基于Bernese GPS軟件的GPS數(shù)據(jù)自動(dòng)解算系統(tǒng)的研究

韓 菲，程傳錄，王小瑞

(國(guó)家測(cè)繪局大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理中心，陜西西安710054)

基于Bernese GPS軟件的GPS數(shù)據(jù)自動(dòng)解算系統(tǒng)的研究

韓 菲，程傳錄，王小瑞

(國(guó)家測(cè)繪局大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理中心，陜西西安710054)

針對(duì)高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件操作的復(fù)雜性，研發(fā)出一套基于Bernese GPS的GPS站網(wǎng)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理系統(tǒng)AUTO-BGPS。簡(jiǎn)單介紹Bernese5.0的數(shù)據(jù)處理原理，著重介紹其BPE功能，闡述AUTO-BGPS自動(dòng)解算系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能模塊及數(shù)據(jù)處理過(guò)程。通過(guò)應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證該軟件的可用性。

Bernese5.0;BPE;自動(dòng)處理;AUTO-BGPS;PPP;雙差

一、引 言

隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展，它在工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。GPS技術(shù)是一種相對(duì)復(fù)雜的應(yīng)用性技術(shù)，它包括天文物理、地球科學(xué)等較廣范疇的知識(shí)，尤其是對(duì)于高精度的GPS數(shù)據(jù)處理，需要技術(shù)人員具備一定的專業(yè)知識(shí)。目前國(guó)際上比較成熟的高端GPS精密應(yīng)用軟件有美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)的JIPSY-OASIS、瑞士伯爾尼大學(xué)(AIUB)的Bernese、美國(guó)麻省理工學(xué)院和美國(guó)斯克里普斯海洋地球研究所(MIT/SIO)的GAMIT/GLOBK等，這些軟件的特點(diǎn)之一就是數(shù)據(jù)處理模型復(fù)雜，對(duì)誤差改正的研究非常精細(xì)，適合于科學(xué)研究。正是這些原因，導(dǎo)致其在使用過(guò)程中，人機(jī)交互的內(nèi)容過(guò)多，處理過(guò)程不夠直觀，影響了它們?cè)诠こ填I(lǐng)域的應(yīng)用。

在工程應(yīng)用中，基于GPS中長(zhǎng)基線數(shù)據(jù)，要求高精度、高可靠性的商業(yè)用戶越來(lái)越多，如高速鐵路的首級(jí)控制網(wǎng)——CP0的解算、國(guó)家高等級(jí)的GPS控制網(wǎng)的聯(lián)合解算、連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)日常處理［1］等，這些工作都亟待一種如 GAMIT、Bernese這樣既適用于長(zhǎng)基線、高精度計(jì)算又適合生產(chǎn)作業(yè)的軟件出現(xiàn)。

Bernese GPS軟件是由伯爾尼大學(xué)天文研究所開(kāi)發(fā)的GPS高精度數(shù)據(jù)處理軟件［2-3］。該軟件的應(yīng)用對(duì)象主要是科研人員、負(fù)責(zé)高精度GPS測(cè)量的機(jī)構(gòu)、負(fù)責(zé)連續(xù)運(yùn)行站GPS接收機(jī)的機(jī)構(gòu)等［1，4］。它不僅是一套具有高精度的功能強(qiáng)大的GPS數(shù)據(jù)處理軟件，而且其高度模塊化的軟件結(jié)構(gòu)以及開(kāi)放的源代碼，也為科研人員利用Bernese作進(jìn)一步的研究提供了平臺(tái)［3］。

二、Bernese軟件概述

Bernese GPS以雙差處理為主，用雙差相位觀測(cè)進(jìn)行高精度的測(cè)地應(yīng)用。其核心程序語(yǔ)言是Fortran77，個(gè)別程序用Fortran90［5-6］。Bernese軟件的主程序大概有20個(gè)，核心程序塊有RXOBV3、PRETAB、ORBGEN等［5］，其數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

Bernese5.0數(shù)據(jù)處理步驟主要分為:數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，數(shù)據(jù)的預(yù)處理，數(shù)據(jù)處理，參數(shù)估計(jì)。

