GAMIT/GLOBK在高精度長基線像控點(diǎn)解算中的應(yīng)用

楊德芳，丁開華，許 偉

(1.青海省遙感測繪院，青海 西寧 810001；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 地理與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

GAMIT/GLOBK組合平差解算方式，通過利用全球分布的IGS臺(tái)站觀測文件、GPS衛(wèi)星精密星歷、精密鐘差、對流層、電離層等各類改正模型可以獲取測站高精度的三維坐標(biāo)信息。其解算過程中采用IGS站作為已知控制站點(diǎn)，因此待解算測站點(diǎn)可以不考慮基線距離的限制、區(qū)域網(wǎng)站點(diǎn)間共模誤差的影響，可以直接實(shí)現(xiàn)待解算測站精密單點(diǎn)解算，大大解決了常規(guī)GPS測量依賴公共站點(diǎn)、短基線解算的缺點(diǎn)。

目前對于GAMIT/GLOBK解算方式的研究，紀(jì)海源通過GAMIT/GLOBK軟件對汾渭斷陷帶及鄰近地區(qū)2011—2013年的36個(gè)連續(xù)站和227個(gè)區(qū)域站GPS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[1]，其2次解算的GPS連續(xù)站水平方向平均點(diǎn)位誤差在2 mm左右，垂直分量平均點(diǎn)位誤差在5 mm左右，一般點(diǎn)位誤差的限差為5～10 mm.林超才利用GAMIT/GLOBK對四川地震監(jiān)測網(wǎng)CORS站及國內(nèi)部分IGS站2008年5月12日地震前后一段時(shí)間的觀測數(shù)據(jù)按照地震前及地震后分別進(jìn)行單日的基線解算[2]，并對基線解算結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)定和原因分析。劉宗強(qiáng)等對進(jìn)行陸態(tài)網(wǎng)解算時(shí)只需要加入北半球的IGS站就可使基線得到較好的U方向解算精度，陸態(tài)網(wǎng)選擇8個(gè)左右的IGS站較為合適[3]。高旺等實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對于中長基線，使用IGR或IGU星歷進(jìn)行GAMIT基線解算與使用IGS最終星歷解算的坐標(biāo)分量較差優(yōu)于10-9數(shù)量級(jí)[4]。楊登科等從L1_ONLY和L1L2_INDEPENDENT僅適用5 km以下基線向量解算，LC_HELP和LC_AUTCLN的解算效果相當(dāng)，LC_AUTCLN相對較好[5]。羅全等通過GAMIT軟件解算不同截止高度角條件下的基線結(jié)果，得出當(dāng)截止高度角取10°～15°時(shí)，基線解算結(jié)果最佳[6]。

由于上述優(yōu)勢，攝區(qū)像控點(diǎn)布設(shè)及施測南北基線跨度160 km，東西基線跨度135 km，點(diǎn)與點(diǎn)間基線跨度大，采用GAMIT/GLOBK組合平差模式長基線解算時(shí)必須考慮GPS長基線解算時(shí)對流層、電離層及地球曲率等因素的影響，通常情況下可以考慮2種解算模式。

第1種：測區(qū)待測點(diǎn)與覆蓋測區(qū)范圍CORS基準(zhǔn)站聯(lián)測，采用商用軟件進(jìn)行平差解算；

第2種：采用測區(qū)周邊均勻分布的全I(xiàn)GS站作為基準(zhǔn)站，利用GAMIT/GLOBK進(jìn)行長基線平差解算。

第1種模式必須依賴高精度CORS站作為控制點(diǎn)，如果CORS站無法覆蓋整個(gè)測區(qū)或是測區(qū)內(nèi)沒有有效的CORS站，則需聯(lián)測周邊已知控制點(diǎn)重新布設(shè)控制網(wǎng)進(jìn)行測量，這樣就增加了外業(yè)工作量及工作效率，第2種模式不受測區(qū)CORS站及已知控制點(diǎn)的制約，靈活采用全球分布的IGS站作為控制點(diǎn)，人員到達(dá)測區(qū)可直接開始靜態(tài)施測，無需考慮點(diǎn)間基線長短，點(diǎn)、邊連接等測量方法，就可以實(shí)現(xiàn)cm級(jí)的精度，文中測區(qū)站點(diǎn)及IGS測站分布情況及測站日觀測情況分別如圖1，2所示。

圖1 測區(qū)站點(diǎn)及IGS測站分布情況Fig.1 Distribution of survey stations and IGS stations

