基于GAMIT和COSAGPS軟件的GNSS控制網數據處理

劉明波,申恩昌

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

GAMIT軟件是由美國麻省理工學院(MIT)和美國加利福尼亞大學SCRIPPS海洋研究所(SIO)共同研制的用于定位和定軌的GNSS數據分析軟件包[1]。該軟件采用雙差觀測值解算，在利用精密星歷的情況下，基線解的相對精度能夠達到10-9左右，是世界上最優秀的GNSS軟件之一[2]。

COSAGPS即“GPS工程測量控制網通用平差軟件包”，能讀取各種GNSS數據處理軟件的基線解文件，具有基線質量檢驗、三維向量網平差、二維網聯合/約束平差、工程網(一點一方向)平差、高程擬合等功能[3]。

采用GAMIT基線解算和COSAGPS后處理的方法既能方便地按照中國GNSS相關標準進行基線質量評定，又能獲取正確可靠的點位成果。本文將以某工程C級網為例，介紹此方法的數據處理過程，并用TBC軟件處理結果對平面成果進行驗證。

1 GAMIT/COSAGPS數據處理流程

GAMIT軟件解算基線的主要步驟包括更新gamit/tables、準備觀測數據、修改關鍵的tables文件、數據處理、質量評估等階段[1，2，4]。現以2017年5月4日(DOY124，GPS Week 1947，Day of week 4，Decimal Year 2017.3370)某國產GNSS接收機施測的C級網為例加以說明。

(1) 更新gamit/tables

可從ftp://garner.ucsd.edu/archive/garner/gamit/tables更新leap.sec、luntab.2017.J2000、nutabl.2017、soltab.2017.J2000、pole.unso、ut1.unso,從ftp:// garner.ucsd.edu/archive/garner/gamit/setup更新svs_exclude.dat文件。

(2) 準備觀測數據

在工程目錄下新建文件夾“rinex”、“brdc”、“igs”，分別用于存放rinex-o文件、廣播星歷和精密星歷。

原始觀測文件標準化。將原始觀測文件轉換為標準RINEX文件，命名形式為sitedoyn.yyo，site為測站的4個字母標識名，且必須為小寫，doy為年積日，n為時段號，yy為兩位數年份。將量測天線高轉換為相位中心高度，根據rcvant.dat和GNSS接收機修改RINEX文件中的接收機類型、版本和天線類型。

可從ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps/data/daily/2017/124/17o下載BJFS、LHAZ、ULAB、URUM 等IGS站的觀測數據文件；從ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps/data/daily/2017/124/17n下載廣播星歷文件“brdc1240.17.Z”；從ftp://garner.ucsd.edu/archive/garner/products/1947下載最終精密星歷文件“igs19474.sp3.Z”。

(3) 修改關鍵的tables文件

在工程目錄下運行命令“sh_setup -yr 2017”,建立tables文件夾。在tables文件夾內修改關鍵文件內容，包括測站信息文件station.info、測站坐標控制文件sites.defaults、測段信息控制文件sestbl.、數據處理控制文件process.defaults、測站坐標文件lfile.。

(4) 數據處理

數據處理時采用集成式命令sh_gamit，采用最終精密星歷時輸入的命令為“sh_gamit-d 2017 124 -orbit IGSF”。

精密星歷文件第一行的“ORBIT IGS14”表明精密星歷軌道坐標系統為IGS14，它源于ITRF2014，故GAMIT解算的基線向量屬于ITRF2014。由于ITRF2014為ITRF2008的精化，兩者在2010.0歷元具有相同的坐標原點、尺度和定向[5]，可將GAMIT解算基線的坐標系統認定為ITRF2008當天歷元。

(5) 質量評估

標準化均方根誤差NRMS是衡量GAMIT基線解算結果的一個重要指標，NRMS體現在“oexpta.doy” 文件的Postfit nrms項。根據國內外GNSS數據處理經驗，其值一般小于0.3，若NRMS值太大，則說明數據處理過程中周跳可能未得到完全修復。

為便于COSAGPS讀取“oexpta.doy”文件中的基線信息，在文件中加入識別標志“COSAGPS FOR GAMIT O-FILE”[3]。

COSAGPS數據處理流程如下：① 打開/新建工程、設置工程參數；② 輸入三維已知坐標、二維已知坐標、一維高程；③ 分時段讀取同步基線、形成同步基線文件；④ 環閉合差檢驗、重復基線差檢驗；⑤ 在WGS84坐標系統下進行三維向量網平差；⑥在自定義坐標系統下進行二維聯合/約束平差；⑦ GPS高程擬合。

