基于廣播星歷的GAMIT基線解算方法及精度分析

高 旺,高成發,潘樹國,夏 炎,王勝利

(1.東南大學 交通學院，江蘇 南京 210096；2. 東南大學 儀器科學與工程學院，江蘇 南京 210096)

基于廣播星歷的GAMIT基線解算方法及精度分析

高 旺1,高成發1,潘樹國2,夏 炎1,王勝利2

(1.東南大學 交通學院，江蘇 南京 210096；2. 東南大學 儀器科學與工程學院，江蘇 南京 210096)

GAMIT解算過程中通常要求精密的軌道文件作為衛星位置基準，針對在實際工程應用中因精密星歷公布滯后或網絡等因素無法及時獲取IGS精密星歷產品的特殊情況，提出基于廣播星歷進行GAMIT基線解算的方法，并與使用IGS最終星歷的解算結果進行比較分析。實驗結果表明，在309 km范圍內，使用廣播星歷的坐標分量解算結果與使用IGS最終星歷相比差值優于10-8數量級，可以滿足常規的工程應用需求。

GAMIT；廣播星歷；GPS；基線解算；IGS

GPS精密測地技術的發展和應用使大地測量發生了革命性的變化,很多精密數據處理軟件也隨之產生,GAMIT/GLOBK(以下簡稱GAMIT)便是其中最具代表性的一種[1-2]。它是由美國麻省理工學院(MIT)與斯克里普斯海洋研究所(SIO)共同研制開發，因其處理精度高、運算速度快、版本更新周期短、自動化處理程度高以及對科研院所免費開源等特點而被國內外公認為優秀的GPS后處理軟件之一[3-5]。GAMIT基于最小二乘算法，考慮了潮汐、大氣、章動極移等多項改正，并將測站的相對位置、軌道和地球自轉參數以及天頂對流層延遲等諸多參數一起反復迭代平差估計，因而可以獲得高精度的基線解算結果[6]。

在使用GAMIT進行高精度基線解算之前需要準備諸多準備文件，如觀測數據文件、精密軌道文件、廣播星歷文件以及極移表、章動表、跳秒表等[7-9]。其中，衛星軌道精度是影響基線解算效果的重要因素之一[10]。因此，使用GAMIT進行高精度GPS基線解算時，通常采用IGS數據處理中心加權給出的事后IGS最終精密星歷。對于衛星軌道的處理，通常采用GAMIT解算控制文件中給出的兩種處理模式—固定軌道模式和松弛軌道模式[11]。使用固定軌道模式時，GAMIT的軌道積分模塊會根據給定的衛星軌道文件和力模型參數用數值積分方法生成軌道文件，形成觀測方程之后即認為積分生成的軌道文件為衛星軌道真值不再進行改正。使用松弛軌道模式時，在形成觀測方程之后，會在一定的約束條件下將軌道以及力模型參數與基線向量、天頂對流層延遲等參數聯合平差求解。無論是使用固定軌道還是松弛軌道模式，用戶提供的初始軌道精度對解算的精度都有重要影響，當初始軌道誤差過大時，即使是采用松弛軌道模式也會因解算模型和約束條件限制而無法對軌道進行有效改正。

IGS最終精密星歷的公布時延約為12～18 d，無法滿足特定情況下要求較短時間區間(如觀測后12 d內)內使用GAMIT進行高精度GPS基線解算的需求。此外在實際工程應用過程中，有時可能會因為網絡等條件的限制無法及時獲取IGS其它星歷產品而影響GAMIT解算。針對上述問題并顧及廣播星歷可隨接收機實時獲取的特點，本文提出了使用廣播星歷進行GAMIT基線解算的方法，并將解算的結果與使用IGS最終星歷的解算結果進行對比分析，驗證了特定情況下使用廣播星歷進行GAMIT基線解算的可行性。

1 利用廣播星歷生成GAMIT軌道文件的方法

GAMIT軟件默認識別的軌道文件為SP3格式，所以在使用廣播星歷進行GAMIT基線解算之前，需要對廣播星歷進行一定的處理，形成SP3格式文件。GPS廣播星歷為衛星實時播發，軌道參數每兩小時更新一次。IGS中心提供的SP3軌道文件采樣間隔為15 min，所以需要通過計算將廣播星歷文件轉化為15 min采樣間隔的文件。利用廣播星歷生成GAMIT軌道文件的具體計算步驟描述如下：