圖2 測站日觀測情況Fig.2 Daily observation of stations

1 GAMIT/GLOBK解算策略

1.1 GAMIT/GLOBK解算意義

由于青海省獨(dú)特的高原地理環(huán)境，目前建成的CORS站還不能覆蓋該省全境，如圖3所示，紅色圓形區(qū)域代表每一個(gè)CORS站所覆蓋的范圍，若要在CORS無覆蓋的測區(qū)范圍內(nèi)開展GPS測量工作，則存在重新布設(shè)基準(zhǔn)控制點(diǎn)及聯(lián)測問題[7]，此過程涉及大量人力物力支出問題，如果采用GAMIT/GLOBK解算方式，就可以解決測區(qū)無起算控制點(diǎn)的限制。

圖3 青海省CORS站覆蓋范圍Fig.3 Coverage area of CORS station in qinghai province

1.2 GAMIT/GLOBK表文件及平差解算

GAMIT/GLOBK在數(shù)據(jù)解算之前，首先要根據(jù)測站的觀測時(shí)間對“tables表文件”進(jìn)行配置，表文件主要包括系統(tǒng)自帶的表文件和待更新的表文件2類[8-9]。由于文中觀測數(shù)據(jù)是2017年，在處理之前分別對系統(tǒng)自帶的表文件，系統(tǒng)定期更新的表文件及GAMIT/GLOBK控制表文件進(jìn)行了更新，見表1，表2，表3.

1.2.1 系統(tǒng)自帶的主要表文件

系統(tǒng)自帶的主要表文件更新內(nèi)容包括：天線高及相位中心偏移模式參數(shù)，大地水準(zhǔn)面參數(shù)，海潮文件參數(shù)，周跳自動(dòng)探測和修改命令參數(shù)，P1-C1，P1-P2碼差等參數(shù)的更新。具體參數(shù)見表1.

1.2.2 GAMIT/GLOBK平差解算

分別采用分步處理與批處理方式進(jìn)行解算，具體解算流程如圖4所示。

表1 系統(tǒng)自帶的主要表文件

圖4 文中GAMIT/GLOBK解算流程及解算命令Fig.4 GAMIT/GLOBK solution process and solution command

1.2.3 系統(tǒng)定期更新的表文件

表2 系統(tǒng)定期更新的表文件

1.2.4 GAMIT/GLOBK控制文件

表3 GAMIT/GLOBK控制文件

2 GAMIT/GLOBK精度評(píng)定模型

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差NRMS精度評(píng)定

標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差NRMS值用來表示單時(shí)段解算出的基線值偏離其加權(quán)平均值的程度。NRMS值越小，基線解算的精度越高[10]，其計(jì)算公式如下

(1)

2.2 基線重復(fù)性

基線向量重復(fù)性和相對重復(fù)性[11-12]計(jì)算公式如下

Rl=

(2)

(3)

(4)

以基線重復(fù)性為觀測值，線性擬合求出重復(fù)性[13-14]常數(shù)部分和與邊長成比例的部分

R=(Rm-bLm)+

(5)

式中m為總基線數(shù);Rm為基線重復(fù)率算術(shù)平均值;Lm為基線長度算術(shù)平均值。

2.3 點(diǎn)位精度評(píng)定

對于測站GAMIT/GLOBK的坐標(biāo)解算精度采用均方根RMS值評(píng)定，公式如下

(6)

式中 Δi為第i個(gè)測站GAMIT/GLOBK解算結(jié)果;Δ為TBC解算真值；n為測站數(shù)。

3 解算參數(shù)配置

1)process.defaults中修改“set sint”為5 s，“set nepc”為2 160 s，set.aprf=control.apr；

2)sestbl.中修改基線類型為LC_HELP，篩檢因子Decimation Factor=1，Interval zen=2，衛(wèi)星高度角改為15°，Use met.grid=N，Use otl.grid=N，Use atml.grid=N，Tides applied = 23；

3)station.info手動(dòng)更新待解算點(diǎn)測站信息，天線高改化到天線相位中心LEPHC；

4)sittbl.中修改控制點(diǎn)約束平面0.02，高程0.05，待求點(diǎn)約束平面0.05，高程0.05；

5)lfile.中對于IGS站坐標(biāo)從itrf08.apr中提取，對于待解算站坐標(biāo)利用雙差定位法提取；

6)GLOBK_comb.cmd中禁用eq_file，增加make_svs@.svs Z，改變prt_opt GDLF CMDS，改變org_opt PSUM CMDS GDLF，啟用所有控制點(diǎn)參與平差use_site all；

7)glorg_comb.cmd修改stab_it網(wǎng)平差迭代次數(shù)為5次，禁用source.