2 TBC數據處理流程

Trimble Business Center(TBC)是Trimble的新一代后處理軟件，不僅能夠處理GNSS(包含GPS和GLONASS)數據，還可以處理全站儀、水準儀、3D掃描儀數據，集成了功能強大的可視工具和建模工具，利用多種視圖全面反映數據信息，全新的處理算法保證其處理速度，并提供了靈活的處理配置方案[6-7]。

TBC軟件處理GNSS數據的過程如下：① 新建工程，設置項目屬性；② 導入觀測數據文件、編輯點名和天線高；③ 基線處理參數設置、基線解算；④ 在WGS84坐標系統下網平差；⑤ 更改坐標系統、添加已知數據、網平差；⑥ 成果輸出。

3 實例分析

圖1 C級GNSS網形圖

黃河上游某大型水電站庫區淤積測量項目的測圖面積約為403 km2，首級GNSS控制網設計為C級。C級網由10點組成，網形見圖1，其基線向量長度跨度為5.05～41.67 km。數據采集時投入了6臺南方銀河-1型GNSS接收機，數據采樣間隔為15 s，高度截止角為10°，同步觀測時間為4 h。采集時間為2017年5月4日和5日，觀測了4個時段，得到了23個觀測文件，重復設站率為2.3。

數據預處理時，在南方測繪GNSS數據處理軟件[8]中將觀測文件轉換為標準RINEX格式文件、將天線高換算至相位中心高，正確設置RINEX頭文件中的接收機和天線類型、點名。將編輯好的RINEX文件按時段存儲。

GAMIT軟件中按時段解算基線。基線解算的參數設置如下：采樣間隔15 s，高度截止角15°，基線解算方式LC_Help，星歷類型為最終精密星歷，lfile.中的坐標來自RINEX文件的頭文件。基線解算結果見oexpta.doy文件，4個時段的Postfit nrms分別為0.196、0.196、0.191、0.186，基線解算結果良好。在oexpta.doy文件中添加COSAGPS識別標志“COSAGPS FOR GAMIT O-FILE”。

將第1時段中的CHNS、WQKY和BJFS、LHAZ、ULAB、URAM等IGS站進行聯測，獲得了這兩點ITRF2008框架2017.3370歷元下的空間直角坐標，并將其作為COSAGPS中C級網三維向量網平差的已知數據。

COSAGPS軟件后處理時，設定的儀器誤差為5 mm+1 ppm，坐標系統為WGS84坐標系統；所有異步環閉合差和重復基線差在限差范圍內，三維向量網平差后的最弱點位中誤差為±8.4 mm、最弱邊長中誤差為1/3 029 000。將坐標系統更改為“北京54”，中央子午線經度102°，輸入CHNS和SZXB的平面坐標后進行二維約束平差，平差后的最弱點位中誤差為±2.3 mm，最弱邊長中誤差為1/5016 000。

為驗證結果的正確性，用TBC(V2.50)軟件進行了基線處理與網平差。TBC基線解算時的參數設置為：廣播星歷、固定解、雙頻(L1&L2)、采樣間隔15 s、高度截止角15°，網平差時的坐標系統、平差方法和起算數據和COSAGPS相同。2種方法得到的二維平差成果的比較情況見表1。

由表1可知，2種方法得到的成果互差最大值為8.6 mm，這充分驗證了GAMIT和COSAGPS軟件聯合處理結果的正確性。

表1 二維平差成果比較表

4 結 語

采用GAMIT和COSAGPS聯合處理GNSS數據具有以下優點：

(1) 能準確計算待測點ITRF2008框架當天歷元的空間直角坐標，可通過框架歷元綜合變換得到ITRF97框架2000.0歷元坐標，即2000國家大地坐標系坐標。

(2) COSAGPS能按照中國GNSS相關標準進行基線質量評定，能合理地進行點位精度評定。

本文用GAMIT和COSAGPS軟件聯合處理的方法對C級GNSS控制網進行了數據處理，獲取了各控制點ITRF2008歷元2017.3370下的空間直角坐標、北京54坐標系下的平面成果，并用TBC軟件對平面成果進行比較。從比較結果可知，GAMIT和COSAGPS軟件聯合數據處理方法得當、結果正確可靠，為項目后續工作提供了高精度的首級控制成果。