基于BERNESE的高精度GPS定位解算

陳飛虎

【摘 要】隨著GPS測量技術(shù)的發(fā)展，教學(xué)、科研及相關(guān)測量事業(yè)對(duì)GPS測量的精度提出了更高的要求，GPS高精度解算軟件也越來越受到重視和發(fā)展。本文利用BERNESE軟件進(jìn)行高精度GPS的定位解算，得到軟件對(duì)高精度GPS解算軟件解算流程、注意事項(xiàng)、解算原理等問題，并且得到高精度的解算值。

【關(guān)鍵詞】高精度；BERNESE軟件；解算

GPS技術(shù)發(fā)展迅速，如今已深入到了生活的很多方面 [1]。隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)GPS測量的精度提出了更高的要求，于是GPS數(shù)據(jù)的精密處理技術(shù)也有了更高的要求。

目前世界上有4個(gè)廣泛用于科研及其生產(chǎn)實(shí)際的高精GPS數(shù)據(jù)處理軟件，分別是： GAMIT軟件、 GIPSY軟件、BERNESE軟件、EPOS軟件[2]。其中比較常用的兩個(gè)為BERNESE軟件和GAMIT軟件。本文利用IGS網(wǎng)中8個(gè)GPS跟蹤站的數(shù)據(jù)，應(yīng)用BERNESE軟件對(duì)其進(jìn)行解算，進(jìn)而得到軟件對(duì)高精度GPS解算軟件解算流程、注意事項(xiàng)、解算原理等問題，得到高精度的解算值。

1 BERNESE軟件概述

BERNESE軟件是瑞士伯爾尼大學(xué)人文研究所研究開發(fā)的高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件， 該軟件同時(shí)還能處理GLONASS ， SLR數(shù)據(jù)[3]。BERNESE軟件功能主要有：估計(jì)衛(wèi)星狀態(tài)矢量（衛(wèi)星的坐標(biāo)和速度），即可進(jìn)行精密定軌；估計(jì)地球自轉(zhuǎn)參數(shù)；估計(jì)太陽光壓參數(shù)；利用非差進(jìn)行精密單點(diǎn)定位和星鐘及站鐘參數(shù)估計(jì)；進(jìn)行大氣和氣象應(yīng)用和研究，估計(jì)對(duì)流層天頂延遲；同時(shí)處理GPS數(shù)據(jù)和GLONASS數(shù)據(jù)，還可以處理SLR數(shù)據(jù)；進(jìn)行Y方向偏差估計(jì)；測站坐標(biāo)的確定等。BERNESE軟件以最穩(wěn)定的測站作主差，可以單獨(dú)進(jìn)行精密軌道的生成并可以轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)軌道 ，可以估計(jì)9個(gè)太陽光壓參數(shù)、 估計(jì)對(duì)流層天頂延遲 ，可以處理GPS數(shù)據(jù)、GLONASS 數(shù)據(jù)、GPS 和GLONASS 混合數(shù)據(jù)、SLR數(shù)據(jù)[4]。

2 BERNESE軟件解算步驟

2.1 數(shù)據(jù)介紹

BERNESE軟件示例項(xiàng)目中的數(shù)據(jù)為IGS網(wǎng)中8個(gè)GPS跟蹤站的數(shù)據(jù)。 其中有三個(gè)站（MATE， ONSA， VILL）是IGS的核心站。相鄰測站間距離在300和1200公里之間，但是有兩個(gè)測站相距非常近（ZIMM和ZIMJ都位于Zimmer Wald，相距14m）。

每個(gè)測站有四天的數(shù)據(jù)。分別是2015年年積日為143和144的兩天，2016年年積日為138和139的兩天。

2.2 項(xiàng)目設(shè)置

在BERNESE軟件中，通過項(xiàng)目（campaign）來管理所有的數(shù)據(jù)。每個(gè)項(xiàng)目都有自己的目錄和子目錄，子目錄存放著跟項(xiàng)目有關(guān)的不同類型數(shù)據(jù)。除此之外，還有一個(gè)${X}/GEN目錄，下面存放的數(shù)據(jù)對(duì)于所有的項(xiàng)目是共有的。

在開始處理數(shù)據(jù)之前，先設(shè)置好項(xiàng)目，包括定義項(xiàng)目，創(chuàng)建項(xiàng)目子目錄，相關(guān)數(shù)據(jù)需拷貝進(jìn)子目錄，然后設(shè)定好跟項(xiàng)目有關(guān)的基本信息等等。

2.3 輸入觀測數(shù)據(jù)

設(shè)置好項(xiàng)目和準(zhǔn)備好需要的文件后，第一步計(jì)算就是將觀測數(shù)據(jù)由RINEX格式轉(zhuǎn)換為Bernese二進(jìn)制格式。程序會(huì)在目錄${P}/INTRO/RAW中生成結(jié)果輸出文件RXO02143.OUT，文件里輸出了很多信息，最主要的就是檢查每個(gè)數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換后的歷元數(shù)從而判斷格式轉(zhuǎn)換是否正確完成了。

2.4 生成軌道數(shù)據(jù)文件

在計(jì)算軌道時(shí)，除了需要精密星歷文件外，還需要相應(yīng)的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)文件。IGS服務(wù)組織提供了以天為單位的星歷和以周為單位的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)。利用BERNESE軟件計(jì)算時(shí)，需要先將IERS/IGS標(biāo)準(zhǔn)格式的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)文件。

