王 瑞，寧長春，陳 聯(lián)，李世顯

（1.中油（新疆）石油工程有限公司，新疆 克拉瑪依 834000；2.塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆 庫爾勒 841000）

在一般的中小型測繪工程控制測量項目中，短基線的GPS靜態(tài)定位技術(shù)已經(jīng)成熟，天寶TBC、萊卡LGO、中海達HGO、華測CGO等GPS接收機附帶的隨機軟件已能滿足大多數(shù)工程控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的精度要求。然而，在一些大面積長距離的油氣輸送管道、沙漠公路等大型測繪項目中，測區(qū)線路長度可達幾百甚至上千km，沿線控制點稀少、分布不均且離線路較遠，強行引入到工程控制網(wǎng)中，必定導致基線超長且不合規(guī)范，此時的GPS接收機隨機商用軟件，因其數(shù)據(jù)處理模型存在一定的缺陷，無法消除或削弱星歷誤差、大氣延遲誤差等多項誤差，因此解算精度不能滿足要求。在我國西北的新疆、西藏等地區(qū)，測區(qū)往往沒有可利用的已知控制點，無法進行常規(guī)GPS靜態(tài)測量。

一種有效解決上述工程控制測量問題的方法是利用中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)工程的25個連續(xù)運行基準站和國內(nèi)國外已有的地球動力學服務(wù)站（IGS）的全天不間斷觀測數(shù)據(jù)，任意未知站點在任何觀測時段均可與它們組成結(jié)構(gòu)良好的同步觀測環(huán)，進而可精密確定未知站點的坐標。GPS連續(xù)運行基準站的存在大大降低了（甚至無需）未知觀測點間觀測同步的要求。將下載的連續(xù)運行基準站單天GPS觀測數(shù)據(jù)作為已知點觀測數(shù)據(jù)，引入測區(qū)布設(shè)的工程控制網(wǎng)中；再利用GAMIT軟件進行長基線聯(lián)合解算；然后利用CosaGPS數(shù)據(jù)處理軟件進行網(wǎng)平差，通過歷元框架轉(zhuǎn)換、坐標形式轉(zhuǎn)換精確求取待定點CGCS2000平面坐標；最后利用測區(qū)少量GPS/水準點和地球重力場模型EGM2008求取待定點的正常高。具體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 基于GAMIT和CosaGPS的GPS靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理流程圖

1 GAMIT基線解算

1.1 GAMIT軟件簡介

GAMIT軟件是由美國麻省理工學院和美國加利福利亞大學海洋研究所共同研制的，主要是用于定位和定軌的GPS數(shù)據(jù)分析軟件包，也是世界上最優(yōu)秀的GPS精密數(shù)據(jù)處理軟件之一。它可采用精密星歷，并考慮大氣延遲、潮汐影響和其他系統(tǒng)誤差模型，消除衛(wèi)星鐘差和接收機鐘差的影響，減弱軌道誤差、大氣折射誤差等系統(tǒng)誤差的影響，從而提高精度。因其具有免費申請獲得、源代碼開放、更新速度快、解算精度高以及能進行數(shù)據(jù)自動化處理等優(yōu)點，GAMIT軟件在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。因此，當精度要求較高、商用處理軟件無法滿足精度要求時，可采用GAMIT軟件對GPS控制網(wǎng)進行基線解算。目前該軟件已更新到10.71版本，可采用安裝虛擬機的方法搭建Ubuntu系統(tǒng)平臺對GAMIT軟件進行安裝。

1.2 觀測文件與星歷文件準備

觀測文件包括RINEX格式觀測O文件、廣播星歷N文件和IGS精密星歷sp3文件。本文首先利用GPS接收機的隨機軟件將GPS靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RINEX標準數(shù)據(jù)格式，以供GAMIT軟件計算使用；然后從武漢大學IGS數(shù)據(jù)中心下載所用IGS站的觀測文件和星歷文件。數(shù)據(jù)準備好后，在Ubuntu系統(tǒng)桌面上建立一個工程目錄（即工程文件夾），用于存放本次需處理的所有數(shù)據(jù)，建立的所有目錄均在該目錄下。

1）建立子目錄rinex，用于存放處理好的RINEX格式觀測O文件。

2）建立子目錄igs，用于存放從網(wǎng)上下載的對應(yīng)時段的精密星歷sp3文件。

3）建立子目錄brdc，用于存放所有廣播星歷N文件。

4）建立tables目錄，用于存放數(shù)據(jù)處理過程中所需的各種表格，可采用sh_setup命令建立。該命令可將GAMIT安裝目錄下自帶的tables文件夾中的文件鏈接過來。

1.3 參數(shù)表文件準備

需要重點查看和設(shè)置的參數(shù)表文件包括月球星歷表（luntab）、太陽星歷表（soltab）、章動歷表.（nutab）、極移參數(shù)（pole）、時間表（ut1.UT1）、天線高與相位中心偏移模式參數(shù)表（antmod.dat）、接收機與天線類型信息（rcvant.dat）和天線型號與量高方式改正數(shù)參數(shù)（hi.dat）。