1)數(shù)據(jù)和必要文件的準(zhǔn)備工作主要有:觀測(cè)數(shù)據(jù)和星歷數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備、觀測(cè)文件格式轉(zhuǎn)換、標(biāo)準(zhǔn)軌道文件的生成等。

2)數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要完成對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作，包括先驗(yàn)坐標(biāo)的生成、粗差探測(cè)、周跳探測(cè)和修復(fù)、單差文件的生成等。

3)參數(shù)估計(jì)，基于最小二乘估計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)接收機(jī)鐘差、大氣層延遲、模糊度、基線、點(diǎn)位坐標(biāo)(X，Y，Z)等參數(shù)的估計(jì)。

圖1 Bernese GPS軟件雙差數(shù)據(jù)處理流程

三、Bernese GPS軟件的BPE功能介紹

隨著全球越來(lái)越多的參考站網(wǎng)絡(luò)的建立，積累的大量待處理數(shù)據(jù)需要一個(gè)高度自動(dòng)化的GPS數(shù)據(jù)處理軟件。BPE(Bernese processing engine)就是滿足GPS數(shù)據(jù)高度自動(dòng)處理的獨(dú)立模塊［5］。

BPE是Bernese的自動(dòng)處理模塊［3，5］，它是一個(gè)由程序、腳本文件、控制程序等組成的完整系統(tǒng)。BPE功能的實(shí)現(xiàn)依賴于程序塊、腳本文件和控制文件在自動(dòng)模式下的有機(jī)結(jié)合?？刂莆募?process control script，PCS)是BPE的核心。它運(yùn)行并且控制其他程序模塊，并且按照PCF文件里的順序來(lái)逐步地運(yùn)行各個(gè)處理步驟，如圖2所示。

圖2 PCS(process control script)文件運(yùn)行流程圖［2］

1)PCS是BPE的最外層腳本，它可以獨(dú)立運(yùn)行。運(yùn)行之前要首先指定好PCF文件，PCF文件告訴PCS腳本在本項(xiàng)目中需要做的工作、執(zhí)行的腳本文件、執(zhí)行順序等。當(dāng)PCF中所有的腳本都運(yùn)行完畢或者處理引擎在協(xié)議文件中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，PCS將完成處理。

2)PCF(process control file)文件定義了PCS將要執(zhí)行的腳本文件或處理的模塊。在PCF中列出了將要執(zhí)行的腳本以及這些腳本執(zhí)行的順序。并且在PCF中定義了一些處理過(guò)程中必須的全局變量，以保證對(duì)處理過(guò)程具有相似屬性的文件或參數(shù)采用一致的命名。

圖3是PCF文件的部分內(nèi)容，指定了BPE所要運(yùn)行的批處理文件以及執(zhí)行順序。

圖3 PCF文件的基線形成和模糊度解算部分

四、自動(dòng)處理系統(tǒng)AUTO-BGPS的實(shí)現(xiàn)

AUTO-BGPS系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)統(tǒng)一在 Visual Studio.NET 2005下進(jìn)行，開(kāi)發(fā)框架為FrameWork2.0。系統(tǒng)是針對(duì)GPS網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，集精密單點(diǎn)定位(precise point positioning，PPP)、GPS網(wǎng)絡(luò)基線解算和平差功能于一體的數(shù)據(jù)處理軟件。軟件的功能菜單和主界面如圖4所示。

圖4 軟件主要功能界面

系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)的自動(dòng)化高精度處理，包括兩個(gè)部分:PPP和雙差數(shù)據(jù)處理。同時(shí)，作為GPS數(shù)據(jù)處理軟件，它附帶了GPS數(shù)據(jù)處理必須的工具，如格式轉(zhuǎn)換、框架轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)形式轉(zhuǎn)換等功能。以下具體介紹該系統(tǒng)的主要功能。

1.PPP模塊

1)通過(guò)非差模式來(lái)快速有效地獲得厘米級(jí)精度的點(diǎn)位坐標(biāo)，該坐標(biāo)也可以為雙差處理提供優(yōu)秀的先驗(yàn)坐標(biāo)。