1)收集接收機接收到的廣播星歷文件。

2)建立衛星號(1～32)循環。

3)在衛星號循環下建立時間序列循環，以15 min為步長。

4)在衛星號和時間序列循環下按文獻[12]依次計算衛星坐標，按照IGS最終星歷格式以km為單位，保留6位小數，若無法匹配到對應的星歷參數，則認為該節點衛星坐標計算失敗。此外，使用廣播星歷中提供的衛星鐘偏差、漂移及漂移速度計算每顆衛星的衛星鐘差值，同時由于GAMIT讀取SP3文件格式的需要，要給出每顆衛星X，Y，Z3個坐標及衛星鐘差值計算的中誤差。由于使用廣播星歷計算衛星坐標和衛星鐘差不涉及平差過程，不產生中誤差指標，可仿照IGS最終星歷的中誤差水平給出大致值。

5)判斷每顆衛星在計算區間內是否每個時間節點都計算成功，若不是，則在新生成的SP3文件中不使用該衛星。

6)按IGS最終星歷格式生成頭文件，并判斷頭文件中的起止時間、衛星列表與文件內容是否一致。

需要注意的是，當觀測時間較長時，由于觀測站對一顆衛星的連續觀測時間長度小于整個觀測時間的長度，在計算衛星坐標時可能會出現外推時間過長的現象。如在某一觀測時刻沒有觀測到G01衛星，但為了保證星歷文件的完整性，仍然要計算G01衛星的坐標，就可能要外推到幾個小時之前或之后才能匹配到對應的星歷參數，求解出來的衛星坐標可能具有較大的誤差，但由于解算過程中對應此時刻的該衛星不參與解算，所以也就不會影響解算的效果。

2 基于廣播星歷的GAMIT基線解算分析

本文采用2012年12月31日美國西海岸6個CORS站觀測數據進行GAMIT解算實驗，站點分布如圖1所示，6個站點共組成15條基線，基線長度從40.26 km到309.28 km不等(見表1)。

圖1 GAMIT解算實驗使用的美國CORS站點圖

分別使用IGS最終星歷以及1中廣播星歷生成的星歷文件(以下簡稱廣播星歷)進行單天解算，并且將GAMIT解算參數控制文件中“Choice of Experiment”設置為固定軌道以及松弛軌道兩種模式分別解算，解算結果均以對應模式下使用IGS最終星歷的解算結果為參考基準，將使用廣播星歷的計算結果坐標分量與使用IGS最終星歷的結果求一次差進行比較。GAMIT的解算結果可查看o文件，其中單時段解算出的標準化均方根殘差(nrms值)是衡量GAMIT解算結果質量的一個重要指標[13]。一般說來，nrms值越小，基線估算精度越高，反之，則精度較低。通常比較理想的nrms值應小于0.25，如果該值大于0.5就意味著處理過程中未除去大的周跳或某一參數的解算存在很大偏差，或者解算模型設定有誤[1]。

兩種模式下使用IGS最終星歷解算結果比較如圖2所示，其它星歷與IGS最終星歷解算結果的比較如圖3、圖4所示，每種解算結果的驗后標準化均方根殘差(nrms值)情況如表2所示。需要說明的是GAMIT基線解算結果只保留到0.1 mm位，所以圖中結果均以0.1 mm為最小比較單位。

圖2 軌道固定解與軌道松弛解解算結果差值

圖3 固定軌道模式下使用廣播星歷與IGS最終星歷解算結果比較

圖4 松弛軌道模式下使用廣播星歷與IGS最終星歷解算結果比較

從圖2可以看出，使用固定軌道與松弛軌道兩種模式解算結果在基線長度小于100 km時坐標分量差值在±1 mm之內，基線長度達到300 km時，兩者之間的差值也僅為2 mm左右，相對精度差值優于10-9數量級，可認為兩種解算模式在300 km基線范圍內無明顯區別。但同時應該看到，隨著基線的增長，兩種模式解算結果之間差值有不斷變大的趨勢，所以使用GAMIT進行超長基線(如IGS站之間組成的基線)解算時需要慎重選擇軌道的解算模式。

表2 GMAIT解算結果驗后nrms值

從圖3可見在基線長度100 km范圍內，使用廣播星歷相比使用IGS最終星歷的解算結果的坐標分量偏差均小于5 mm。同時可以看出隨著基線長度的增加，固定廣播星歷軌道的解算結果與IGS最終星歷解算結果之間的差值呈逐漸變大的趨勢，說明在軌道固定模式下軌道誤差會隨著基線長度的增加對基線解算結果造成更大的影響。在基線長度達到309 km時，坐標分量偏差最大達到約13 mm，顧及309 km的基線長度，相對精度也能達到10-8數量級。同時從表2中可以看出，固定軌道模式下使用廣播星歷與精密星歷解算結果的nrms值也無明顯區別且都小于0.2，解算效果良好。

