考站，最后運(yùn)行g(shù)lobk命令進(jìn)行基線網(wǎng)的平差。為對(duì)結(jié)果進(jìn)行定量比較，在上述實(shí)驗(yàn)中，均以P560點(diǎn)作為坐標(biāo)未知點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)平差，其他參與解算的點(diǎn)作為參考站；最終得到P560的點(diǎn)位坐標(biāo)結(jié)果，并與其精確坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，獲取點(diǎn)位坐標(biāo)的解算誤差。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2和表2。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，利用IGS提供的最終精密衛(wèi)星星歷解算得到的點(diǎn)位誤差隨著基線距的增加而增大，但水平向均保持在5 mm以內(nèi)；垂向精度較水平向稍差，短基線網(wǎng)(20～100 km)和中長(zhǎng)基線網(wǎng)(60～200 km)的誤差保持在1 cm以內(nèi)，長(zhǎng)基線GNSS網(wǎng)(200～1 000 km)的垂向誤差超過2 cm。值得注意的是，盡管GNSS點(diǎn)的基線距不超過100 km(實(shí)驗(yàn)一)，解算得到的點(diǎn)位(P560)坐標(biāo)仍然具有近2 mm的誤差，其原因?yàn)椋涸揅ORS網(wǎng)的精確坐標(biāo)是在全球基準(zhǔn)下利用坐標(biāo)長(zhǎng)時(shí)間序列解算獲得，而此次實(shí)驗(yàn)僅解算了該GNSS點(diǎn)的單天坐標(biāo)，且構(gòu)建的GNSS網(wǎng)為局部網(wǎng)絡(luò)[13-14]。上述結(jié)果表明，GAMIT在高精度GNSS數(shù)據(jù)解算中具有mm級(jí)的精度，且對(duì)不同基線距的測(cè)站分布并不敏感，不僅能夠滿足cm級(jí)的一般工程需要，而且能夠滿足絕大多數(shù)高精度大型工程和地殼形變監(jiān)測(cè)的mm級(jí)精度要求。在特定的工程條件下，即便是僅有少量的非同步觀測(cè)控制點(diǎn)，依然可以利用IGS提供的全球連續(xù)運(yùn)行觀測(cè)站進(jìn)行高精度點(diǎn)位坐標(biāo)解算。

圖2 點(diǎn)位誤差統(tǒng)計(jì)

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果mm

采用IGS提供的快速衛(wèi)星星歷進(jìn)行坐標(biāo)解算，短基線GNSS網(wǎng)(20～100 km)水平向坐標(biāo)誤差在5 mm以內(nèi)，與利用精密星歷解算得到的結(jié)果相當(dāng)，這是由于觀測(cè)數(shù)據(jù)在解算時(shí)組成雙差觀測(cè)值，消除掉了大部分的共模誤差[15]，如對(duì)流層、電離層的影響等。中長(zhǎng)基線GNSS網(wǎng)(60～200 km)的水平向坐標(biāo)誤差在1 cm以內(nèi)，垂向相對(duì)較差，誤差超過了1.5 cm；對(duì)于長(zhǎng)基線GNSS網(wǎng)(200～1 000 km)，利用快速衛(wèi)星星歷解算得到的點(diǎn)位坐標(biāo)誤差在水平向超過了1 cm，垂向誤差超過3 cm，表明其對(duì)精密工程網(wǎng)點(diǎn)位坐標(biāo)解算的影響不可忽略[16-17]。

上述實(shí)驗(yàn)僅基于待定點(diǎn)(P560)周圍均勻分布的4～5個(gè)已知點(diǎn)位來進(jìn)行解算，如果增加已知框架點(diǎn)的個(gè)數(shù)，點(diǎn)位解算的精度雖然會(huì)有一定程度的提高，但其誤差變化的趨勢(shì)不會(huì)改變[18-19]。對(duì)于中國(guó)大陸來說，盡管IGS連續(xù)運(yùn)行站分布相對(duì)稀疏，但隨著中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)260個(gè)連續(xù)站在2010年的正式運(yùn)行以及各省市密集的CORS網(wǎng)絡(luò)的建立，能夠滿足短基線GNSS網(wǎng)或中長(zhǎng)基線GNSS網(wǎng)的構(gòu)建，采用快速衛(wèi)星星歷(IGR)解算得到的GNSS點(diǎn)位坐標(biāo)將能夠滿足cm級(jí)的工程精度要求。

隨著GAMIT/GLOBK10.7版本的發(fā)布(http://geoweb.mit.edu/gg/)，GAMIT提供了Linux和Windows平臺(tái)下的安裝版本，進(jìn)一步為用戶提供了便利。同時(shí)，GAMIT/GLOBK程序自10.5版本開始，逐步加入了對(duì)其他各大GNSS系統(tǒng)(如北斗、Galileo)的支持；隨著GAMIT/GLOBK10.61版本的發(fā)布，該程序已經(jīng)能夠支持北斗觀測(cè)數(shù)據(jù)的解算，并且附帶的共用表文件也包含了多個(gè)GNSS系統(tǒng)的信息，這為今后開展基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的工程測(cè)量控制應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

對(duì)采用GAMIT/GLOBK解算高精度GNSS數(shù)據(jù)的一般性流程做了簡(jiǎn)要的介紹，并利用IGS提供的精密衛(wèi)星星歷(IGS)和快速衛(wèi)星星歷(IGR)，對(duì)不同基線距的GNSS網(wǎng)(20～1 000 km)進(jìn)行了坐標(biāo)解算，探討了不同衛(wèi)星星歷對(duì)不同基線距GNSS網(wǎng)點(diǎn)位坐標(biāo)解算的影響。結(jié)果表明，采用IGS最終衛(wèi)星星歷解算得到的點(diǎn)位水平向誤差均保持在5 mm以內(nèi)，且隨著基線距的增加變化不大；采用快速衛(wèi)星星歷解算得到的點(diǎn)位坐標(biāo)水平向誤差隨著基線距的增加而增大(1～3 cm)，但短基線GNSS網(wǎng)點(diǎn)位的誤差對(duì)于衛(wèi)星星歷(IGS和IGR)并不敏感，點(diǎn)位坐標(biāo)解算水平向精度在1 cm以內(nèi)；而長(zhǎng)基線GNSS網(wǎng)的點(diǎn)位坐標(biāo)解算水平向精度超過1 cm。在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮時(shí)間效率及精度要求，選擇最佳的GNSS數(shù)據(jù)后處理方式。