利用GAMIT进行高精度GPS基线解算的方法及精度分析

赵建三，杨 创，闻德保

(长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙410004)

利用GAMIT进行高精度GPS基线解算的方法及精度分析

赵建三，杨 创，闻德保

(长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙410004)

系统分析利用GAMIT进行高精度GPS基线解算的方法，对如何解决其中可能出现的问题和错误进行探讨，并对解算精度进行分析，有利于用户高效地获得高精度的解算成果。

GPS;基线解算;GAMIT;高精度

随着精密工程测量学、地球动力学、GPS气象学等领域对GPS数据处理的精度要求越来越高，国内外研制出了很多高精度的 GPS数据处理软件。GAMIT由于具备可免费申请获取、开放源代码、更新速度快、解算精度高、自动化处理程度高等优点，在国内应用相当广泛。但由于其运行平台限制、解算文件多、参数设置复杂，给用户带来诸多问题。本文结合数据处理方法，对可能会出现的错误进行分析和解决，探讨控制参数对解算结果的影响。

一、GAMIT的组成及算法

GAMIT解算程序由7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)、DBCLN(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(利用双差观测值求解参数)。GAMIT利用双差观测值，组成与观测值和参数相关的非线性数学模型，采用最小二乘算法反复迭代来估计测站的相对位置、轨道和地球自转参数、对流层天顶延迟参数、大气水平梯度参数，得到的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［1］。其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，也可以明显减弱轨道误差、大气折射误差等系统性误差的影响［2］。

二、GAMIT的配置与解算过程

1.GAMIT的配置

(1)GCC的安装配置

GAMIT需要在UNIX或LINUX平台运行，并且需要得到GCC编译器的支持，不同的GAMIT版本匹配相应的GCC版本，否则GAMIT安装不能完成。安装GCC时可以直接在根目录下建立文件夹gccobj，进入文件夹打开终端执行命令，命令执行完成后GCC即安装完成。最后可以使用命令gcc-v查看GCC版本来验证安装是否成功。

(2)GAMIT的安装配置

安装GAMIT时可以直接在根目录建立文件夹gamit10.3，把压缩包拷贝到该文件夹里，打开终端，执行解压安装命令，如果安装文件是压缩文件，此命令即对其进行解压。再次执行此命令即进行GAMIT的安装。为了在程序运行时系统能调用到GAMIT命令，需要将4个路径［1］:/gamit10.3/com、/gamit10.3/gamit/bin、/gamit10.2/kf/bin、/gamit/ help加入到系统隐藏文件*.cshrc文件中，如果系统的工作shell是B shell，则加入到系统隐藏文件*.bash_profile文件中，保存后重新启动计算机即完成GAMIT的安装。可以打开终端输入年积日计算命令doy来验证是否安装成功，如果计算成功，就基本确定GAMIT已安装成功。

2.解算过程

(1)数据准备

数据处理需要的文件很多，可以分为数据文件、配置文件、表文件。解算所需文件的说明如表1所示。

表1 解算所需文件说明

数据准备前，一般先建立以原始处理数据相对应的年积日为文件名的文件夹，年积日和GPS周可以通过doy命令计算。IGS站GPS原始观测数据文件下载后需要进行两次解压，常规解压后变成格式site0900.06d(site为IGS站名，090为年积日，0为时段号，06为年份，d为数据格式)，再利用crx2rnx+文件名命令转化为格式site0900.06o。

配置文件的某些参数设置必须和数据文件相匹配，而且其设置对解算的精度和目的有一定的影响，所以应该做好必要的重置。①L文件。L文件包含所用测站的概略坐标文件，概略坐标的精度不能过低，否则会解算失败。L文件的生成方法是在工程文件下打开终端分别输入 grep POSITION、rx2apr、glbtol 3条命令，如果原始观测文件的概略坐标未知，就需要先利用原始观测数据o文件和导航文件通过sh_rx2apr命令来生成［1］。②station.info、sittbl.两个文件的测站和时间设置必须和原始观测数据相匹配，sestbl.文件的设置需和解算目的相匹配，session.info文件一般通过数据处理过程中的makexp来创建比较方便。

(2)数据处理

文件全部准备好后，在文件夹下打开终端进行数据处理，以2006年第90天为例介绍处理过程。

1)输入命令makexp，根据系统提示依次输入工程名gigg、轨道名gigg、年份2006年、年积日090、起始序列号 1、L文件 lgigg6.090、导航文件auto0900.06n，由于没有事先创建session.info文件，系统还会提示输入采样间隔、起始时间、历元数，依次输入30 0 0 2880。

