不同ITRF框架下对GNSS数据处理的结果分析

2015-03-30杨文锋

测绘通报 2015年1期

杨文锋

(信息工程大学导航与空天目标工程学院，河南郑州450052)

一、引言

GNSS泛指所有的卫星导航系统，包括了GPS、GLNOSS、Galileo、BDS导航系统等，以及相关的增强系统，如美国的WAAS(广域增强系统)、欧洲的EGNOS(欧洲静地导航重叠系统)和中国的北斗地基增强系统。GNSS的出现不仅推动了定位、授时、导航技术的巨大发展，同时也给测绘行业带来了前所未有的技术革新，推动了当今测绘信息获取技术的巨大变革，特别是地球空间信息获取技术的变革。

GNSS数据的处理对提高定位精度也越来越关键。而参考框架是GNSS数据处理的基础，因此一个良好的参考框架对GNSS数据处理有着至关重要的作用。较好的坐标参考框架必须是全球统一、连续自洽、并得到不断精化的框架，目前只有国际参考框架(ITRF)具有这些条件。当今常用的国际坐标参考框架有2001年的ITRF2000，2006年的ITRF2005和2007年的ITRF2008。同时在处理GNSS数据时，要尽量采用最新的ITRF参考框架，并及时把过去处理的结果转换到最新的ITRF参考系中。

GNSS数据进行处理时，不同的软件对GNSS数据处理的结果也有很大的差异。目前，国内外对GNSS数据处理的主流软件有美国的GAMIT/GLOBK、瑞士的Bernese和武汉大学的PANDA等。使用这些软件对GPS、SLR(激光测卫)、DORIS(多普勒定轨和无线电定位系统)等多类跟踪数据进行处理，实现了GPS导航卫星和中低轨卫星的精密定轨;通过对地面跟踪网数据进行处理，相对定位精度可达mm级;对全球GPS跟踪网数据处理，GPS导航星座的精密定轨可达到3～4 cm精度以及时间同步精度优于0．5 ns;通过对星载GPS数据处理，低轨卫星精密轨道精度可达到6～8 cm;对地面的SLR数据进行处理可以实现LAGEOS等卫星厘米级精度的精密定轨。随着GNSS技术的不断发展，我国学者利用GAMIT/GLOBK和Bernese等软件对GNSS数据处理作了大量的研究工作和一些大胆的尝试与创新，取得了大量优异的成果。但是就总体而言，我国在高精度GNSS数据处理的研究成果与发达国家相比还有一定的差距。

本文利用GAMIT/GLOBK软件对高精度的GNSS数据在不同的ITRF框架下的解算进行了试验，并对不同参考框架下的结果进行了比较分析，得出了相应的结果。

二、ITRF国际地球参考框架

ITRF(International Terrestrial Reference Frame)地球参考框架是利用全球测站观测资料成果推算所得到的地心坐标系统，是目前世界上精度最高、稳定性最好的参考框架，是一个空间直角坐标形式的坐标，同时给出了台站的漂移速度，其坐标精度为毫米级甚至是厘米级的四维地心坐标参考框架。从20世纪80年代至今，IERS已发布了多个不同版本的ITRF，包括ITRF88-ITRF97，2000、2005、2008全球坐标参考框架。ITRF点位、速度的精度方面以及在科学性和完整性方面在的后一个版本都要优于前一个版本。

其中ITRF2000是供21世纪地球科学应用和地球参考系的标准坐标框架。ITRF2000的形成不仅使用了甚长基线测量(VLBI)、激光测月(LLR)、SLR、DORIS、GPS这些主要的核心站参与计算以外，还采用了阿拉斯加、南极、亚洲、欧洲、南北美洲和太平洋等地区的区域性GPS网进行加密。ITRF2000联合平差单项解算成果时，常采用移去、松弛、最小约束等平差技术。

ITRF2005与以前的ITRF版本不同，ITRF2005是利用站点坐标和地球定向参数(EOP)的时间序列数据来建立的。从ITRF2005开始，以后的ITRF实现基于站坐标(VLBI)每天的站坐标，GPS、SLR和DORIS每周的站坐标)和EOP参数(极移、UT1、日长参数)的时间序列，最终目标是实现ICRF、ITRF、EOP等一系列完全融洽的产品。

ITRF2008同ITRF2000形成一样，利用4个空间大地测量技术GPS、VLBI、SLR、和DORIS的不同年份观测数据进行重新处理后的国际地球参考框架精化版，ITRF2008相比其他系列版本的ITRF，改善了台站的位置、速度精度、定义参数，特别是原点和尺度都有所改善。

由于不同时期的ITRF框架之间4个基准分量的定义不同，因此ITRF框架之间存在较小的系统性差异，这些系统性差异可以用七参数表示，两个框架之间的转换公式为

三、GNSS数据处理软件GAMIT/GLOBK

1．GAMIT/GLOBK软件

GAMIT/GLOBK软件是一套基于UNIX/LINUX操作系统下的用于高精度GNSS数据处理分析的开源软件，它不仅精度高、功能强大，而且开放源代码。当它采用精密星历和高精度起算点时，其处理长基线和连续时段静态定位相对精度可达10－8～10－9数量级，短基线的精度可达1～3 mm。解算时可以根据实际需要进行人工干预进行数据处理，如数据处理时的最大测站和卫星数目可在编译时进行自行设定。它是目前国际上最优秀的GNSS定位和定轨数据处理分析软件之一，在科学研究中得到了广泛的应用。它的基本输出文件是H-文件，GLOBK软件利用GAMIT的基本输出文件作为输入文件进行解算，可估计出测站坐标、速度、卫星轨道参数以及地球定向参数等。GAMIT/GLOBK软件的优点是数学模型准确、能够自动化批处理、国际标准适应性、灵活的模块化设计等。它包括5个核心模块一些辅助模块。如图1所示。

