不同版本的GAMIT超短基線數(shù)據(jù)解算精度分析

何月帆,聶桂根,2,武曙光,李海洋

(1. 武漢大學(xué) 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430079；2. 地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430079)

GAMIT軟件是美國麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology,MIT)與斯克里普斯海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography,SIO)共同研制的高精度數(shù)據(jù)后處理軟件，由于其優(yōu)良的解算特性，在GNSS數(shù)據(jù)高精度解算領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。但是由于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)與GPS系統(tǒng)在星座結(jié)構(gòu)、坐標(biāo)框架、時間系統(tǒng)、信號頻率等方面都有著明顯的差異，故在GAMIT10.6版本之前只能解算GPS數(shù)據(jù)，對其他GNSS系統(tǒng)數(shù)據(jù)不能進(jìn)行有效處理[2]。GAMIT10.61版本開始陸續(xù)可以處理GNSS多系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)，此版本發(fā)布于2017年7月，其特點(diǎn)是不僅能處理GPS數(shù)據(jù)，還能夠單獨(dú)處理如北斗(BDS)、伽利略(GALILEO)、印度區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(IRNSS)的觀測數(shù)據(jù)[3]。隨著GNSS誤差模型的不斷精化，基于GAMIT進(jìn)行的基線解算也逐步增加了最新的GNSS誤差改正模型，如參考框架IGS14和ITRF2014、對流層映射函數(shù)GMF/VMF、大氣負(fù)載、非潮汐大氣負(fù)載等[4]。GAMIT軟件的用途極為廣泛，其中一個重要作用就是用來分析測站的坐標(biāo)和速度，進(jìn)而對建筑物進(jìn)行動態(tài)或靜態(tài)的形變分析，GAMIT主要輸出的是松弛約束解、參數(shù)估值及其協(xié)方差(矩陣)的h文件[5]。通過此文件能夠傳遞給GLOBK軟件包，以進(jìn)行數(shù)據(jù)解算來求解測站位置和速度。除此之外，GAMIT可以應(yīng)用于地球動力學(xué)、地殼形變、氣象水汽等領(lǐng)域的科學(xué)研究[6]。

現(xiàn)如今GAMIT軟件得到廣泛的應(yīng)用，新版本軟件也得到定期的更新。目前使用比較廣泛的GAMIT軟件版本有10.5、10.6、10.61和最新的10.7，而各版本軟件之間也有一些模型改正方面的差異。已有研究對各版本之間解算差異的比較還很少，因此文中選用GAMIT10.5、GAMIT10.6、GAMIT10.61、GAMIT10.7這4個不同版本的軟件，對北京某一地區(qū)所測的超短基線場的5個GPS點(diǎn)及其周邊的陸態(tài)網(wǎng)的站點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測處理，比較不同版本在解算成果上的差異，分析造成這些差異的因素。

1 GPS資料概況

該超短基線場由5個點(diǎn)組成，網(wǎng)形為等腰梯形，各條基線的夾角約為60°，長度約為6 m，每次同步校準(zhǔn)最多5臺GNSS接收機(jī)。該校準(zhǔn)場基準(zhǔn)點(diǎn)選擇高度角在15°以上，天空無障礙物，地質(zhì)構(gòu)造堅(jiān)固穩(wěn)定且遠(yuǎn)離電磁信號干擾源和易于產(chǎn)生多路徑信號源的地方，如圖1所示：文中采用Trimble Net R9接收機(jī)，對這5個點(diǎn)連續(xù)進(jìn)行為期3 d的靜態(tài)觀測，觀測時間為2019年11月5日至7日，采樣頻率15 s，天線型號為TRM55971。

參考站選取的是中國境內(nèi)和周邊的6個IGS站點(diǎn)(見圖2)，包括POL2、BADG、YSSK、LHAZ、TWTF和SUWN，以及北京市及周邊均勻分布的5個CMONOC站點(diǎn)。這些參考站均勻分布在超短基線場所在地周圍，使得組成的GPS網(wǎng)有較好的網(wǎng)形和精度。本次處理使用的各IGS站的觀測文件、廣播星歷、精密星歷以及精密鐘差均從美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA) 全球數(shù)據(jù)中心SOPAC下載得到；其中5個CMONOC參考站數(shù)據(jù)來自陸態(tài)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心教育部數(shù)據(jù)子系統(tǒng)服務(wù)器。