4 解算精度評(píng)定

GAMIT/GLOBK基線解算及平差結(jié)束后生成結(jié)果[15-16]主要包括：H-file基線松弛解(h0526a.17146)，O-file約束解(o0526a.146)，Q-file過程記錄文件(q0526a.146)，GLOBK坐標(biāo)平差文件(GLOBK_0524.org)，針對上述文件進(jìn)行精度分析。

4.1 標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差NRMS精度統(tǒng)計(jì)

解算完后，以單天解給出了18個(gè)年積日的NRMS精度值，從表4可以看出，最大的為0.193 29E+00，最小的為0.180 08E+00，根據(jù)國內(nèi)外0.25的數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗(yàn)[17]，所有單天的NRMS精度值均小于0.25，說明單時(shí)段解算出的基線值偏離其加權(quán)平均值的程度較小，處理過程中周跳得到了較好地修復(fù)，基線估算精度較高，解算質(zhì)量指標(biāo)符合要求。

表4 測站NRMS精度統(tǒng)計(jì)

4.2 天空圖統(tǒng)計(jì)

LC phase Residual[18]表示接收機(jī)接受信號(hào)的好壞，由于測站較多，以測站JB70為例給出解釋，如圖5所示，該測站信號(hào)整體趨勢在-20～+20 mm之間圍繞藍(lán)色收斂線波動(dòng)，收斂趨勢平順，并且逐漸接近于0，測站RMS值為9.1 mm，說明解算過程中天線相位模型引用正確，信號(hào)沒有受到較強(qiáng)的電磁干擾，收斂情況較好。

4.3 基線重復(fù)率

以單日解解算出了18個(gè)年積日的基線重復(fù)率，從表5，圖6可以看出，絕對重復(fù)性最大值為0.006 814 51 m，最小的為0.000 309 02 m，精度在mm級(jí)，相對重復(fù)性最大值為1.000E-08，最小的為-4.736E-10，相對精度達(dá)到了10-8，可見，基線解算結(jié)果精度較高。

表5 基線重復(fù)率

圖5 JB70測站LC phase Residual收斂情況Fig.5 Situation of LC phase Residual convergence at the JB70 station

4.4 GAMIT/GLOBK精度檢驗(yàn)

對測區(qū)106個(gè)像控點(diǎn)采用GAMIT/GLOBK進(jìn)行解算合格后的結(jié)果，直接采用魏子卿研究員[20]

關(guān)于“中國大陸速度場”一文中給出的中國大陸3°×3°格網(wǎng)平均速度。將ITRF08框架下得到的空間直角坐標(biāo)，換算到CGCS 2000坐標(biāo)系。轉(zhuǎn)換過程中分別利用公式(8)、公式(9)將2017.***歷元轉(zhuǎn)換到2 000.000歷元，將ITRF 2008框架坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到ITRF 97框架坐標(biāo)，這樣就得到了CGCS 2000坐標(biāo)[19]。

為了驗(yàn)證GAMIT/GLOBK解算的最終點(diǎn)位三維坐標(biāo)，用另外一組以攝區(qū)高精度CORS站作為控制點(diǎn)，平差后cm級(jí)的解算成果對文中的解算精度進(jìn)行檢驗(yàn)。由上圖7可知，106個(gè)測站N方向殘差值在0.12 m附近波動(dòng)，E方向殘差值在0.10 m附近波動(dòng)，U方向殘差值在0.04 m附近波動(dòng)，經(jīng)公式(6)計(jì)算得出RMSN=0.119 m，RMSE=0.104 m，RMSU=0.042 m，U方向解算精度達(dá)到了cm級(jí)，平面方向解算精度在dm級(jí)。

圖6 N/E/U三分量基線重復(fù)性Fig.6 Baseline repeatability about N/E/U three component

圖7 測站RMSFig.7 Station RMS

圖8 青海省GPS速度場(基于歐亞板塊)Fig.8 GPS velocity in Qinghai Province relative to Eura Reference Frame