從圖4可以看出在309 km的基線長度范圍內，使用軌道松弛模式解算的坐標分量結果與IGS最終星歷解算結果間的差值均在±8 mm之內，相對偏差基本優于10-8數量級。同時可以看出坐標的偏差與基線長度的相關性也沒有固定軌道模式明顯，說明在松弛軌道模式下對軌道誤差的抵抗和改正能力更強，這是因為在軌道松弛模式下，衛星軌道在一定范圍內同基線坐標一同被平差估計，對于較小的軌道偏差，GAMIT有調整適應的能力。從表2中也可以看出松弛軌道下使用廣播星歷解算nrms值與IGS精密軌道的計算結果也無明顯區別，解算效果良好。但需要注意的是當軌道誤差過大或者基線過長時，軌道誤差對解算結果的影響可能就會超出GAMIT對軌道的改正能力范圍，就會對解算精度帶來較大的影響。

3 結 論

本文在介紹GAMIT基線解算軟件的特點基礎上，詳細介紹了使用廣播星歷生成GAMIT解算所需軌道文件的方法，并通過一組長度從40～309 km不等的基線數據分固定軌道和松弛軌道兩種模式進行實驗，分析和驗證了使用廣播星歷進行GAMIT基線解算的可行性，得出以下結論：

1)在基線長度100 km范圍內，使用廣播星歷相比使用IGS最終精密星歷解算的基線坐標分量偏差在±5 mm內；在基線長度309 km范圍內，相對偏差優于10-8數量級，在某些無法獲取精密星歷的特定情況下可以作為軌道產品進行高精度基線解算。

2)使用松弛軌道模式相比固定軌道模式對軌道誤差的抵抗和調整能力較強，在基線較長且使用廣播星歷作為軌道產品時，建議使用軌道松弛模式進行GAMIT解算。

[1]趙建三,楊創,聞德保.利用GAMIT進行高精度GPS基線解算的方法及精度分析[J].測繪通報,2011(8):5-8.

[2]徐杰,孟黎,唐詩華.GAMIT/GLOBK批處理在高精度海量數據處理中的應用[J].測繪科學,2008,33(6):187-188.

[3]張雙成,曹海洋,高涵,等.基于GAMIT的GPS短基線解類型分析及應用[J].測繪通報,2011(10):27-29.

[4]王超,郭際明,周命端,等.高精度GPS數據處理中GAMIT批處理方法與實現[J].測繪信息與工程,2012,37(2):10-12.

[5]賈偉,潘元進,何美琳,等.基于GAMIT軟件的對流層延遲量解算分析[J]. 地理空間信息,2013,11(1):46-48.

[6]蘭孝奇, 葛恒年, 李迎春. GPS 城市地殼變形監測網的數據處理及精度分析[J]. 測繪工程, 2005, 14(4): 27-29.

[7]HERRING T A, KING R W, MCCLUSKY S C. GAMIT Reference Manual-Release 10.3[J]. Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences Massachussetts Institute of Technology, http, 2006.

[8]HERRING T A, KING R W, MCCLUSKY S C. Introduction to GAMIT/GLOBK[J]. Mass. Inst. of Technol., Cambridge, Mass, 2008.

[9]薛慧艷,獨知行,李勝春,等.基于GAMIT的IGS跟蹤站網基線解算[J].全球定位系統,2012,37(1):32-34.

[10]程寶銀,陳義.應用GAMIT進行高精度GPS基線數據處理[J].現代測繪,2009,32(2):46-48.

[11]包晗,邰賀.應用GAMIT-GLOBK軟件進行高精度GPS控制網解算[J].全球定位系統,2012,37(4):80-82.

[12]黃丁發,熊永良,袁果林.全球定位系統(GPS)——理論與實踐[M].成都：西南交通大學出版社,2006:45-47.

[13]黃功文,王斌,王延偉.高精度GPS控制網基線重復性檢驗與質量分析[J].測繪通報,2011(7):9-11.

[責任編輯：劉文霞]

The GAMIT baseline-solution method based on broadcast ephemeris and precision analysis

GAO Wang1, GAO Cheng-fa1, PAN Shu-guo2, XIA Yan1, WANG Sheng-li2

(1.School of Transportation,Southeast University, Nanjing 210096,China; 2.School of Instrument Science and Engineering,Southeast University, Nanjing 210096, China)

GAMIT calculation process usually requires the precise orbit data as the satellite position reference. Focused on the specific situations that the IGS precise ephemeris products cannot be gotten timely due to the released delay of precise ephemeris or the network factor and other factors in practical engineering applications, the GAMIT baseline calculation method based on broadcasting ephemeris is put forward. And the results calculated from the method are compared with the results based on IGS final ephemeris. Experimental results show that within 309 km the coordinate components calculated from the presented method is better than 10-8magnitude compared with the results based on IGS final ephemeris. So it can meet the needs of conventional engineering applications.

GAMIT; broadcasting ephemeris; GPS; baseline calculation; IGS

2013-09-29

國家自然科學基金資助項目(41074021)

高 旺(1989-)，男，碩士研究生.

P228

：A

：1006-7949(2014)08-0054-04