2)生成星历表T文件，输入命令sh_sp3fit-f igr13685.sp3-o gigg。

3)检查G文件，输入命令sh_check_sess-sess 90-type gfile-file ggigg6.090。

4)生成卫星时钟文件J文件，输入命令makej auto0900.06n jauto6.090。

5)检查J文件，输入命令sh_check_sess-sess 90-type jfile-file jauto6.090。

6)生成测站时钟K文件和观测值X文件，输入命令makex gigg.makex.batch。

7)执行FIXDRV程序产生批处理文件，输入命令fixdrv dgigg6.090。

8)执行批处理文件csh bgigg6.bat。

三、配置与解算过程出错分析

由于GAMIT由多个模块组成，输入和生成的文件多，解算参数多，过程复杂，常常会出现各种不同类型的错误，正确地分析解决错误非常重要，有时甚至关系到成果精度的提高。下面对安装和解算过程中经常出错的地方按阶段进行分析。

1.配置阶段

UNIX系统库文件安装的完整性是非常重要的，其中 xlib.h和 xlib.a两个文件必须安装。GCC4.2以前的版本在安装前需要修改MAXUNIT默认参数100为GAMIT源代码中要求的10 000，保证GAMIT能正常运行，此参数在GCC的libf2c/ libI7/fio.h中修改［3］。GAMIT安装包解压后需要对安装程序的配置文件 Makefile.config的参数MAXSIT(最大测站数)、MAXSAT(最大卫星数)、MAXATM(最大天顶延迟参数)、MAXEPC(最大历元数)进行修改，达到实际解算需要的要求。另外，还要在Makefile.config中确认库文件和编译器的路径设置正确，并且和系统版本相匹配。安装完成后，运行路径的添加要符合shell语法的要求［3］，如果是C shell，GAMIT安装在根目录，格式为

Setenv PATH“${PATH}:/gamit/bin:/gamit/kf/bin:/ gamit/com”

Setenv HELP_DIR“${HELP}:/gamit/help”

如果是B shell，GAMIT安装在根目录，格式为

PATH=$PATH:/gamit/bin:/gamit/kf/bin:/gamit/com

HELP_DIR=/gamit/help/

2.数据解算阶段

数据处理所需要的各类文件都有规范的文件名和格式，比如ut1.表文件的后缀点就必不可少，需要重置的文件要按照标准格式编辑好，从Windons系统中拷贝过来的文件最后都应该执行dos2unix命令转换为RINEX格式。与解算数据日期同步的文件应该及时更新，其中 soltab.、luntab.、nutabl.、leap.sec每年更新一次，ut1.、dcb.dat每月更新一次，pole.每周更新一次，有新卫星加入时，svnav.dat需要更新;有使用的卫星异常时，svs_exclude.dat需要更新;当有新的接收机或天线出现时，与其有关的文件都需要更新［3］。数据处理阶段要保证各类参数、文件名、命令的输入准确无误。每个模块正常执行完毕提示语句为:Normal end;解算完成提示语句为:Normal Stop。

四、算例及精度分析

1.算 例

选用2006年3月31日(年积日090)BJFS(北京房山)、WUHN(武汉)、KUNM(昆明)3个IGS站的原始观测数据，采用 IGS快速星历，观测时间24 h，历元间隔30 s。解算控制参数见表2。

表2 解算控制参数的选择

解算完成后，从生成的o文件(ogigga.090)中查看标准化均方根残差(nrms)、解算结果和精度，其中nrms是衡量基线解算质量的最重要指标，一般为0.25左右，原则上应小于0.3，如果nrms符合要求，解算结果就比较可靠，甚至不需要检查其他指标［1］。本例中nrms为0.24，基线解算成果的精度均匀合理，基线长度的相对精度都可以达到10－9量级，满足高精度测量的要求。基线解算成果及精度见表3。

表3 基线解算成果及精度

2.精度分析

GAMIT解算精度不仅受原始观测数据精度的影响，还会受到解算控制参数的影响。不同的控制参数可以用来达到不同的解算目的，但精度也会受到影响，为了能得到理想精度的解算成果，下面分析其对精度的影响。控制参数选择截止高度角、天顶延迟参数、观测量和测站坐标约束，这4类参数在解算过程中变动频繁，能比较全面地反映控制参数对精度的影响［4］，基线选择为BJFS(北京房山)— KUNM(昆明)，精度指标选择标准化均方根残差(nrms)、基线分量误差和基线长度的相对精度。分析结果见表4～表7。