2)PPP可以計(jì)算與相位觀測(cè)值相關(guān)的接收機(jī)鐘差值。

3)提取傳播路徑上的電子總量(TEC)信息，從而可以建立與站相關(guān)的或者區(qū)域的電離層模型［5］。

4)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位隨時(shí)間的變化。

鑒于以上功能，PPP數(shù)據(jù)處理可以提供以下幾個(gè)結(jié)果:①法方程文件、站坐標(biāo)、對(duì)流層參數(shù)估計(jì)、P1-P2/C1-P1之DCBs、站運(yùn)動(dòng)速度向量;② 總天頂延長(zhǎng)(ZPD);③站鐘差;④單點(diǎn)定位坐標(biāo)。

2.雙差定位模塊

雙差定位是Benrese軟件的核心，通過(guò)雙差可以實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)地應(yīng)用。同時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)其他特殊的功能:①天頂延遲估計(jì)、太陽(yáng)光壓估計(jì)、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)估計(jì)［5］;② 區(qū)域或者全球的對(duì)流層監(jiān)測(cè)［5］;③得到整個(gè)網(wǎng)解;④動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)后處理。

3.數(shù)據(jù)處理的輔助功能

(1)ITRF框架轉(zhuǎn)換模塊

ITRF框架轉(zhuǎn)換是GPS數(shù)據(jù)處理常用到的工具，涉及SP3星歷框架轉(zhuǎn)換、GPS成果框架轉(zhuǎn)換等?？紤]到坐標(biāo)框架轉(zhuǎn)換參數(shù)跟參考時(shí)間相關(guān)，因此框架轉(zhuǎn)換采用14個(gè)參數(shù)轉(zhuǎn)換(即7個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)加上7個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)的速率)，實(shí)現(xiàn)了 ITRF2005、ITRF2000、ITRF97等框架間的逐級(jí)轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)形式均為(X，Y，Z)。ITRF2005轉(zhuǎn)換到ITRF2000、ITRF2000轉(zhuǎn)換到其他框架的14個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)均為國(guó)際地球參考框架官方網(wǎng)站公布的整套參數(shù)。模塊界面如圖5所示。

圖5 ITRF框架轉(zhuǎn)換軟件

(2)(B，L，H)—(X，Y，Z)框架轉(zhuǎn)換模塊

坐標(biāo)形式轉(zhuǎn)換基于2000國(guó)家大地坐標(biāo)系使用的橢球參數(shù)，實(shí)現(xiàn)(B，L，H)與(X，Y，Z)的相互轉(zhuǎn)換。如圖6所示。

4.AUTO-BGPS系統(tǒng)工作流程

AUTO-BGPS系統(tǒng)工作流程為:①項(xiàng)目建立及屬性設(shè)置，用戶首先要建立項(xiàng)目，在此將設(shè)置項(xiàng)目的一些屬性，如項(xiàng)目名稱、文件目錄、測(cè)段長(zhǎng)度等信息;②處理模式選擇;③準(zhǔn)備文件，導(dǎo)入原始觀測(cè)文件、星歷文件、鐘文件等，根據(jù)不同的處理方式導(dǎo)入不同的文件;④運(yùn)行后臺(tái)處理程序;⑤顯示處理結(jié)果。

圖6 (B，L，H)?(X，Y，Z)轉(zhuǎn)換軟件

系統(tǒng)在一旦被激活，將按照以下程序進(jìn)行:①下載相關(guān)文件;②準(zhǔn)備相關(guān)文件;③衛(wèi)星軌道生成;④觀測(cè)文件完整性檢測(cè);⑤ 數(shù)據(jù)預(yù)處理(粗差探測(cè)，周跳探測(cè)和修復(fù)、模糊度解算);⑥ 數(shù)據(jù)處理(基線解算和平差、參數(shù)估計(jì));⑦ 處理結(jié)果顯示(畫(huà)拓?fù)鋱D、基線和點(diǎn)位結(jié)果顯示等)。

基于以上幾個(gè)模塊，系統(tǒng)可以自動(dòng)地完成數(shù)據(jù)的讀取，星歷文件和相關(guān)文件的下載、數(shù)據(jù)預(yù)處理和參數(shù)估計(jì)等數(shù)據(jù)流程，最終得到基線和點(diǎn)位坐標(biāo)信息，并以圖形的形式顯示。

