不同ITRF框架下對GNSS數據處理的結果分析

楊文鋒

(信息工程大學導航與空天目標工程學院，河南 鄭州450052)

一、引 言

GNSS泛指所有的衛星導航系統，包括了GPS、GLNOSS、Galileo、BDS導航系統等，以及相關的增強系統，如美國的WAAS(廣域增強系統)、歐洲的EGNOS(歐洲靜地導航重疊系統)和中國的北斗地基增強系統。GNSS的出現不僅推動了定位、授時、導航技術的巨大發展，同時也給測繪行業帶來了前所未有的技術革新，推動了當今測繪信息獲取技術的巨大變革，特別是地球空間信息獲取技術的變革。

GNSS數據的處理對提高定位精度也越來越關鍵。而參考框架是GNSS數據處理的基礎，因此一個良好的參考框架對GNSS數據處理有著至關重要的作用。較好的坐標參考框架必須是全球統一、連續自洽、并得到不斷精化的框架，目前只有國際參考框架(ITRF)具有這些條件。當今常用的國際坐標參考框架有2001年的ITRF2000，2006年的ITRF2005和2007年的ITRF2008。同時在處理GNSS數據時，要盡量采用最新的ITRF參考框架，并及時把過去處理的結果轉換到最新的ITRF參考系中。

GNSS數據進行處理時，不同的軟件對GNSS數據處理的結果也有很大的差異。目前，國內外對GNSS數據處理的主流軟件有美國的GAMIT/GLOBK、瑞士的Bernese和武漢大學的PANDA等。使用這些軟件對GPS、SLR(激光測衛)、DORIS(多普勒定軌和無線電定位系統)等多類跟蹤數據進行處理，實現了GPS導航衛星和中低軌衛星的精密定軌;通過對地面跟蹤網數據進行處理，相對定位精度可達mm級;對全球GPS跟蹤網數據處理，GPS導航星座的精密定軌可達到3～4 cm精度以及時間同步精度優于0．5 ns;通過對星載GPS數據處理，低軌衛星精密軌道精度可達到6～8 cm;對地面的SLR數據進行處理可以實現LAGEOS等衛星厘米級精度的精密定軌。隨著GNSS技術的不斷發展，我國學者利用GAMIT/GLOBK和Bernese等軟件對GNSS數據處理作了大量的研究工作和一些大膽的嘗試與創新，取得了大量優異的成果。但是就總體而言，我國在高精度GNSS數據處理的研究成果與發達國家相比還有一定的差距。

本文利用GAMIT/GLOBK軟件對高精度的GNSS數據在不同的ITRF框架下的解算進行了試驗，并對不同參考框架下的結果進行了比較分析，得出了相應的結果。

二、ITRF國際地球參考框架

ITRF(International Terrestrial Reference Frame)地球參考框架是利用全球測站觀測資料成果推算所得到的地心坐標系統，是目前世界上精度最高、穩定性最好的參考框架，是一個空間直角坐標形式的坐標，同時給出了臺站的漂移速度，其坐標精度為毫米級甚至是厘米級的四維地心坐標參考框架。從20世紀80年代至今，IERS已發布了多個不同版本的ITRF，包括ITRF88-ITRF97，2000、2005、2008全球坐標參考框架。ITRF點位、速度的精度方面以及在科學性和完整性方面在的后一個版本都要優于前一個版本。

其中ITRF2000是供21世紀地球科學應用和地球參考系的標準坐標框架。ITRF2000的形成不僅使用了甚長基線測量(VLBI)、激光測月(LLR)、SLR、DORIS、GPS這些主要的核心站參與計算以外，還采用了阿拉斯加、南極、亞洲、歐洲、南北美洲和太平洋等地區的區域性GPS網進行加密。ITRF2000聯合平差單項解算成果時，常采用移去、松弛、最小約束等平差技術。

ITRF2005與以前的ITRF版本不同，ITRF2005是利用站點坐標和地球定向參數(EOP)的時間序列數據來建立的。從ITRF2005開始，以后的ITRF實現基于站坐標(VLBI)每天的站坐標，GPS、SLR和DORIS每周的站坐標)和EOP參數(極移、UT1、日長參數)的時間序列，最終目標是實現ICRF、ITRF、EOP等一系列完全融洽的產品。