表4 不同截止高度角对基线(BJFS_KUNM)精度的影响

表5 不同天顶延迟参数对基线(BJFS_KUNM)精度的影响

表6 选取不同观测量对基线(BJFS_KUNM)精度的影响

表7 不同测站坐标约束对基线(BJFS_KUNM)精度的影响

由表4可见，截止高度角从5°到25°，nrms呈微量减小趋势，但都在0.24左右，表明解算结果都比较可靠，基线分量各个方向误差和基线长度相对误差呈增大趋势，5°和10°的解算结果精度指标完全相同，不过高度角太低时路径延迟对水汽变化非常敏感，因此在一般的解算情况下选择10°的截止高度角比较适宜。

表5中各项基线精度指标仅有微小变化，表明天顶延迟参数变化对长基线的精度影响不是非常明显，这对于利用GAMIT来获取对流层天顶延迟是一个有利的因素，不过随着估计的参数增多，对流层天顶延迟改正值精度有一定的提高，这在表5中没有列出，同时也会延长解算所需的时间。一般情况下，天顶延迟参数取为13，即每2 h产生一个天顶延迟估值是比较合适的。

由表6可以看出，选择观测量LC_AUTCLN(观测值是无电离层的线性组合)进行解算得到的基线分量精度明显要高于选择另外3种组合得到的基线分量精度，所以一般应该选择LC_AUTCLN作为解算观测量，不过选择不同的观测量能达到不同的解算目的，应该弄清各项观测量的含义，在解算过程中酌情选用。

测站坐标约束是通过对一个或多个基准站的坐标分量加以约束，为数据分析定义参考系统。表7中随着测站坐标约束由紧到松，基线精度由高到低明显变化，表明测站约束对基线精度的影响很大。但是最强约束项(0.01/0.01/0.02)导致基线分量误差比站点坐标约束还要大，这表示解算过程中并没有进行合理估计的足够数据，这种约束条件下产生的成果是不能接受的。另外4组约束解算的结果都是可以接受的，其中以约束项(0.05/0.05/ 0.06)得到的基线精度最高。因此设置测站坐标约束时，应该对解算数据质量、初始坐标精度和其他参数设置进行综合考虑，太强的约束得到的基线成果并不可靠。

五、结束语

GAMIT由于其结构的复杂性，需要准备的文件很多，在安装和解算过程中有时严格按照步骤操作也会遇到许多问题。对输入文件的内容和格式作更多的了解和研究，不但能快速解决解算中出现的问题，更能充分利用和挖掘其强大的高精度解算能力。

由于现在的主流操作系统仍然是Windows系统，而GAMIT是基于UNIX或LINUX平台的，其处理的数据和得到的成果需要在两个不同系统之间频繁流转。一个可行的方法是［3］，在UNIX系统需要得到Windows系统的数据可以执行磁盘挂载命令mount;反之可以通过第三方软件explore2fs，方便地从UNIX系统中获取数据。

从对解算成果及精度的分析可知，GAMIT解算的长基线的全长相对精度达到10－9量级，完全能满足地球动力学、GPS气象学等学科的精度要求。配置文件的参数取舍和设置对成果精度有很大影响，设置不当会使精度降低，成果不可靠，甚至造成解算失败，除以上分析的主要参数外，其他参数设置所造成的影响也是值得研究的内容。

［1］ Department of Earth，and Planetary Sciences Massachusetts Institute of Technology.Document for GAMIT GPS Analysis Software.Release10.3［R］.USA:MIT，2002.

［2］ 刘大杰，施一民，过静珺.全球定位系统(GPS)的原理与数据处理［M］.上海:同济大学出版社，1999.

［3］ 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):35-39.

［4］ 李征航，黄劲松.GPS测量与数据处理［M］.武汉:武汉大学出版社，2005.

［5］ 梁光民，王隆杰.LINUX操作系统实用教程［M］.西安:西安电子科技大学出版，2004.

Method and Precision Analysis of High-precision GPS Baseline Solution by GAMIT

ZHAO Jiansan，YANG Chuang，WEN Debao

0494-0911(2011)08-0005-04

P228.4

B

2010-09-20

国家自然科学基金资助项目(40804002)

赵建三(1955—)，女，湖南长沙人，教授，主要从事GPS、GIS及其工程应用，公路CAD及“3S”技术研究工作。