五、應(yīng)用實(shí)例

本文結(jié)合歐洲國(guó)際IGS站的8個(gè)站:MATE、ONSA、VILL、PTBB、BRUS、FFMJ、ZIMM、ZIMJ，其中MATE、ONSA、VILL 3個(gè)站為IGS核心站，它們參加了IGS00框架的實(shí)現(xiàn)，十分穩(wěn)定。假設(shè) PTBB、BRUS、FFMJ、ZIMM、ZIMJ 5個(gè)站為參考站網(wǎng)絡(luò)，并用AUTO-BGPS軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)該網(wǎng)絡(luò)參考站的監(jiān)測(cè)。

處理模式:以MATE、ONSA、VILL 3個(gè)站作為固定站，對(duì)其他5個(gè)站進(jìn)行解算。選擇一周(2003-05-22—2003-05-29)的數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，每個(gè)時(shí)段均為24 h。處理方式按照采用多時(shí)段連續(xù)處理，得到各參考站坐標(biāo)(Xi，Yi，Zi)以及GPS網(wǎng)基線信息，運(yùn)行結(jié)果如圖7所示。

用戶首先創(chuàng)建項(xiàng)目，一旦項(xiàng)目創(chuàng)建并開(kāi)始運(yùn)行，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將激活后臺(tái)處理模塊，自動(dòng)到指定目錄下搜索該天數(shù)據(jù)，并按照該天的年積日，到指定網(wǎng)站下載相關(guān)數(shù)據(jù)，之后完成數(shù)據(jù)解算，并提取解算結(jié)果信息。在軟件主界面上可以看到部分參數(shù)的設(shè)置、GPS網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖和結(jié)果查詢窗口。用戶可以通過(guò)右上角的下拉框來(lái)查看相關(guān)結(jié)果內(nèi)容。

圖7 AUTO-BGPS數(shù)據(jù)自動(dòng)解算系統(tǒng)運(yùn)行界面

六、結(jié)束語(yǔ)

本文基于Bernese5.0的GPS數(shù)據(jù)自動(dòng)處理系統(tǒng)AUTO-BGPS，實(shí)現(xiàn)了GPS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的無(wú)人值守的自動(dòng)化處理。它可以自動(dòng)下載與觀測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)的其他數(shù)據(jù)，然后按照選定模式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)解算，使繁瑣的人工手動(dòng)處理轉(zhuǎn)換為自動(dòng)化的無(wú)人操作的自動(dòng)處理。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的解算，證明了AUTO-BGPS軟件在數(shù)據(jù)的自動(dòng)解算中，其處理過(guò)程是流暢的，參數(shù)設(shè)置與數(shù)據(jù)處理模塊的交互是有效的，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖的顯示比例及點(diǎn)位相對(duì)位置是合理的，數(shù)據(jù)解算結(jié)果也是準(zhǔn)確的，同時(shí)其附帶的GPS數(shù)據(jù)處理工具運(yùn)行也是正確的。該軟件可以準(zhǔn)確完成對(duì)GPS數(shù)據(jù)的自動(dòng)化處理，十分適合于GPS參考站網(wǎng)絡(luò)日常數(shù)據(jù)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)處理和參考站網(wǎng)絡(luò)的日常監(jiān)測(cè)，也適合于工程GPS控制網(wǎng)的自動(dòng)解算。但是，軟件也存在一些不足之處，在以后的工作研究中將繼續(xù)改進(jìn)。

［1］ 張彩紅，聶桂根，熊熊，等.基于Internet的GPS數(shù)據(jù)自動(dòng)處理系統(tǒng)的研究［J］.測(cè)繪通報(bào)，2007(8):26-28.

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A Study of Automatic GPS Data Processing System Based on Bernese GPS Software

HAN Fei，CHENG Chuanlu，WANG Xiaorui

0494-0911(2011)11-0008-03

P228.4

B

2010-12-31

韓菲(1981—)，男，河南滎陽(yáng)人，碩士，主要從事GPS數(shù)據(jù)處理及其理論研究。