圖1 網(wǎng)形設(shè)計(jì)

圖2 GAMIT處理使用的IGS站分布

2 GAMIT設(shè)計(jì)方案

本文采用的數(shù)據(jù)處理軟件由GAMIT10.5、GAMIT10.6、GAMIT10.61、GAMIT10.7所組成。如表1所示，文中對這些不同版本的GAMIT軟件進(jìn)行了簡單的比較說明。首先使用GAMIT計(jì)算2019年11月5日至7日的單日基線結(jié)果，再利用GLOBK進(jìn)行整體平差得各站坐標(biāo)。

表1 不同版本的GAMIT軟件比較

主要的GAMIT基線解算策略包括：

1)解算類型為BASELINE，將衛(wèi)星軌道參數(shù)固定；

2)觀測值類型為雙差觀測值；

3)截止高度角設(shè)置為15°，以減少多路徑效應(yīng)等與衛(wèi)星高度角有關(guān)的誤差源的影響；

4)測站約束為松弛約束，IGS站點(diǎn)N，E方向10 cm，U方向20 cm；待估測站N，E，U方向皆為30 m；

5)天線相位中心改正模型為AZEL，將天線相位中心看成是衛(wèi)星高度角和方位角的函數(shù)，采用雙線性插值；

6)對流層延遲改正：映射函數(shù)采用VMF1；每2 h估計(jì)一次天頂對流層延遲參數(shù)；每12 h估計(jì)一次大氣水平梯度參數(shù)；

7)電離層延遲改正：采用LC組合觀測值消除一階電離層延遲的影響，高階電離層延遲模型為GMAP；

7)地磁場參考模型為IGRF11；

8)潮汐改正：采用的潮汐改正項(xiàng)包括地球固體潮(IERS2003)、極潮、海潮(FES2004)以及大氣潮(全球格網(wǎng)模型ANU100826)；非潮汐改正：非潮汐大氣模型改正(atmfilt_cm.year模型)；

9)參考框架：ITRF2014。

文中采用分級兩步法進(jìn)行基線解算和網(wǎng)平差，即首先將IGS站、CMONOC參考站共11個站點(diǎn)作為框架網(wǎng)(見圖3)，經(jīng)過基線解算與網(wǎng)平差，得出CMONOC參考站的ITRF2014框架下的精確坐標(biāo)。然后將CMONOC參考站、項(xiàng)目測站作為下一級子網(wǎng)，采用相同的數(shù)據(jù)處理策略得出5個項(xiàng)目測站的基線解算與坐標(biāo)結(jié)果。

圖3 GAMIT處理使用的CMONOC參考站分布

3 結(jié)果分析與比較

3.1 基線解算

GAMIT基線解算完成后，可將基線解的標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差(Normalized Root Mean Square, NRMS)作為GPS同步環(huán)質(zhì)量好壞的一個指標(biāo)，表示單時段解算的基線值偏離其加權(quán)平均值Y的程度[7]，其定義如式(1)所示。通常要求NRMS值小于0.3 cm，若大于0.5 cm，則表示基線處理過程中周跳可能未得到完全修復(fù)[8-9]。

(1)

表2為利用這4款不同版本的GAMIT軟件進(jìn)行基線解算獲得的年積日309—311單日解的NRMS值。

表2 GAMIT解算獲得的NRMS值表 cm

從表2可以看出，除了GAMIT10.61以外，其他版本的GAMIT基線解算結(jié)果的NRMS值均在0.3以內(nèi)，產(chǎn)生這種結(jié)果的原因可能是GAMIT10.61軟件在處理基線時，其周跳模糊度模型未完善所致。