图1 GAMIT/GLOBK/GLOBK软件结构图

(1)核心模块

ARC:轨道积分模块，对卫星运动方程进行数值积分来确定卫星轨道;依据初始根数产生标准轨道，ARC程序会创建一个T文件，里面是惯性坐标系下卫星坐标及其相对于初轨的偏导数和其他一些调节参数。

MODEL:求偏导数，生成观测方程创建一个包含观测残差OCS的C文件和用于SOLVE进行参数估计的部分派生文件。

AUTCLN:周跳探测修复模块，自动修复周跳，AUTCLN能对一个甚至多个C文件运行来标记或者修复周跳，并对问题数据除权。在处理数据时还可选择周跳修复模块模式，即单站/双站自动修复模块和人工修复模块。

SOLVE:利用双差观测值按最小二乘解算各参数的模块。

CFMRG:SOLVE模块创建观测文件(M—file)，定义和选择有关参数并确定最终解算数据以及参数的组织方式。

(2)辅助模块

MAKEXP:数据准备部分的驱动程序，为后续处理生成文件。

MAKEJ:用于生成卫星钟差文件。

MAKEX:将原始观测数据格式(RINEX)转换成GAMIT软件所需的文件格式。

BCTOT(NGS．TOT):将星历格式(RINEX、SP3、SP1)转换成GAMIT软件所需的文件格式。

FIXDRV:数据处理部分的驱动程序，生成批处理文件。

CTOX:将二进制C文件转换成文本形式的X文件。

CLEAN:人工周跳剔除模块。

Hl:天线高改正的相关模块。

ORBITS:一些特殊用途的轨道分析模块集，例如轨道比较、轨道转化等。

TFORM:一些坐标转化程序集。

UTILS:一些常用数据分析工具集。

其数据处理流程如图2所示。

图2 GAMIT/GLOBK/GLOBK软件处理流程图

2．GAMIT/GLOBK数据处理质量的评价标准

1)标准化均方差post_nrms是衡量单天解质量的重要指标之一，根据国内外利用GAMIT/GLOBK解算GNSS数据经验，其值越小越好，最大不能超过0．3，若NRMS值太大，则需要重新检查处理过程中的周跳是否完全修复。

2)参数的改正量小于等于其约束量的2倍。

3)当Choice of observable为LI-ONLY时，B1、Ll计算的整周模糊度必须是整数。

4)数据的噪声水平是否与选用的模型匹配。

四、ITRF参考框架对GNSS数据处理与结果分析

本试验数据处理均以中国IGS网的10个跟踪站的数据为例，其中包括BJFS、CHAN、GUAO、LHAZ、KUNM、SHAO、TCMS、TNML、TWTF和URUM。用GAMIT/GLOBK/GLOBK软件在ITRF00和ITRF05的框架下进行了上面数据的处理并对结果进行比较分析。同时将处理的结果通过GLOBK软件转换到ITRF2008框架下，然后进行结果分析与精度评定。

1．GNSS数据处理准备

在GNSS数据处理前，用户需从IGS网站上下载和更新处理数据所需要的文件，包括测站先验坐标文件(L-文件和vg-in文件)、广播星历文件、观测数据O文件以及其他辅助文件等。GAMIT/GLOBK软件处理数据时要求每个时段观测数据的周期最长为1个UTC天，即从UTC的0点至24点(北京时间8:00—24:00)，原则上不要跨天作业。需要下载的数据包括:原始观测．O文件、电离层．ION文件、导航．N文件、精密星历．SP3文件、地球自转参数信息．ERP文件、码偏差．DCB文件、卫星钟差．CLK文件、参考框架相关的参考基准．CRD文件和速度场．VEL文件、卫星参数．I0X文件、天线相位中心改正参数．I0X文件;此外还需要编辑测站信息文件．STA、测站板块．PLD文件、测站缩写．ABB文件、海潮．BLQ文件、所选站点参考坐标．FIX文件等等。以上IGS测站的地理位置、接收机和天线类型以及天线高(见表1)。

表1 示例数据测站的相关信息

2．GNSS数据处理

1)为了得到GAMIT/GLOBK软件在不同ITRF框架下处理相同数据的差异，本次观测数据为2013年年积日为275—279 d，测站为BJFS、CHAN、GUAO、LHAZ、KUNM、SHAO、TCMS、TNML、TWTF和URUM。每个站点的观测数据都为2013年年积日为5(275—279)天的全天24 h观测，数据质量完好。

2)查询表文件ut1．的时间范围，看处理的年积日是否在时间范围内，如图3所示。

3)利用批处理命令处理以上年积日的数据，获得基线结算结果文件H-file(基线的松弛解)、O-file(约束解)和Q-file(过程记录文件)。

图3 处理时间图范围图

3．数据处理结果分析

本次试验在ITRF2000与ITRF2005框架下对中国部分IGS跟踪站(BJFS、CHAN、GUAO、LHAZ、KUNM、SHAO、TCMS、TNML、TWTF、URUM)的数据在GAMIT/GLOBK/GLOBK软件下进行处理，所处理的观测数据为2013年年积日为5 d(275—279)的数据。经过处理后在不同框架下的各天的基线向量解算的Prefit(验前)和Postfit(验后)均方根差如表2所示。