1）首先打開觀測O文件，查看接收機和天線型號；然后打開antmod.dat文件，查看其有無該接收機和天線類型，若無，則通過www.ngs.noaa.gov網(wǎng)站查閱該接收機天線類型，并添加到antmod.dat文件中；再打開rcvant.dat文件，根據(jù)天線型號查看gamit唯一內(nèi)部碼；最后找到接收機型號，若無，則自行添加。

2）打開hi.dat文件，根據(jù)天線型號查看量高方式，DHARP為直量至相位中心參考點，SLBCR為斜量至扼流圈底部。若量高方式不正確，直接修改；若找不到該天線型號，則手動添加并修改量高方式。

3）打 開tables文 件 夾，查 看soltab、luntab和nutab這3個文件表頭日期，查看觀測O文件日期是否在表頭日期之內(nèi)，若不在，則需更新這3個文件。

4）在tables文件夾中，輸入doy命令，查看極移日期是否在pole.usno文件表頭日期之內(nèi)，若不在，則需更新pole和ut1兩個文件。

上述參數(shù)表文件的更新可通過在tables目錄下輸入命令gftp，回車，再輸入主機：garner.ucsd.edu，端口：21，用戶名：anonymous，在密碼處點擊回車后鏈接至服務(wù)器，然后順序點擊achive-garner-gamit-tables進行單個文件的選擇下載更新；也可直接通過ftp://lox.ucsd.edu/pub/gamit/tables/網(wǎng)站下載更新。

1.4 基線解算

1）打開tables文件夾，輸入命令sh_upd_stnfo-files../rinex/*.yyo，更新station.info測站文件；然后打開測站文件，查看觀測數(shù)據(jù)站名、接收機和天線類型、量高方式是否與參數(shù)表文件中設(shè)置的一致。

2）打開sestbl數(shù)據(jù)處理參數(shù)設(shè)置表，修改海洋文件，若不使用潮汐改正模型，則將Tides applied=31中的31改為23，Use otl.grid=Y中的Y改成N；再設(shè)置截止高度角Elevation Cutoff，保存即可。

3）打開process.defaults控制文件，可對采樣間隔set sint、采樣起始時間set stime、觀測數(shù)據(jù)文件大小set minxf以及是否使用RINEX頭文件進行設(shè)置，設(shè)置完成后保存即可。

4）上述參數(shù)文件設(shè)置完成后，在tables文件夾中執(zhí)行sh_gamit-expt***命令，進行基線解算。解算過程中，若系統(tǒng)提示解算錯誤，則找到出現(xiàn)fatal的第一個地方，修改參數(shù)表文件，解決錯誤；再重新解算。

5）解算成功后，最終生成基線文件Q文件和O文件。

1.5 基線解算質(zhì)量評價指標

在基線解算文件夾中打開sh_gamit_**.summary批處理綜合文件，檢查以下內(nèi)容看基線解算是否合格：①文件中測站數(shù)Number of stations是否正確；②查看測站RMS值，通常3～10之間的數(shù)據(jù)較好；③文件中最后4個驗后NRMS，此值應(yīng)小于0.2；④相位模糊度的求解Phase ambiguities WL fixed 93.6% NL fixed 70.5%，兩個值接近100%為最優(yōu)，大于90%代表很好，70%～85%屬于一般；⑤Q文件中基線解算的相對精度應(yīng)小于10-8。

2 CosaGPS網(wǎng)平差

2.1 CosaGPS平差軟件簡介

為了滿足工程測量單位對GPS數(shù)據(jù)處理的要求，在分析研究GPS數(shù)據(jù)處理理論的基礎(chǔ)上，武漢大學自主研制了CosaGPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有操作簡便、界面友好、解算容量大、速度快、系統(tǒng)穩(wěn)定性好、輸出成果全、功能全面、能滿足多種規(guī)范要求等優(yōu)點。因此，與GAMIT/GLOBK相比，該軟件更適合GPS工程控制網(wǎng)平差計算。

2.2 CosaGPS控制網(wǎng)平差

利用GAMIT軟件進行基線解算，可輸出Q文件和O文件兩種格式的基線解算結(jié)果文件，每個文件中均包含兩處基線向量數(shù)據(jù)，第二處是CosaGPS網(wǎng)平差所需的數(shù)據(jù)。為使CosaGPS軟件能直接調(diào)用該部分數(shù)據(jù)，需要在該數(shù)據(jù)的上一行加入CosaGPS識別標志。本文以Q文件為例，說明如何調(diào)用該部分數(shù)據(jù)。

1）打開Q文件，找到第二處基線解算成果文件如下：

2）在該文件第一條基線的Baseline vector的前一行加入cosagps for gamit q-file識別標志點，保存即可。

3）打開CosaGPS軟件，新建工程名稱，設(shè)置存盤路徑、選擇控制網(wǎng)等級和坐標系統(tǒng)，基線類型選擇gamit。

4）輸入已知數(shù)據(jù)，可通過登陸itrf.ensg.ign.fr網(wǎng)站輸入日期下載所需的IGS跟蹤站三維空間直角坐標值，并將其作為已知點錄入到CosaGPS軟件。

