GAMIT軟件的安裝及其在氣象學(xué)中的應(yīng)用

張 寧 胡 鵬 劉樹峰 蘇 軼

(濟南市氣象局，山東 濟南 250002)

GAMIT軟件的安裝及其在氣象學(xué)中的應(yīng)用

張 寧 胡 鵬 劉樹峰 蘇 軼

(濟南市氣象局，山東 濟南 250002)

GAMIT軟件是世界最優(yōu)秀的GPS數(shù)據(jù)處理與分析軟件之一，文中主要介紹了GAMIT的功能特點、安裝過程，及其簡化后的使用方法，并結(jié)合實例介紹了其在反演大氣可降水量中的應(yīng)用，希望給初學(xué)者提供參考。

GAMIT;linux;gps;對流層延遲;可降水量(pwv)

隨著GPS技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，大地測量已發(fā)生了革命性的變化，并在GPS氣象學(xué)等研究中得以廣泛應(yīng)用，精密解算GPS觀測數(shù)據(jù)的軟件也得以重視和發(fā)展，本文介紹的GAMIT就是其中的代表之一。GAMIT是美國麻省理工學(xué)院(MIT)與斯克里普斯海洋研究所(SIO)研制的GPS數(shù)據(jù)后處理與分析軟件。其特點是運算速度快、版本更新周期短以及在精度許可范圍內(nèi)自動化處理程度高等，且具有開源性，用戶可以根據(jù)需要對源程序修改，便于科研工作，因此在國內(nèi)外應(yīng)用相當廣泛，尤其是在免費開源的LINUX操作系統(tǒng)上。從GAMIT10.3版之后，GAMIT提供一種全新的EXE可執(zhí)行文件安裝模式，簡化了GAMIT軟件的安裝過程。本文介紹新版(10.34版)GAMIT的功能特點、安裝過程，并結(jié)合實例介紹其在氣象學(xué)中的應(yīng)用。

1 GAMIT軟件功能簡介

GAMIT軟件解算精度高、運算速度快、申請注冊并經(jīng)過MIT授權(quán)后可免費獲取使用。GAMIT軟件主要由以下幾個模塊組成:ARC(軌道積分)、MODEL(組成觀測方程)、SINCLN(單差自動修復(fù)周跳)、DBLCLN(雙差自動修復(fù)周跳)、CVIEW(人工交互式修復(fù)周跳)、CFMRG(用于創(chuàng)建SOLVE所需的M文件)、SOLVE(利用雙差觀測按最小二乘法求解參數(shù))。GAMIT軟件處理雙差觀測量，采用最小二乘算法進行參數(shù)估計，采用雙差觀測量的優(yōu)點是可以完全消除衛(wèi)星鐘差和接收機鐘差的影響，同時也可以明顯減弱諸如軌道誤差等系統(tǒng)性誤差的影響。GAMIT軟件主要功能和特點如下［1］:

(1)衛(wèi)星軌道和地球自轉(zhuǎn)參數(shù)估計;

(2)地面測站的相對定位計算;

(3)用模型改正各種地球物理效應(yīng)(極移、歲差、章動、潮汐等);

(4)對流層天頂延遲參數(shù)和大氣水平梯度參數(shù)估計;

(5)支持接收機天線相位中心的ELEV(隨衛(wèi)星高度角變化)模型改正(現(xiàn)在IGS推薦應(yīng)用絕對相位中心改正);

(6)可選觀測值等權(quán)、反比于基線長度或隨高度角定權(quán);

(7)同時提供載波相位整周模糊度分別為實數(shù)和整數(shù)的約束解及松弛解;

(8)數(shù)據(jù)編輯可人工干預(yù)(CVIEW)，也可自動處理(AUTCLN)。

2 GAMIT軟件的安裝和使用

2.1 操作系統(tǒng)的選擇

目前，GAMIT軟件設(shè)計基于支持X—Windows的UNIX系統(tǒng)，現(xiàn)發(fā)行的版本已測試通過的系統(tǒng)有Solaris 2.5—8，HP－UX 9，10.11，Digital Unix(OSF1 V4.0)，IRIX 6.4，Linux(RedHat 5.1—9.0，F(xiàn)edora Core 3—8，Mandrake，and Gentoo)，Mac OS X2—5。本文選擇使用其中的Linux Fedora Core 8操作系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)為DELL OPTIPLEX 755。