4.5 CORS站偏差改正

4.4中平面方向出現(xiàn)dm級(jí)的解算精度初步估計(jì)，是由于受測區(qū)速度場模型精度影響。圖8應(yīng)用GMT[21]軟件，結(jié)合青藏高原東北緣水平運(yùn)動(dòng)GPS速度場[22-23]，給出了測區(qū)基于歐亞板塊的青海省GPS速度場，圖中紅色矩形框?yàn)槲闹袦y區(qū)范圍，從圖可以看出，在測區(qū)范圍內(nèi)只有一個(gè)已知速度變化的測站，缺少起算點(diǎn)數(shù)據(jù)，無法應(yīng)用局域歐拉矢量法內(nèi)插速度，所以直接引用魏子卿速度場模型。測區(qū)所有站點(diǎn)都采用統(tǒng)一的速度場模型勢必會(huì)引入系統(tǒng)性的共模誤差[24]的影響，即在坐標(biāo)分量上表現(xiàn)出整體性偏移，為了消除這一誤差的影響，采用距離測區(qū)150 km范圍內(nèi)的3個(gè)省級(jí)CORS站進(jìn)行共模誤差的提取及分析。

根據(jù)圖3結(jié)合測區(qū)情況，選取DGLE，YANH，GERM等3個(gè)CORS測站，利用同一Gamit/GLOBK參數(shù)解算模型，對CORS站點(diǎn)進(jìn)行解算，將解算轉(zhuǎn)換后的最終結(jié)果與CORS已知測站成果進(jìn)行對比分析，得出CORS站殘差為RMSN=0.126 m，RMSE=0.124 m(上述解算中高程精度已滿足要求，不再進(jìn)行改正分析)，故將這一值，確定為本測區(qū)共模誤差改正值，將這一改正值改正到測區(qū)所有像控點(diǎn)坐標(biāo)值中。

從圖7也可以看出，所有像控點(diǎn)N，E方向表現(xiàn)出整體性偏移，而且該偏移值在0.119 m與0.104 m之間浮動(dòng)，浮動(dòng)范圍±0.002 m，如果將CORS站殘差值改正至上述測站整體偏移中，那么所有測站N，E方向精度將大幅度提高。圖9是根據(jù)CORS站殘差改正后的測站殘差，從圖10可以看出，經(jīng)過改正后，所有測站N，E方向殘差值均有所減小，N方向殘差在-0.5 cm至2 cm之間浮動(dòng)，E方向殘差在-3 cm至-0.6 cm之間浮動(dòng)，經(jīng)過改正后的測站RMSN=-0.7284 cm，RMSE=-1.995 cm，RMSU=0.042 m，說明經(jīng)過CORS站殘差改正后水平方向精度達(dá)到了亞厘米級(jí)，對于1∶1萬的像控精度，上述解算精度已滿足要求。

5 結(jié) 論

1)對解算策略及解算精度指標(biāo)進(jìn)行的分析發(fā)現(xiàn)：GAMIT/GLOBK基線解算所有單天的NRMS精度值均小于0.25，基線重復(fù)率相對重復(fù)性精度達(dá)到了mm級(jí)、絕對重復(fù)性精度達(dá)到了10-8；通過TBC成果對GLOBK坐標(biāo)平差精度進(jìn)行評(píng)定得出，解算結(jié)果RMSN=0.119 m，RMSE=0.104 m，RMSU=0.042 m，N，E方向所有點(diǎn)位均表現(xiàn)出整體性偏移，并且該偏移值均值分別為11.9，10.4 cm.

2)為了解決這一偏移的影響，通過采用距離測區(qū)150 km范圍內(nèi)的3個(gè)省級(jí)CORS站進(jìn)行該整體性偏移量的提取，得出CORS站整體性偏移改正量殘差為RMSN=0.126 m，RMSE=0.124 m，將這一改正量改正到測區(qū)所有像控點(diǎn)坐標(biāo)值中。經(jīng)過改正后的所有測站RMSN=-0.728 4 cm，RMSE=-1.995 cm，RMSU=0.042 m，說明經(jīng)過CORS站殘差改正后水平方向精度達(dá)到了厘米級(jí)，高程精度達(dá)到了厘米級(jí)。解算結(jié)果滿足文中1∶1萬外業(yè)像控點(diǎn)要求，為青海大部門無基準(zhǔn)、無控制的地區(qū)進(jìn)行GPS數(shù)據(jù)解算工作的可行性提供了實(shí)踐參考，達(dá)到了在大量減少外業(yè)工作量的同時(shí)控制成本的目的。