在ORBGEN輸出結(jié)果文件中，最重要的信息就是每顆衛(wèi)星的RMS值。如果計(jì)算時(shí)使用的精密星歷和地球自轉(zhuǎn)參數(shù)是協(xié)調(diào)一致的，它們應(yīng)該不超過1～2厘米。實(shí)際上，RMS值跟使用的星歷精度，星歷和EOP信息的一致性，計(jì)算時(shí)選用的軌道模型都有關(guān)系。

2.5 數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.5.1 接收機(jī)鐘同步

數(shù)據(jù)預(yù)處理的第一個(gè)程序是CODSPP，它的主要任務(wù)是計(jì)算接收機(jī)鐘差改正，同時(shí)，CODSPP還可以用偽距觀測值估計(jì)坐標(biāo)。

2.5.2 生成基線

第二個(gè)程序是SNGDIF，通過它從而創(chuàng)建單差文件。需注意的是，在BERNESE軟件中，除非手工選擇生成基線，由軟件根據(jù)一定原則自動(dòng)生成的單差基線相互間都是獨(dú)立的。我們選擇以觀測數(shù)最多（OBS-MAX）為原則來生成單差相位觀測值文件。SNGDIF的輸出結(jié)果會(huì)列出所有的非差文件以及創(chuàng)建的單差文件。

2.5.3 基線預(yù)處理

第三個(gè)程序是MAUPRP，它的主要任務(wù)是周跳探測與修復(fù)。MAUPRP的輸出結(jié)果有很多信息，最重要的一條是應(yīng)查看三差解的結(jié)果。

2.6 參數(shù)估計(jì)

2.6.1 初始基線解

程序GPSEST的主要任務(wù)就是求基線的最小二乘解。不過最好的方式是，先對(duì)整個(gè)時(shí)段使用GPSEST求得一個(gè)初始解，也就是常說的整周模糊度浮動(dòng)解。雖然不把這個(gè)解當(dāng)作最終的結(jié)果，但是可以通過分析解的殘差以檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量，剔除粗差觀測值。在GPSEST的輸出結(jié)果中，會(huì)回顧所有選擇的參數(shù)，對(duì)輸入數(shù)據(jù)作簡單統(tǒng)計(jì)，并給出參數(shù)估計(jì)結(jié)果。最重要的信息就是驗(yàn)后RMS值。

2.6.2 剔除粗差觀測值

根據(jù)得到的二進(jìn)制殘差文件，利用程序RESRMS對(duì)殘差作一個(gè)自動(dòng)處理。RESRMS會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量過濾，生成很重要的一個(gè)文件——編輯信息文件，然后再根據(jù)這個(gè)文件利用程序SATMRK將粗差觀測值標(biāo)記出來。

2.6.3 求浮動(dòng)解

當(dāng)剔除了粗差觀測值后，我們可以先使用消去電離層影響的觀測值（L3）先產(chǎn)生一個(gè)整周模糊度浮動(dòng)解。

2.6.4 確定整周模糊度

接下來我們使用QIF方法來對(duì)每條基線求解其整周模糊度。一般是每條基線運(yùn)行GPSEST一次，因?yàn)樵诿織l基線的解算過程中，要求解的參數(shù)特別多。

2.6.5 基線最終解

當(dāng)對(duì)所有基線進(jìn)行了整周模糊度解算這一步后，接下來使用GPSEST對(duì)整個(gè)時(shí)段求基線最終解，并生成法方程文件。

2.7 多時(shí)段綜合解

對(duì)年積日為144的時(shí)段，按照前面的解算過程都運(yùn)行了一遍之后，在目錄中將相應(yīng)得到2個(gè)法方程文件：FIX02143.NQ0，F(xiàn)IX02144.NQ0利用這四個(gè)時(shí)段的法方程，使用程序ADDNEQ2可以先對(duì)2016年的兩個(gè)時(shí)段解求出一個(gè)最終解。

3 結(jié)束語

BERNESE軟件作為高精度GPS的解算軟件，特別適用于科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)研究，高校進(jìn)行教學(xué)工作和各測量相關(guān)單位實(shí)施高精度GPS測量， 處理GPS連續(xù)跟蹤運(yùn)行網(wǎng)數(shù)據(jù)等。這個(gè)軟件的連續(xù)性比較強(qiáng)，如果中間的某一步出現(xiàn)了錯(cuò)誤，那么接下來的步驟將無法進(jìn)行。另外，該軟件對(duì)于數(shù)據(jù)的要求比較高，一些不合格的數(shù)據(jù)將無法導(dǎo)入。如果項(xiàng)目里的數(shù)據(jù)格式不是很規(guī)范或者文件頭信息和測站信息文件不是很吻合，程序會(huì)出現(xiàn)警告甚至錯(cuò)誤信息。在進(jìn)行基線解算時(shí)，一般是每條基線運(yùn)行GPSEST一次，因?yàn)樵诿織l基線的解算過程中，要求解的參數(shù)特別多。如果是整個(gè)時(shí)段所有基線一起解算，那么對(duì)機(jī)器的CPU和內(nèi)存則要求很高。

【參考文獻(xiàn)】

[1]徐紹銓，張華海，楊志強(qiáng)，等.GPS測量原理及應(yīng)用[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2001.

[2]郭英.基于BERNESE V4.2軟件的GPS 動(dòng)態(tài)定位研究[D].青島：山東科技大學(xué)碩士論文，2004.

[3]周利，匡翠林.Bernese高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件介紹及其應(yīng)用實(shí)例[J].測繪與空間地理信息，2007，30（5）：110-116.

[5]陳憲東. GPS精密定位軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].西安科技大學(xué)，2007.

[責(zé)任編輯：張濤]