2.2 GAMIT軟件所需編譯器的安裝

Fedora Core 8系統(tǒng)的C和Fortran編譯器為GCC4.1版，該編譯器默認的文件選項中MAXUNIT為100，而GAMIT軟件源代碼中則要求MAXUNIT為10000。如果直接進行GAMIT軟件的安裝，雖能完成安裝，但安裝后將無法正常運行。故需要下載更高版本(4.2版以上)的編譯器，并對編譯器進行重新編譯和安裝。安裝GCC的步驟如下:從網(wǎng)站(http://gcc.gnu.org)下載GCC編譯器源代碼，拷貝至/usr/gcc目錄下，進入該目錄，用tar－xvfz命令將其解壓后，執(zhí)行make bootstrap和make install命令重新進行編譯和安裝GCC。

2.3 GAMIT的安裝

從麻省理工學(xué)院的FTP服務(wù)器(ftp://chandler.mit.edu)的/updates/s0urce目錄下，下載GAMIT安裝所需軟件包，其中包括安裝批處理文件install_software、更新批處理文件install_updates和下列以.tar或.tar.Z結(jié)尾的壓縮文件:

COM.10.34.tar.Z組件壓縮包

gamit.10.34.tar.Zgamit軟件壓縮包

help.10.34.tar.Z幫助系統(tǒng)壓縮包

lO.34.tar.Z kf軟件壓縮包

libraries.10.34.tar.Z庫文件壓縮包

maps.10.1.tar.Z地圖數(shù)據(jù)壓縮包

tables.10.34.tar.Z表文件壓縮包

example.10.34.tar示例文件壓縮包

然后在LINUX系統(tǒng)中創(chuàng)建/home/gps/gamit目錄，將上述GAMIT安裝文件拷貝至此。由于安裝文件都是以壓縮包的形式發(fā)布的，需要使用系統(tǒng)命令對其進行解壓，也可使用GAMIT提供的安裝腳本./install_software來解壓文件。

在安裝軟件前，要對安裝程序的配置文件libraries/ Makefile.config進行修改。與系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)置主要是庫文件和編譯器的路徑設(shè)置，在linux FC 8下設(shè)置的路徑為:

X11LIBPATH/usr/lib/X11

X11INCPATH/usr/include/X11

與GPS數(shù)據(jù)處理相關(guān)的幾個參數(shù)為:

MAXSIT最大測站數(shù)默認值55

MAXSAT最大衛(wèi)星數(shù)默認值32

MAXATM最大天頂延遲參數(shù)默認值13

MAXEPC最大歷元數(shù)默認值2880

以上幾個參數(shù)可根據(jù)實際研究需要作相應(yīng)的修改。由于需要近實時地獲得處理數(shù)據(jù)，須將MAXATM最大天頂延遲參數(shù)改為49。然后進入/home/gps/gamit目錄，運行命令./install_software，根據(jù)屏幕給出的提示給予回應(yīng)完成安裝。

2.4 配置GAMIT命令路徑

上述安裝過程完成之后，GAMIT軟件并不能正常運行，需對.cshrc文件進行配置。將路徑/home/gamit/com、/home/gamit/gamit/bin、/home/gamit/kf/bin，加入到LINUX的PATH中。這是因為在控制臺中運行程序時，使用bash shell，若不改寫c shell配置文件，會導(dǎo)致系統(tǒng)無法從路徑中調(diào)用到GAMIT的命令。另外將/home/gamit/ help也加入到.bashrc文件中，使GMAIT的幫助文件生效。保存對.bashrc文件的修改，重啟計算機，全部安裝過程完畢。

2.5 GAMIT簡化使用方法

數(shù)據(jù)處理使用GAMIT軟件提供的一個由c－shell寫成的自動批處理腳本程序sh_gamit。它將繁瑣的數(shù)據(jù)準備和處理工作集成化，整個數(shù)據(jù)處理只需輸入一條命令即可完成。sl1_gamit格式為:

Sh_gamit＜options＞

其中比較重要的參數(shù)有:

－expt四個字符的工程名(默認為:expt)

－d yr days yr和days是處理數(shù)據(jù)的年份和年積日，例如:2007 209 210－d yr dl d2 yr為年份，d1為開始年積13，d2為結(jié)束年積日，例如:2007 209 306

－orbit使用衛(wèi)星軌道類型(IGSP IGSRIGSF SIOP SIOR SIOF)(默認為:IGSF)

其他參數(shù)可參考sh_gamit幫助文件。

進入/home/gps/gamit目錄，鍵入命令:

Sh_gamit－expt expt－d 2007 209 210－orbit IGSF

sh_gamit自動進行的操作有:檢查目錄并自動創(chuàng)建;建立各種公共參數(shù)文件的鏈接;檢查文件并自動下載缺失文件;執(zhí)行單日GAMIT處理;輸出結(jié)果。

