基于Bernese GPS软件的GPS数据自动解算系统的研究

2011-11-15程传录王小瑞

测绘通报 2011年11期

关键词：双差高精度数据处理

韩菲，程传录，王小瑞

(国家测绘局大地测量数据处理中心，陕西西安710054)

基于Bernese GPS软件的GPS数据自动解算系统的研究

韩菲，程传录，王小瑞

(国家测绘局大地测量数据处理中心，陕西西安710054)

针对高精度GPS数据处理软件操作的复杂性，研发出一套基于Bernese GPS的GPS站网数据自动处理系统AUTO-BGPS。简单介绍Bernese5.0的数据处理原理，着重介绍其BPE功能，阐述AUTO-BGPS自动解算系统的结构设计、功能模块及数据处理过程。通过应用实例验证该软件的可用性。

Bernese5.0;BPE;自动处理;AUTO-BGPS;PPP;双差

一、引言

随着GPS技术的不断发展，它在工程领域的应用越来越广泛。GPS技术是一种相对复杂的应用性技术，它包括天文物理、地球科学等较广范畴的知识，尤其是对于高精度的GPS数据处理，需要技术人员具备一定的专业知识。目前国际上比较成熟的高端GPS精密应用软件有美国喷气推进实验室(JPL)的JIPSY-OASIS、瑞士伯尔尼大学(AIUB)的Bernese、美国麻省理工学院和美国斯克里普斯海洋地球研究所(MIT/SIO)的GAMIT/GLOBK等，这些软件的特点之一就是数据处理模型复杂，对误差改正的研究非常精细，适合于科学研究。正是这些原因，导致其在使用过程中，人机交互的内容过多，处理过程不够直观，影响了它们在工程领域的应用。

在工程应用中，基于GPS中长基线数据，要求高精度、高可靠性的商业用户越来越多，如高速铁路的首级控制网——CP0的解算、国家高等级的GPS控制网的联合解算、连续运行参考站网络数据日常处理［1］等，这些工作都亟待一种如 GAMIT、Bernese这样既适用于长基线、高精度计算又适合生产作业的软件出现。

Bernese GPS软件是由伯尔尼大学天文研究所开发的GPS高精度数据处理软件［2-3］。该软件的应用对象主要是科研人员、负责高精度GPS测量的机构、负责连续运行站GPS接收机的机构等［1，4］。它不仅是一套具有高精度的功能强大的GPS数据处理软件，而且其高度模块化的软件结构以及开放的源代码，也为科研人员利用Bernese作进一步的研究提供了平台［3］。

二、Bernese软件概述

Bernese GPS以双差处理为主，用双差相位观测进行高精度的测地应用。其核心程序语言是Fortran77，个别程序用Fortran90［5-6］。Bernese软件的主程序大概有20个，核心程序块有RXOBV3、PRETAB、ORBGEN等［5］，其数据处理流程如图1所示。

Bernese5.0数据处理步骤主要分为:数据准备，数据的预处理，数据处理，参数估计。

1)数据和必要文件的准备工作主要有:观测数据和星历数据的准备、观测文件格式转换、标准轨道文件的生成等。

2)数据的预处理主要完成对观测数据的预处理工作，包括先验坐标的生成、粗差探测、周跳探测和修复、单差文件的生成等。

3)参数估计，基于最小二乘估计实现对接收机钟差、大气层延迟、模糊度、基线、点位坐标(X，Y，Z)等参数的估计。

图1 Bernese GPS软件双差数据处理流程

三、Bernese GPS软件的BPE功能介绍

随着全球越来越多的参考站网络的建立，积累的大量待处理数据需要一个高度自动化的GPS数据处理软件。BPE(Bernese processing engine)就是满足GPS数据高度自动处理的独立模块［5］。

