基于Bernese GPS軟件的GPS數(shù)據(jù)自動解算系統(tǒng)的研究

韓 菲，程傳錄，王小瑞

(國家測繪局大地測量數(shù)據(jù)處理中心，陜西西安710054)

基于Bernese GPS軟件的GPS數(shù)據(jù)自動解算系統(tǒng)的研究

韓 菲，程傳錄，王小瑞

(國家測繪局大地測量數(shù)據(jù)處理中心，陜西西安710054)

針對高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件操作的復雜性，研發(fā)出一套基于Bernese GPS的GPS站網(wǎng)數(shù)據(jù)自動處理系統(tǒng)AUTO-BGPS。簡單介紹Bernese5.0的數(shù)據(jù)處理原理，著重介紹其BPE功能，闡述AUTO-BGPS自動解算系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、功能模塊及數(shù)據(jù)處理過程。通過應用實例驗證該軟件的可用性。

Bernese5.0;BPE;自動處理;AUTO-BGPS;PPP;雙差

一、引 言

隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展，它在工程領(lǐng)域的應用越來越廣泛。GPS技術(shù)是一種相對復雜的應用性技術(shù)，它包括天文物理、地球科學等較廣范疇的知識，尤其是對于高精度的GPS數(shù)據(jù)處理，需要技術(shù)人員具備一定的專業(yè)知識。目前國際上比較成熟的高端GPS精密應用軟件有美國噴氣推進實驗室(JPL)的JIPSY-OASIS、瑞士伯爾尼大學(AIUB)的Bernese、美國麻省理工學院和美國斯克里普斯海洋地球研究所(MIT/SIO)的GAMIT/GLOBK等，這些軟件的特點之一就是數(shù)據(jù)處理模型復雜，對誤差改正的研究非常精細，適合于科學研究。正是這些原因，導致其在使用過程中，人機交互的內(nèi)容過多，處理過程不夠直觀，影響了它們在工程領(lǐng)域的應用。

在工程應用中，基于GPS中長基線數(shù)據(jù)，要求高精度、高可靠性的商業(yè)用戶越來越多，如高速鐵路的首級控制網(wǎng)——CP0的解算、國家高等級的GPS控制網(wǎng)的聯(lián)合解算、連續(xù)運行參考站網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)日常處理［1］等，這些工作都亟待一種如 GAMIT、Bernese這樣既適用于長基線、高精度計算又適合生產(chǎn)作業(yè)的軟件出現(xiàn)。

Bernese GPS軟件是由伯爾尼大學天文研究所開發(fā)的GPS高精度數(shù)據(jù)處理軟件［2-3］。該軟件的應用對象主要是科研人員、負責高精度GPS測量的機構(gòu)、負責連續(xù)運行站GPS接收機的機構(gòu)等［1，4］。它不僅是一套具有高精度的功能強大的GPS數(shù)據(jù)處理軟件，而且其高度模塊化的軟件結(jié)構(gòu)以及開放的源代碼，也為科研人員利用Bernese作進一步的研究提供了平臺［3］。

二、Bernese軟件概述

Bernese GPS以雙差處理為主，用雙差相位觀測進行高精度的測地應用。其核心程序語言是Fortran77，個別程序用Fortran90［5-6］。Bernese軟件的主程序大概有20個，核心程序塊有RXOBV3、PRETAB、ORBGEN等［5］，其數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

Bernese5.0數(shù)據(jù)處理步驟主要分為:數(shù)據(jù)準備，數(shù)據(jù)的預處理，數(shù)據(jù)處理，參數(shù)估計。

1)數(shù)據(jù)和必要文件的準備工作主要有:觀測數(shù)據(jù)和星歷數(shù)據(jù)的準備、觀測文件格式轉(zhuǎn)換、標準軌道文件的生成等。

2)數(shù)據(jù)的預處理主要完成對觀測數(shù)據(jù)的預處理工作，包括先驗坐標的生成、粗差探測、周跳探測和修復、單差文件的生成等。

3)參數(shù)估計，基于最小二乘估計實現(xiàn)對接收機鐘差、大氣層延遲、模糊度、基線、點位坐標(X，Y，Z)等參數(shù)的估計。

圖1 Bernese GPS軟件雙差數(shù)據(jù)處理流程

三、Bernese GPS軟件的BPE功能介紹

隨著全球越來越多的參考站網(wǎng)絡(luò)的建立，積累的大量待處理數(shù)據(jù)需要一個高度自動化的GPS數(shù)據(jù)處理軟件。BPE(Bernese processing engine)就是滿足GPS數(shù)據(jù)高度自動處理的獨立模塊［5］。