3 GAMIT軟件在氣象學(xué)中的應(yīng)用

3.1 GPS探測大氣可降水量的原理

水汽是一種重要的大氣成分，在大氣過程中扮演著重要角色。它的觀測對于天氣、氣候研究至關(guān)重要。地基GPS遙感大氣水汽技術(shù)是20世紀90年代發(fā)展起來的一種全新的大氣觀測手段。它利用地球表面靜止的GPS接收機接收GPS衛(wèi)星訊號，對地球大氣的水汽含量進行連續(xù)測量，以補充常規(guī)探空資料時間和空間密度上的不足。其基本原理為:綜合各種技術(shù)，得到精確站坐標和精密GPS衛(wèi)星軌道(由IGS分析中心解算出)，反求噪聲的大氣效應(yīng)(其中主要是濕大氣影響)，并作為氣象研究中的有用信號，與氣象參數(shù)相聯(lián)系，得到可降水量(氣候研究和天氣預(yù)報中很重要的參數(shù))。

GPS反演可降水量的過程如下:①計算對流層延遲，在載波相位觀測方程［2］中將對流層延遲作為未知參數(shù)，在解算結(jié)果中對流層延遲作為GPS處理結(jié)果的改正值得到;②分離出對流層濕延遲，根據(jù)測站大氣壓和測站位置坐標采用干延遲模型計算干延遲，對流層延遲與干延遲差值即為濕延遲;③計算可降水量，通過濕延遲與可降水量之間的函數(shù)關(guān)系可以求出可降水量。

在新版GAMIT軟件中帶有一個獨立的模塊sh_metutil。上述過程可由該模塊自動完成，并以表格形式輸出對流層總延遲、對流層濕延遲，可降水量，以及輸出結(jié)果的標準偏差。

3.2 結(jié)果分析

本文使用濟南GPS水汽反演系統(tǒng)，將GAMIT的解算結(jié)果和常規(guī)探空探測的可降水量結(jié)果做了對比分析。利用08年6、7月資料，對GPS水汽反演與探空方法得到的可降水量分析，連續(xù)一個月分析如圖1、圖2。

圖1 2008年6月GPS水汽反演結(jié)果與探空方法得到的可降水量分析

圖2 2008年7月GPS水汽反演結(jié)果與探空方法得到的可降水量分析

GPS可降水量數(shù)據(jù)密度為每小時，探空可降水量為每12小時，從上圖可以直觀的看出，兩者數(shù)據(jù)接近，發(fā)展趨勢一致，而且都周期性變化。兩種探測手段得到的可降水量在時間變化上具有良好的相關(guān)性，利用相似測度法進行分析，矢量之間的相似性采用它們的夾角余弦來度量，即角度相似系數(shù)。由得，角度相似系數(shù)為0.944 839。說明了濟南地區(qū)GPS網(wǎng)探測大氣可降水量的可靠性，反演系統(tǒng)的計算模型的可用性。

4 結(jié)論

GAMIT軟件是一款優(yōu)秀的GPS大型解算軟件，具有開源性等優(yōu)點，從而可以對參數(shù)和源程序進行設(shè)置、修改，十分適合科研應(yīng)用。但其安裝和使用也比較復(fù)雜，實際使用中還可能遇到各種各樣的問題，要想真正用好它需要不斷在實踐中摸索和總結(jié)。隨著GPS氣象學(xué)的發(fā)展，新版GAMIT軟件中加入了計算大氣可降水量的模塊，使得該軟件在氣象學(xué)中有了更進一步的應(yīng)用。

(編輯:于杰)

［1］馬洪濱，賀黎明.新版GAMIT軟件的功能特點與應(yīng)用實例分析［J］.礦山測量，2008，(4):36－39

［2］周忠謨，易杰軍，周琪.GPS衛(wèi)星測量原理與應(yīng)用［M］.北京:測繪出版社，1999:129－130.

AbstractGAMIT is an excellent software for the processing and analysis of GPS data.In this paper，the authors introduces the main funtons，and installing process on a PC and its applications in meteorology of GAMIT software to determine the precipitable water vapor of the atmosphere.

Key wordsGAMIT;linux;gps;tropospheric dclay;pracipitable water vapor

GAMIT Software’s Installing on PC and Its Application in Meteorology

ZHANG NingHU PengLIU Shu-fengSU Yi
(Jinan Meteorological Bureau，Jinan Shandong 250002，China)

X16

A

1002－2104(2010)05專－0238－03

2010-06-06

張寧，主要研究方向為氣象學(xué)。