5）讀取gamit基線數(shù)據(jù)，形成獨立基線文件，再進行三維向量網(wǎng)平差，輸出待測點成果即可。具體解算步驟可參考CosaGPS軟件說明書。

3 歷元框架轉(zhuǎn)換

經(jīng)過CosaGPS網(wǎng)平差后可輸出待測點三維空間直角坐標，需對三維空間直角坐標進行歷元框架的轉(zhuǎn)換，精確求取其在歷元2000.0、ITRF97下的CGCS2000坐標。目前市面上有免費的大地測量工具集和一些測量小程序可供使用，本文采用西安測繪研究所劉光明老師編寫的CGCS2000坐標轉(zhuǎn)換程序集，具體步驟為：①利用微塊體歐拉矢量法計算待測點測站速度值；②將當前坐標歷元歸算至2000.0歷元；③在2000.0歷元下進行不同參考框架間的轉(zhuǎn)換，先查看已下載的IGS站坐標值文件中的參考框架，再登陸itrf.ensg.ign.fr網(wǎng) 站，點 擊Transformation Parameters下載當前參考框架對應(yīng)ITRF97的轉(zhuǎn)換參數(shù)，最后輸入到程序集中進行不同參考框架轉(zhuǎn)換；④將CGCS2000三維空間直角坐標轉(zhuǎn)換為高斯平面直角坐標和WGS84坐標即可。

4 高程擬合

4.1 EGM2008模型簡介

EGM2008模型是一個完全階次為2 190的全球重力場模型，基本網(wǎng)格分辨率為5′×5′，在全球范圍內(nèi)的精度可達13 cm，在我國大陸的總體精度為20 cm，我國西部地區(qū)為24 cm。因此，EGM2008模型具有很高的精度，是計算大地水準面高的首選地球重力場模型，可免費使用。

4.2 正常高計算

利用測區(qū)少量GPS/水準點和EGM2008模型進行似大地水準面精化，擬合得到待測點的正常高。該方法可達厘米級精度，能滿足一般工程測量需求，詳見實驗數(shù)據(jù)分析。

5 實驗數(shù)據(jù)分析

本文利用新疆烏什塔拉鄉(xiāng)6個已知C級GPS點靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)進行解算，觀測時長為4 h，采樣間隔為30 s，截止高度角為15°；利用IRKM、POL2、NVSK和LHAZ四個IGS連續(xù)運行基準站同天的觀測數(shù)據(jù)進行聯(lián)合解算，其中以IRKM、POL2、NVSK作為CosaGPS網(wǎng)平差的已知點，以LHAZ和6個C級GPS點作為檢查點。網(wǎng)平差計算時，首先對求解的LHAZ站三維空間直角坐標進行檢核（表1），合格后再計算6個C級GPS點的CGCS2000高斯平面直角坐標。對比數(shù)據(jù)如表2所示。由表1可知，CosaGPS軟件解算得到的坐標與已知值的較差不超過1 cm，說明三維向量網(wǎng)平差結(jié)果精度較高，可進行下一步工作。由表2可知，通過歷元框架、坐標轉(zhuǎn)換求得的CGCS2000坐標成果點位誤差最大為1.9 cm、最小為3 mm，外符合精度為1.5 cm，說明解算成果與原有成果符合度較好，精度較高。

表1 LHAZ站三維空間直角坐標解算成果比較表

表2 GPS點CGCS2000解算成果比較表/m

GPS點正常高是基于EGM2008模型采用常數(shù)模型擬合的方式獲取的，該測區(qū)跨度約為50 km，選取中央點C05作為已知高程點，計算得到另外5個GPS點的正常高，對比數(shù)據(jù)如表3所示，可以看出，高程擬合誤差最大為5.9 cm、最小為-5 mm，外符合精度為3.8 cm，C級GPS點間距平均約為10 km。按四等幾何水準的允許殘差±20L判斷，該方法得到的GPS擬合高程可達四等水準精度。

表3 GPS擬合高程比較表/m

6 結(jié)語

通過上述實驗數(shù)據(jù)可知，在測區(qū)控制點稀少或無已知控制點時，可基于全球連續(xù)運行基準站和IGS跟蹤站數(shù)據(jù)，利用GAMIT軟件進行長基線解算，利用CosaGPS軟件進行三維向量網(wǎng)平差；再通過歷元框架、坐標轉(zhuǎn)換精確求取待測點CGCS2000平面坐標；最后利用測區(qū)少量GPS/水準點和EGM2008模型進行似大地水準面精化，擬合得到待測點的正常高，高程精度可達厘米級，能滿足一般工程測量的需要。該方法突破了常規(guī)工程控制測量聯(lián)測已知點的瓶頸，大大縮短了工期，提高了工作效率，在精度滿足規(guī)范要求的前提下可直接獲取未知點CGCS2000平面坐標和高程，使測量方式多樣化，克服了工程控制測量在復雜環(huán)境下的難點，是一種行之有效的方法，為實際工程運用提供了新的解決思路。