BPE是Bernese的自動處理模塊［3，5］，它是一個由程序、腳本文件、控制程序等組成的完整系統(tǒng)。BPE功能的實現(xiàn)依賴于程序塊、腳本文件和控制文件在自動模式下的有機結(jié)合。控制文件(process control script，PCS)是BPE的核心。它運行并且控制其他程序模塊，并且按照PCF文件里的順序來逐步地運行各個處理步驟，如圖2所示。

圖2 PCS(process control script)文件運行流程圖［2］

1)PCS是BPE的最外層腳本，它可以獨立運行。運行之前要首先指定好PCF文件，PCF文件告訴PCS腳本在本項目中需要做的工作、執(zhí)行的腳本文件、執(zhí)行順序等。當PCF中所有的腳本都運行完畢或者處理引擎在協(xié)議文件中發(fā)現(xiàn)錯誤時，PCS將完成處理。

2)PCF(process control file)文件定義了PCS將要執(zhí)行的腳本文件或處理的模塊。在PCF中列出了將要執(zhí)行的腳本以及這些腳本執(zhí)行的順序。并且在PCF中定義了一些處理過程中必須的全局變量，以保證對處理過程具有相似屬性的文件或參數(shù)采用一致的命名。

圖3是PCF文件的部分內(nèi)容，指定了BPE所要運行的批處理文件以及執(zhí)行順序。

圖3 PCF文件的基線形成和模糊度解算部分

四、自動處理系統(tǒng)AUTO-BGPS的實現(xiàn)

AUTO-BGPS系統(tǒng)的開發(fā)統(tǒng)一在 Visual Studio.NET 2005下進行，開發(fā)框架為FrameWork2.0。系統(tǒng)是針對GPS網(wǎng)絡(luò)平臺，集精密單點定位(precise point positioning，PPP)、GPS網(wǎng)絡(luò)基線解算和平差功能于一體的數(shù)據(jù)處理軟件。軟件的功能菜單和主界面如圖4所示。

圖4 軟件主要功能界面

系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)的自動化高精度處理，包括兩個部分:PPP和雙差數(shù)據(jù)處理。同時，作為GPS數(shù)據(jù)處理軟件，它附帶了GPS數(shù)據(jù)處理必須的工具，如格式轉(zhuǎn)換、框架轉(zhuǎn)換、坐標形式轉(zhuǎn)換等功能。以下具體介紹該系統(tǒng)的主要功能。

1.PPP模塊

1)通過非差模式來快速有效地獲得厘米級精度的點位坐標，該坐標也可以為雙差處理提供優(yōu)秀的先驗坐標。

2)PPP可以計算與相位觀測值相關(guān)的接收機鐘差值。

3)提取傳播路徑上的電子總量(TEC)信息，從而可以建立與站相關(guān)的或者區(qū)域的電離層模型［5］。

4)監(jiān)測點位隨時間的變化。

鑒于以上功能，PPP數(shù)據(jù)處理可以提供以下幾個結(jié)果:①法方程文件、站坐標、對流層參數(shù)估計、P1-P2/C1-P1之DCBs、站運動速度向量;② 總天頂延長(ZPD);③站鐘差;④單點定位坐標。

2.雙差定位模塊

雙差定位是Benrese軟件的核心，通過雙差可以實現(xiàn)高精度的測地應用。同時，也可以實現(xiàn)其他特殊的功能:①天頂延遲估計、太陽光壓估計、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)估計［5］;② 區(qū)域或者全球的對流層監(jiān)測［5］;③得到整個網(wǎng)解;④動態(tài)數(shù)據(jù)后處理。

3.數(shù)據(jù)處理的輔助功能

(1)ITRF框架轉(zhuǎn)換模塊

ITRF框架轉(zhuǎn)換是GPS數(shù)據(jù)處理常用到的工具，涉及SP3星歷框架轉(zhuǎn)換、GPS成果框架轉(zhuǎn)換等。考慮到坐標框架轉(zhuǎn)換參數(shù)跟參考時間相關(guān)，因此框架轉(zhuǎn)換采用14個參數(shù)轉(zhuǎn)換(即7個轉(zhuǎn)換參數(shù)加上7個轉(zhuǎn)換參數(shù)的速率)，實現(xiàn)了 ITRF2005、ITRF2000、ITRF97等框架間的逐級轉(zhuǎn)換。坐標形式均為(X，Y，Z)。ITRF2005轉(zhuǎn)換到ITRF2000、ITRF2000轉(zhuǎn)換到其他框架的14個轉(zhuǎn)換參數(shù)均為國際地球參考框架官方網(wǎng)站公布的整套參數(shù)。模塊界面如圖5所示。

圖5 ITRF框架轉(zhuǎn)換軟件

(2)(B，L，H)—(X，Y，Z)框架轉(zhuǎn)換模塊

坐標形式轉(zhuǎn)換基于2000國家大地坐標系使用的橢球參數(shù)，實現(xiàn)(B，L，H)與(X，Y，Z)的相互轉(zhuǎn)換。如圖6所示。