BPE是Bernese的自动处理模块［3，5］，它是一个由程序、脚本文件、控制程序等组成的完整系统。BPE功能的实现依赖于程序块、脚本文件和控制文件在自动模式下的有机结合。控制文件(process control script，PCS)是BPE的核心。它运行并且控制其他程序模块，并且按照PCF文件里的顺序来逐步地运行各个处理步骤，如图2所示。

图2 PCS(process control script)文件运行流程图［2］

1)PCS是BPE的最外层脚本，它可以独立运行。运行之前要首先指定好PCF文件，PCF文件告诉PCS脚本在本项目中需要做的工作、执行的脚本文件、执行顺序等。当PCF中所有的脚本都运行完毕或者处理引擎在协议文件中发现错误时，PCS将完成处理。

2)PCF(process control file)文件定义了PCS将要执行的脚本文件或处理的模块。在PCF中列出了将要执行的脚本以及这些脚本执行的顺序。并且在PCF中定义了一些处理过程中必须的全局变量，以保证对处理过程具有相似属性的文件或参数采用一致的命名。

图3是PCF文件的部分内容，指定了BPE所要运行的批处理文件以及执行顺序。

图3 PCF文件的基线形成和模糊度解算部分

四、自动处理系统AUTO-BGPS的实现

AUTO-BGPS系统的开发统一在 Visual Studio.NET 2005下进行，开发框架为FrameWork2.0。系统是针对GPS网络平台，集精密单点定位(precise point positioning，PPP)、GPS网络基线解算和平差功能于一体的数据处理软件。软件的功能菜单和主界面如图4所示。

图4 软件主要功能界面

系统的主要功能是实现GPS数据的自动化高精度处理，包括两个部分:PPP和双差数据处理。同时，作为GPS数据处理软件，它附带了GPS数据处理必须的工具，如格式转换、框架转换、坐标形式转换等功能。以下具体介绍该系统的主要功能。

1.PPP模块

1)通过非差模式来快速有效地获得厘米级精度的点位坐标，该坐标也可以为双差处理提供优秀的先验坐标。

2)PPP可以计算与相位观测值相关的接收机钟差值。

3)提取传播路径上的电子总量(TEC)信息，从而可以建立与站相关的或者区域的电离层模型［5］。

4)监测点位随时间的变化。

鉴于以上功能，PPP数据处理可以提供以下几个结果:①法方程文件、站坐标、对流层参数估计、P1-P2/C1-P1之DCBs、站运动速度向量;② 总天顶延长(ZPD);③站钟差;④单点定位坐标。

2.双差定位模块

双差定位是Benrese软件的核心，通过双差可以实现高精度的测地应用。同时，也可以实现其他特殊的功能:①天顶延迟估计、太阳光压估计、地球自转参数估计［5］;② 区域或者全球的对流层监测［5］;③得到整个网解;④动态数据后处理。

3.数据处理的辅助功能

(1)ITRF框架转换模块

ITRF框架转换是GPS数据处理常用到的工具，涉及SP3星历框架转换、GPS成果框架转换等。考虑到坐标框架转换参数跟参考时间相关，因此框架转换采用14个参数转换(即7个转换参数加上7个转换参数的速率)，实现了 ITRF2005、ITRF2000、ITRF97等框架间的逐级转换。坐标形式均为(X，Y，Z)。ITRF2005转换到ITRF2000、ITRF2000转换到其他框架的14个转换参数均为国际地球参考框架官方网站公布的整套参数。模块界面如图5所示。

图5 ITRF框架转换软件

(2)(B，L，H)—(X，Y，Z)框架转换模块

坐标形式转换基于2000国家大地坐标系使用的椭球参数，实现(B，L，H)与(X，Y，Z)的相互转换。如图6所示。

4.AUTO-BGPS系统工作流程

AUTO-BGPS系统工作流程为:①项目建立及属性设置，用户首先要建立项目，在此将设置项目的一些属性，如项目名称、文件目录、测段长度等信息;②处理模式选择;③准备文件，导入原始观测文件、星历文件、钟文件等，根据不同的处理方式导入不同的文件;④运行后台处理程序;⑤显示处理结果。