ITRF2008同ITRF2000形成一樣，利用4個空間大地測量技術GPS、VLBI、SLR、和DORIS的不同年份觀測數據進行重新處理后的國際地球參考框架精化版，ITRF2008相比其他系列版本的ITRF，改善了臺站的位置、速度精度、定義參數，特別是原點和尺度都有所改善。

由于不同時期的ITRF框架之間4個基準分量的定義不同，因此ITRF框架之間存在較小的系統性差異，這些系統性差異可以用七參數表示，兩個框架之間的轉換公式為

三、GNSS數據處理軟件GAMIT/GLOBK

1．GAMIT/GLOBK軟件

GAMIT/GLOBK軟件是一套基于UNIX/LINUX操作系統下的用于高精度GNSS數據處理分析的開源軟件，它不僅精度高、功能強大，而且開放源代碼。當它采用精密星歷和高精度起算點時，其處理長基線和連續時段靜態定位相對精度可達10－8～10－9數量級，短基線的精度可達1～3 mm。解算時可以根據實際需要進行人工干預進行數據處理，如數據處理時的最大測站和衛星數目可在編譯時進行自行設定。它是目前國際上最優秀的GNSS定位和定軌數據處理分析軟件之一，在科學研究中得到了廣泛的應用。它的基本輸出文件是H-文件，GLOBK軟件利用GAMIT的基本輸出文件作為輸入文件進行解算，可估計出測站坐標、速度、衛星軌道參數以及地球定向參數等。GAMIT/GLOBK軟件的優點是數學模型準確、能夠自動化批處理、國際標準適應性、靈活的模塊化設計等。它包括5個核心模塊一些輔助模塊。如圖1所示。

圖1 GAMIT/GLOBK/GLOBK軟件結構圖

(1)核心模塊

ARC:軌道積分模塊，對衛星運動方程進行數值積分來確定衛星軌道;依據初始根數產生標準軌道，ARC程序會創建一個T文件，里面是慣性坐標系下衛星坐標及其相對于初軌的偏導數和其他一些調節參數。

MODEL:求偏導數，生成觀測方程創建一個包含觀測殘差OCS的C文件和用于SOLVE進行參數估計的部分派生文件。

AUTCLN:周跳探測修復模塊，自動修復周跳，AUTCLN能對一個甚至多個C文件運行來標記或者修復周跳，并對問題數據除權。在處理數據時還可選擇周跳修復模塊模式，即單站/雙站自動修復模塊和人工修復模塊。

SOLVE:利用雙差觀測值按最小二乘解算各參數的模塊。

CFMRG:SOLVE模塊創建觀測文件(M—file)，定義和選擇有關參數并確定最終解算數據以及參數的組織方式。

(2)輔助模塊

MAKEXP:數據準備部分的驅動程序，為后續處理生成文件。

MAKEJ:用于生成衛星鐘差文件。

MAKEX:將原始觀測數據格式(RINEX)轉換成GAMIT軟件所需的文件格式。

BCTOT(NGS．TOT):將星歷格式(RINEX、SP3、SP1)轉換成GAMIT軟件所需的文件格式。

FIXDRV:數據處理部分的驅動程序，生成批處理文件。

CTOX:將二進制C文件轉換成文本形式的X文件。

CLEAN:人工周跳剔除模塊。

Hl:天線高改正的相關模塊。

ORBITS:一些特殊用途的軌道分析模塊集，例如軌道比較、軌道轉化等。

TFORM:一些坐標轉化程序集。

UTILS:一些常用數據分析工具集。

其數據處理流程如圖2所示。

圖2 GAMIT/GLOBK/GLOBK軟件處理流程圖

2．GAMIT/GLOBK數據處理質量的評價標準

1)標準化均方差post_nrms是衡量單天解質量的重要指標之一，根據國內外利用GAMIT/GLOBK解算GNSS數據經驗，其值越小越好，最大不能超過0．3，若NRMS值太大，則需要重新檢查處理過程中的周跳是否完全修復。