4.AUTO-BGPS系統(tǒng)工作流程

AUTO-BGPS系統(tǒng)工作流程為:①項目建立及屬性設(shè)置，用戶首先要建立項目，在此將設(shè)置項目的一些屬性，如項目名稱、文件目錄、測段長度等信息;②處理模式選擇;③準備文件，導入原始觀測文件、星歷文件、鐘文件等，根據(jù)不同的處理方式導入不同的文件;④運行后臺處理程序;⑤顯示處理結(jié)果。

圖6 (B，L，H)?(X，Y，Z)轉(zhuǎn)換軟件

系統(tǒng)在一旦被激活，將按照以下程序進行:①下載相關(guān)文件;②準備相關(guān)文件;③衛(wèi)星軌道生成;④觀測文件完整性檢測;⑤ 數(shù)據(jù)預處理(粗差探測，周跳探測和修復、模糊度解算);⑥ 數(shù)據(jù)處理(基線解算和平差、參數(shù)估計);⑦ 處理結(jié)果顯示(畫拓撲圖、基線和點位結(jié)果顯示等)。

基于以上幾個模塊，系統(tǒng)可以自動地完成數(shù)據(jù)的讀取，星歷文件和相關(guān)文件的下載、數(shù)據(jù)預處理和參數(shù)估計等數(shù)據(jù)流程，最終得到基線和點位坐標信息，并以圖形的形式顯示。

五、應用實例

本文結(jié)合歐洲國際IGS站的8個站:MATE、ONSA、VILL、PTBB、BRUS、FFMJ、ZIMM、ZIMJ，其中MATE、ONSA、VILL 3個站為IGS核心站，它們參加了IGS00框架的實現(xiàn)，十分穩(wěn)定。假設(shè) PTBB、BRUS、FFMJ、ZIMM、ZIMJ 5個站為參考站網(wǎng)絡(luò)，并用AUTO-BGPS軟件實現(xiàn)對該網(wǎng)絡(luò)參考站的監(jiān)測。

處理模式:以MATE、ONSA、VILL 3個站作為固定站，對其他5個站進行解算。選擇一周(2003-05-22—2003-05-29)的數(shù)據(jù)作為試驗數(shù)據(jù)，每個時段均為24 h。處理方式按照采用多時段連續(xù)處理，得到各參考站坐標(Xi，Yi，Zi)以及GPS網(wǎng)基線信息，運行結(jié)果如圖7所示。

用戶首先創(chuàng)建項目，一旦項目創(chuàng)建并開始運行，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將激活后臺處理模塊，自動到指定目錄下搜索該天數(shù)據(jù)，并按照該天的年積日，到指定網(wǎng)站下載相關(guān)數(shù)據(jù)，之后完成數(shù)據(jù)解算，并提取解算結(jié)果信息。在軟件主界面上可以看到部分參數(shù)的設(shè)置、GPS網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)圖和結(jié)果查詢窗口。用戶可以通過右上角的下拉框來查看相關(guān)結(jié)果內(nèi)容。

圖7 AUTO-BGPS數(shù)據(jù)自動解算系統(tǒng)運行界面

六、結(jié)束語

本文基于Bernese5.0的GPS數(shù)據(jù)自動處理系統(tǒng)AUTO-BGPS，實現(xiàn)了GPS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的無人值守的自動化處理。它可以自動下載與觀測數(shù)據(jù)相關(guān)的其他數(shù)據(jù)，然后按照選定模式實現(xiàn)自動解算，使繁瑣的人工手動處理轉(zhuǎn)換為自動化的無人操作的自動處理。

通過對試驗數(shù)據(jù)的解算，證明了AUTO-BGPS軟件在數(shù)據(jù)的自動解算中，其處理過程是流暢的，參數(shù)設(shè)置與數(shù)據(jù)處理模塊的交互是有效的，拓撲結(jié)構(gòu)圖的顯示比例及點位相對位置是合理的，數(shù)據(jù)解算結(jié)果也是準確的，同時其附帶的GPS數(shù)據(jù)處理工具運行也是正確的。該軟件可以準確完成對GPS數(shù)據(jù)的自動化處理，十分適合于GPS參考站網(wǎng)絡(luò)日常數(shù)據(jù)的準實時處理和參考站網(wǎng)絡(luò)的日常監(jiān)測，也適合于工程GPS控制網(wǎng)的自動解算。但是，軟件也存在一些不足之處，在以后的工作研究中將繼續(xù)改進。

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A Study of Automatic GPS Data Processing System Based on Bernese GPS Software

HAN Fei，CHENG Chuanlu，WANG Xiaorui

0494-0911(2011)11-0008-03

P228.4

B

2010-12-31

韓菲(1981—)，男，河南滎陽人，碩士，主要從事GPS數(shù)據(jù)處理及其理論研究。