图6 (B，L，H)↔(X，Y，Z)转换软件

系统在一旦被激活，将按照以下程序进行:①下载相关文件;②准备相关文件;③卫星轨道生成;④观测文件完整性检测;⑤ 数据预处理(粗差探测，周跳探测和修复、模糊度解算);⑥ 数据处理(基线解算和平差、参数估计);⑦ 处理结果显示(画拓扑图、基线和点位结果显示等)。

基于以上几个模块，系统可以自动地完成数据的读取，星历文件和相关文件的下载、数据预处理和参数估计等数据流程，最终得到基线和点位坐标信息，并以图形的形式显示。

五、应用实例

本文结合欧洲国际IGS站的8个站:MATE、ONSA、VILL、PTBB、BRUS、FFMJ、ZIMM、ZIMJ，其中MATE、ONSA、VILL 3个站为IGS核心站，它们参加了IGS00框架的实现，十分稳定。假设 PTBB、BRUS、FFMJ、ZIMM、ZIMJ 5个站为参考站网络，并用AUTO-BGPS软件实现对该网络参考站的监测。

处理模式:以MATE、ONSA、VILL 3个站作为固定站，对其他5个站进行解算。选择一周(2003-05-22—2003-05-29)的数据作为试验数据，每个时段均为24 h。处理方式按照采用多时段连续处理，得到各参考站坐标(Xi，Yi，Zi)以及GPS网基线信息，运行结果如图7所示。

用户首先创建项目，一旦项目创建并开始运行，数据处理系统将激活后台处理模块，自动到指定目录下搜索该天数据，并按照该天的年积日，到指定网站下载相关数据，之后完成数据解算，并提取解算结果信息。在软件主界面上可以看到部分参数的设置、GPS网拓扑结构图和结果查询窗口。用户可以通过右上角的下拉框来查看相关结果内容。

图7 AUTO-BGPS数据自动解算系统运行界面

六、结束语

本文基于Bernese5.0的GPS数据自动处理系统AUTO-BGPS，实现了GPS网络数据的无人值守的自动化处理。它可以自动下载与观测数据相关的其他数据，然后按照选定模式实现自动解算，使繁琐的人工手动处理转换为自动化的无人操作的自动处理。

通过对试验数据的解算，证明了AUTO-BGPS软件在数据的自动解算中，其处理过程是流畅的，参数设置与数据处理模块的交互是有效的，拓扑结构图的显示比例及点位相对位置是合理的，数据解算结果也是准确的，同时其附带的GPS数据处理工具运行也是正确的。该软件可以准确完成对GPS数据的自动化处理，十分适合于GPS参考站网络日常数据的准实时处理和参考站网络的日常监测，也适合于工程GPS控制网的自动解算。但是，软件也存在一些不足之处，在以后的工作研究中将继续改进。

［1］张彩红，聂桂根，熊熊，等.基于Internet的GPS数据自动处理系统的研究［J］.测绘通报，2007(8):26-28.

［2］ HUGENTOBLER U，SCHAER S，FRIDEZ P.Bernese GPS Software Version 4.2［M］.Berne:University of Bern，2001.

［3］张彩虹，朱波，张黎.应用Bernese软件进行高精度GPS定位解算［J］.测绘信息与工程，2006，31(3):8-9.

［4］邓迪祥，张孟军.应用Bernese软件进行高精度的定位解算［J］.人民长江，2006，37(6):38-40.

［5］ DACH R，HUGENTOBLER U，FRIDEZ P，et al.Bernese GPS Software Version 5.0［M］.Berne:University of Bern，2007.

［6］黄丁发，熊永良，袁林果.全球定位系统(GPS):理论与实践［M］.成都:西南交通大学出版社，2006.

［7］郭英.基于Bernese V4.2软件的GPS动态定位研究［D］.青岛:山东科技大学，2004.

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

2010-12-31