GAMIT软件的安装及其在气象学中的应用
2010-09-25刘树峰
张 宁 胡 鹏 刘树峰 苏 轶
(济南市气象局，山东 济南 250002)
GAMIT软件的安装及其在气象学中的应用
张 宁 胡 鹏 刘树峰 苏 轶
(济南市气象局，山东 济南 250002)
GAMIT软件是世界最优秀的GPS数据处理与分析软件之一，文中主要介绍了GAMIT的功能特点、安装过程，及其简化后的使用方法，并结合实例介绍了其在反演大气可降水量中的应用，希望给初学者提供参考。
GAMIT;linux;gps;对流层延迟;可降水量(pwv)
随着GPS技术的发展和广泛应用，大地测量已发生了革命性的变化，并在GPS气象学等研究中得以广泛应用，精密解算GPS观测数据的软件也得以重视和发展，本文介绍的GAMIT就是其中的代表之一。GAMIT是美国麻省理工学院(MIT)与斯克里普斯海洋研究所(SIO)研制的GPS数据后处理与分析软件。其特点是运算速度快、版本更新周期短以及在精度许可范围内自动化处理程度高等，且具有开源性，用户可以根据需要对源程序修改，便于科研工作，因此在国内外应用相当广泛，尤其是在免费开源的LINUX操作系统上。从GAMIT10.3版之后，GAMIT提供一种全新的EXE可执行文件安装模式，简化了GAMIT软件的安装过程。本文介绍新版(10.34版)GAMIT的功能特点、安装过程，并结合实例介绍其在气象学中的应用。
1 GAMIT软件功能简介
GAMIT软件解算精度高、运算速度快、申请注册并经过MIT授权后可免费获取使用。GAMIT软件主要由以下几个模块组成:ARC(轨道积分)、MODEL(组成观测方程)、SINCLN(单差自动修复周跳)、DBLCLN(双差自动修复周跳)、CVIEW(人工交互式修复周跳)、CFMRG(用于创建SOLVE所需的M文件)、SOLVE(利用双差观测按最小二乘法求解参数)。GAMIT软件处理双差观测量，采用最小二乘算法进行参数估计，采用双差观测量的优点是可以完全消除卫星钟差和接收机钟差的影响，同时也可以明显减弱诸如轨道误差等系统性误差的影响。GAMIT软件主要功能和特点如下［1］:
(1)卫星轨道和地球自转参数估计;
(2)地面测站的相对定位计算;
(3)用模型改正各种地球物理效应(极移、岁差、章动、潮汐等);
(4)对流层天顶延迟参数和大气水平梯度参数估计;
(5)支持接收机天线相位中心的ELEV(随卫星高度角变化)模型改正(现在IGS推荐应用绝对相位中心改正);
(6)可选观测值等权、反比于基线长度或随高度角定权;
(7)同时提供载波相位整周模糊度分别为实数和整数的约束解及松弛解;
(8)数据编辑可人工干预(CVIEW)，也可自动处理(AUTCLN)。
2 GAMIT软件的安装和使用
2.1 操作系统的选择
目前，GAMIT软件设计基于支持X—Windows的UNIX系统，现发行的版本已测试通过的系统有Solaris 2.5—8，HP－UX 9，10.11，Digital Unix(OSF1 V4.0)，IRIX 6.4，Linux(RedHat 5.1—9.0，Fedora Core 3—8，Mandrake，and Gentoo)，Mac OS X2—5。本文选择使用其中的Linux Fedora Core 8操作系统。硬件系统为DELL OPTIPLEX 755。
2.2 GAMIT软件所需编译器的安装
Fedora Core 8系统的C和Fortran编译器为GCC4.1版，该编译器默认的文件选项中MAXUNIT为100，而GAMIT软件源代码中则要求MAXUNIT为10000。如果直接进行GAMIT软件的安装，虽能完成安装，但安装后将无法正常运行。故需要下载更高版本(4.2版以上)的编译器，并对编译器进行重新编译和安装。安装GCC的步骤如下:从网站(http://gcc.gnu.org)下载GCC编译器源代码，拷贝至/usr/gcc目录下，进入该目录，用tar－xvfz命令将其解压后，执行make bootstrap和make install命令重新进行编译和安装GCC。
2.3 GAMIT的安装
从麻省理工学院的FTP服务器(ftp://chandler.mit.edu)的/updates/s0urce目录下，下载GAMIT安装所需软件包，其中包括安装批处理文件install_software、更新批处理文件install_updates和下列以.tar或.tar.Z结尾的压缩文件:
COM.10.34.tar.Z组件压缩包
gamit.10.34.tar.Zgamit软件压缩包
help.10.34.tar.Z帮助系统压缩包
lO.34.tar.Z kf软件压缩包
libraries.10.34.tar.Z库文件压缩包
maps.10.1.tar.Z地图数据压缩包
tables.10.34.tar.Z表文件压缩包
example.10.34.tar示例文件压缩包
然后在LINUX系统中创建/home/gps/gamit目录，将上述GAMIT安装文件拷贝至此。由于安装文件都是以压缩包的形式发布的，需要使用系统命令对其进行解压，也可使用GAMIT提供的安装脚本./install_software来解压文件。
在安装软件前，要对安装程序的配置文件libraries/ Makefile.config进行修改。与系统相关的设置主要是库文件和编译器的路径设置，在linux FC 8下设置的路径为:
X11LIBPATH/usr/lib/X11
X11INCPATH/usr/include/X11
与GPS数据处理相关的几个参数为:
MAXSIT最大测站数默认值55
MAXSAT最大卫星数默认值32
MAXATM最大天顶延迟参数默认值13
MAXEPC最大历元数默认值2880
以上几个参数可根据实际研究需要作相应的修改。由于需要近实时地获得处理数据，须将MAXATM最大天顶延迟参数改为49。然后进入/home/gps/gamit目录，运行命令./install_software，根据屏幕给出的提示给予回应完成安装。