另外，也可以通過檢查所有站點(diǎn)是否全部參與基線解算來檢查解算效果。在單日解文件中的總結(jié)文件中，若是Number of stations used(使用的測站數(shù)目)與Total xfiles(生成的X文件的數(shù)量)一致，則說明全部站點(diǎn)參與了基線解算[10]。經(jīng)檢查，本次解算所有測站均參與解算。

在基線解算的質(zhì)量控制中，還可以采用其重復(fù)性來作為其更高等級的質(zhì)量控制指標(biāo)。重復(fù)性的定義為：

(2)

從表3可以看出，在水平以及長度分量上，其基線重復(fù)率均在亞毫米級，而在垂直分量上，其內(nèi)符

表3 N，E，U分量及長度方向的基線重復(fù)率 m

合精度稍差，有少量基線重復(fù)率可達(dá)到毫米級。故從基線分量重復(fù)率結(jié)果來看，這4款不同版本的GAMIT軟件均滿足基線解算精度要求。

全站儀測邊結(jié)果列于表4。可以看出，若以全站儀兩日實(shí)測值的均值作為基準(zhǔn)，則4個版本的基線結(jié)果最大差異均不到3 mm，解算成果均符合精度要求。

表4 全站儀實(shí)測基線邊長與對應(yīng)的GAMIT基線解算結(jié)果 m

3.2 GLOBK網(wǎng)平差

基線解算完成以后，使用所獲得的H文件作為觀測量進(jìn)行GLOBK網(wǎng)平差，起算點(diǎn)坐標(biāo)約束在N，E，U 3個坐標(biāo)分量為1 cm，1 cm，2 cm。各個版本的GAMIT/GLOBK軟件所得出的坐標(biāo)結(jié)果如表5所示。

表5 測站點(diǎn)位坐標(biāo)結(jié)果(ITRF, 2019.848)

續(xù)表5

由表5所列出的坐標(biāo)結(jié)果，然后取這4款軟件的坐標(biāo)結(jié)果的平均值作為虛擬的真值，分別求出這4種方案下各個項(xiàng)目測站的坐標(biāo)與其虛擬真值間的距離，以此來對比它們坐標(biāo)結(jié)果的穩(wěn)健度，如圖4—圖6所示。

圖4 X方向點(diǎn)位坐標(biāo)與均值間的距離

圖5 Y方向點(diǎn)位坐標(biāo)與均值間的距離

圖6 Z方向點(diǎn)位坐標(biāo)與均值間的距離

如圖4—圖6所示，用同一解算方案，利用不同版本的GAMIT/GLOBK軟件進(jìn)行基線解算和網(wǎng)平差處理，所得到的坐標(biāo)結(jié)果會有細(xì)微的差距，與其均值間的差異均不超過1 cm，對比4款軟件可以看出，不管在水平分量還是在垂直分量上，最新版本GAMIT10.7軟件與均值的差異最小，坐標(biāo)穩(wěn)健性最好，均不到2 mm；其次是GAMIT10.61版本；GAMIT10.6和GAMIT10.5版本相比較而言與均值差異較大，最大可達(dá)4.6 mm。

4 結(jié) 論

文中采用4種不同版本的GAMIT軟件對新建立的GPS超短基線場進(jìn)行GAMIT/GLOBK高精度數(shù)據(jù)處理，通過對基線解算后NRMS值、基線重復(fù)性、獨(dú)立基線長度比較以及網(wǎng)平差后點(diǎn)位坐標(biāo)穩(wěn)健性等方面的對比分析，可以看出GAMIT在進(jìn)行GPS超短基線處理時，其GAMIT10.7版本的解算結(jié)果最好，而GAMIT10.61除NRMS值較大以外，其他處理結(jié)果相比于GAMIT10.6和GAMIT10.5來講較好。文中通過對比不同GAMIT版本在數(shù)據(jù)解算中的精度和坐標(biāo)結(jié)果的可靠性，對于類似的數(shù)據(jù)處理解算具有一定的參考意義。同時隨著多系統(tǒng)衛(wèi)星接收機(jī)的普及，對于該類接收機(jī)的校準(zhǔn)工作需要綜合處理多系統(tǒng)數(shù)據(jù)，這將是本文下一步的研究計(jì)劃。