2)參數的改正量小于等于其約束量的2倍。

3)當Choice of observable為LI-ONLY時，B1、Ll計算的整周模糊度必須是整數。

4)數據的噪聲水平是否與選用的模型匹配。

四、ITRF參考框架對GNSS數據處理與結果分析

本試驗數據處理均以中國IGS網的10個跟蹤站的數據為例，其中包括BJFS、CHAN、GUAO、LHAZ、KUNM、SHAO、TCMS、TNML、TWTF和URUM。用GAMIT/GLOBK/GLOBK軟件在ITRF00和ITRF05的框架下進行了上面數據的處理并對結果進行比較分析。同時將處理的結果通過GLOBK軟件轉換到ITRF2008框架下，然后進行結果分析與精度評定。

1．GNSS數據處理準備

在GNSS數據處理前，用戶需從IGS網站上下載和更新處理數據所需要的文件，包括測站先驗坐標文件(L-文件和vg-in文件)、廣播星歷文件、觀測數據O文件以及其他輔助文件等。GAMIT/GLOBK軟件處理數據時要求每個時段觀測數據的周期最長為1個UTC天，即從UTC的0點至24點(北京時間8:00—24:00)，原則上不要跨天作業。需要下載的數據包括:原始觀測．O文件、電離層．ION文件、導航．N文件、精密星歷．SP3文件、地球自轉參數信息．ERP文件、碼偏差．DCB文件、衛星鐘差．CLK文件、參考框架相關的參考基準．CRD文件和速度場．VEL文件、衛星參數．I0X文件、天線相位中心改正參數．I0X文件;此外還需要編輯測站信息文件．STA、測站板塊．PLD文件、測站縮寫．ABB文件、海潮．BLQ文件、所選站點參考坐標．FIX文件等等。以上IGS測站的地理位置、接收機和天線類型以及天線高(見表1)。

表1 示例數據測站的相關信息

2．GNSS數據處理

1)為了得到GAMIT/GLOBK軟件在不同ITRF框架下處理相同數據的差異，本次觀測數據為2013年年積日為275—279 d，測站為BJFS、CHAN、GUAO、LHAZ、KUNM、SHAO、TCMS、TNML、TWTF和URUM。每個站點的觀測數據都為2013年年積日為5(275—279)天的全天24 h觀測，數據質量完好。

2)查詢表文件ut1．的時間范圍，看處理的年積日是否在時間范圍內，如圖3所示。

3)利用批處理命令處理以上年積日的數據，獲得基線結算結果文件H-file(基線的松弛解)、O-file(約束解)和Q-file(過程記錄文件)。

圖3 處理時間圖范圍圖

3．數據處理結果分析

本次試驗在ITRF2000與ITRF2005框架下對中國部分IGS跟 蹤站(BJFS、CHAN、GUAO、LHAZ、KUNM、SHAO、TCMS、TNML、TWTF、URUM)的數據在GAMIT/GLOBK/GLOBK軟件下進行處理，所處理的觀測數據為2013年年積日為5 d(275—279)的數據。經過處理后在不同框架下的各天的基線向量解算的Prefit(驗前)和Postfit(驗后)均方根差如表2所示。

表2 解算均方根精度表

同時，GAMIT/GLOBK解算基線會提供GPS網中所有基線的解算結果，共(n(n－1))/2條基線，其中n為測站個數，本次試驗中，總共產生45條基線。以BJFS為例，在不同的ITRF框架下的基線結果如圖4所示。

同時經GLOBK軟件平差處理和轉換后得到的各站點3個坐標分量的如圖5所示。

圖4 ITRF00與ITRF05基線比較圖

圖5 坐標值X、Y、Z方向精度比較

五、結 論

本文通過對5 d GNSS數據在不同ITRF框架下用GAMIT/GLOBK軟件進行的數據處理得到的結果分析可知:

1)在不同參考框架下，其postfit_nrms項的值都小于0．3，符合GNSS數據處理精度的評價標準，解算結果正確，說明數據質量良好。

2)由以上數據處理結果分析可知在ITRF2000和ITRF2005框架下基線長度所受到的影響較小，其差值都在1 mm以內。由于測點之間的變形特征受基線長度的變化影響，而解算結果中不足1 mm的差異表明該變形信息受到參考框架的影響非常小，在精度要求不高時可以直接使用解算的結果。

3)ITRF2008、ITRF2005和ITRF2000框架下的測站坐標差均達到毫米級，符合高精度GNSS數據處理結果的精度評價標準。不同坐標系統框架對處理GNSS數據的結果都在毫米級范圍內，在一些精度要求不高的情況下，解算結果可以直接使用。

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