2.4 配置GAMIT命令路径
上述安装过程完成之后，GAMIT软件并不能正常运行，需对.cshrc文件进行配置。将路径/home/gamit/com、/home/gamit/gamit/bin、/home/gamit/kf/bin，加入到LINUX的PATH中。这是因为在控制台中运行程序时，使用bash shell，若不改写c shell配置文件，会导致系统无法从路径中调用到GAMIT的命令。另外将/home/gamit/ help也加入到.bashrc文件中，使GMAIT的帮助文件生效。保存对.bashrc文件的修改，重启计算机，全部安装过程完毕。
2.5 GAMIT简化使用方法
数据处理使用GAMIT软件提供的一个由c－shell写成的自动批处理脚本程序sh_gamit。它将繁琐的数据准备和处理工作集成化，整个数据处理只需输入一条命令即可完成。sl1_gamit格式为:
Sh_gamit＜options＞
其中比较重要的参数有:
－expt四个字符的工程名(默认为:expt)
－d yr days yr和days是处理数据的年份和年积日，例如:2007 209 210－d yr dl d2 yr为年份，d1为开始年积13，d2为结束年积日，例如:2007 209 306
－orbit使用卫星轨道类型(IGSP IGSRIGSF SIOP SIOR SIOF)(默认为:IGSF)
其他参数可参考sh_gamit帮助文件。
进入/home/gps/gamit目录，键入命令:
Sh_gamit－expt expt－d 2007 209 210－orbit IGSF
sh_gamit自动进行的操作有:检查目录并自动创建;建立各种公共参数文件的链接;检查文件并自动下载缺失文件;执行单日GAMIT处理;输出结果。
3 GAMIT软件在气象学中的应用
3.1 GPS探测大气可降水量的原理
水汽是一种重要的大气成分，在大气过程中扮演着重要角色。它的观测对于天气、气候研究至关重要。地基GPS遥感大气水汽技术是20世纪90年代发展起来的一种全新的大气观测手段。它利用地球表面静止的GPS接收机接收GPS卫星讯号，对地球大气的水汽含量进行连续测量，以补充常规探空资料时间和空间密度上的不足。其基本原理为:综合各种技术，得到精确站坐标和精密GPS卫星轨道(由IGS分析中心解算出)，反求噪声的大气效应(其中主要是湿大气影响)，并作为气象研究中的有用信号，与气象参数相联系，得到可降水量(气候研究和天气预报中很重要的参数)。
GPS反演可降水量的过程如下:①计算对流层延迟，在载波相位观测方程［2］中将对流层延迟作为未知参数，在解算结果中对流层延迟作为GPS处理结果的改正值得到;②分离出对流层湿延迟，根据测站大气压和测站位置坐标采用干延迟模型计算干延迟，对流层延迟与干延迟差值即为湿延迟;③计算可降水量，通过湿延迟与可降水量之间的函数关系可以求出可降水量。
在新版GAMIT软件中带有一个独立的模块sh_metutil。上述过程可由该模块自动完成，并以表格形式输出对流层总延迟、对流层湿延迟，可降水量，以及输出结果的标准偏差。
3.2 结果分析
本文使用济南GPS水汽反演系统，将GAMIT的解算结果和常规探空探测的可降水量结果做了对比分析。利用08年6、7月资料，对GPS水汽反演与探空方法得到的可降水量分析，连续一个月分析如图1、图2。
图1 2008年6月GPS水汽反演结果与探空方法得到的可降水量分析
图2 2008年7月GPS水汽反演结果与探空方法得到的可降水量分析
GPS可降水量数据密度为每小时，探空可降水量为每12小时，从上图可以直观的看出，两者数据接近，发展趋势一致，而且都周期性变化。两种探测手段得到的可降水量在时间变化上具有良好的相关性，利用相似测度法进行分析，矢量之间的相似性采用它们的夹角余弦来度量，即角度相似系数。由得，角度相似系数为0.944 839。说明了济南地区GPS网探测大气可降水量的可靠性，反演系统的计算模型的可用性。
4 结论
GAMIT软件是一款优秀的GPS大型解算软件，具有开源性等优点，从而可以对参数和源程序进行设置、修改，十分适合科研应用。但其安装和使用也比较复杂，实际使用中还可能遇到各种各样的问题，要想真正用好它需要不断在实践中摸索和总结。随着GPS气象学的发展，新版GAMIT软件中加入了计算大气可降水量的模块，使得该软件在气象学中有了更进一步的应用。
(编辑:于杰)
［1］马洪滨，贺黎明.新版GAMIT软件的功能特点与应用实例分析［J］.矿山测量，2008，(4):36－39
［2］周忠谟，易杰军，周琪.GPS卫星测量原理与应用［M］.北京:测绘出版社，1999:129－130.
AbstractGAMIT is an excellent software for the processing and analysis of GPS data.In this paper，the authors introduces the main funtons，and installing process on a PC and its applications in meteorology of GAMIT software to determine the precipitable water vapor of the atmosphere.
Key wordsGAMIT;linux;gps;tropospheric dclay;pracipitable water vapor
GAMIT Software’s Installing on PC and Its Application in Meteorology
ZHANG NingHU PengLIU Shu-fengSU Yi
(Jinan Meteorological Bureau，Jinan Shandong 250002，China)
X16
A
1002－2104(2010)05专－0238－03
2010-06-06
张宁，主要研究方向为气象学。
