基于GAMIT/GLOBK的高精度管道工程控制网解算

徐国杰 吕继书

中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川成都610041

基于GAMIT/GLOBK的高精度管道工程控制网解算

徐国杰 吕继书

中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川成都610041

为讨论基于GAMIT/GLOBK的高精度管道工程控制网解算，论述了基线解算、平差及精度评定的过程及结果。在控制网中按40～60 km间隔选取11个点进行长时间观测，联合7个IGS参考站连续观测数据，利用GAMIT/GLOBK对观测的GPS基线进行精密处理，然后以松弛约束法和开尔曼滤波迭代计算11个点的高精度坐标，以获得的坐标作为起算数据，对整个管道工程控制网进行整体平差。精度分析结果表明，利用GAMIT/GLOBK解算的起算点精度达到毫米级水平，控制网整体平差结果的精度高于三等GPS控制网精度要求。基于GAMIT/GLOBK的高精度管道工程控制网解算可作为一种有效的备用技术手段在将来的工程中推广。

GAMIT;GLOBK;精密星历;管道工程控制网;GPS基线处理

0 前言

管道工程控制网的精度影响着整个管道建设工期的各个环节。管道工程控制网的坐标一般通过GPS静态观测手段，与高等级国家控制点联测后使用通用平差软件(如科傻、TBC等)经过基线解算处理和平差解算得到。依托完善的高等级大地测量控制网在中国及其他发达国家和地区都容易实现并广泛应用［1－4］。但中亚等偏远落后地区高等级大地测量控制网不完善，既有控制点的精度不高、密度也不够，此类地区的大型工程建设，无法通过联测国家控制点布设高精度工程控制网。这对长距离中亚D线管道工程提出了挑战，如何在此类地区建立有足够精度的工程控制网，是当地工程建设需要解决的问题。

GPS静态观测数据处理的关键在于基线解算，随着基线长度增加，卫星轨道误差、对流层延迟及电离层延迟等造成的基线解算误差随之增加。当基线长度增加至上百公里甚至更长时，地球章动、日月固体潮、地壳运动、海洋潮汐等在短基线解算时可忽略不计的因素，都会影响基线解算的精度。而通用平差软件由于其解算模型的限制，无法有效解决上述因素的影响，不适用于长基线解算。所以这些通用平差软件不适用于高等级、大跨度的控制网基线解算。

针对上述问题，中亚D线管道工程采取分级布网、长时观测、分步解算的方法，并利用GAMIT/GLOBK进行高精度长基线解算、高精度网平差，成功建立了跨度达600 km的高精度工程控制网。本文以GAMIT/ GLOBK在中亚D线管道工程控制测量中的应用实践为例，详细阐述GAMIT/GLOBK的高精度GPS基线解算、松弛约束法估算测站起始坐标及开尔曼滤波迭代计算高精度坐标的过程，并在整体平差后进行精度分析。

1 GAMIT/GLOBK数据处理流程

GAMIT/GLOBK是一套高精度GPS数据处理软件，主要用于分析研究地壳变形、高精度GPS测量数据处理等领域，是目前世界上先进的精密GPS数据处理软件之一，广泛应用于长距离、高精度、长时间的GPS定位数据处理［5－10］。GAMIT/GLOBK由美国麻省理工学院(MIT)、哈佛－史密松斯天体物理中心(CFA)和克里普斯海洋研究所(SIO)联合开发，并得到美国哈佛大学和美国国家科学基金会的支持。

GAMIT/GLOBK与常用的Windows软件不同的是，它仅支持在UNIX/LINUX操作系统下运行。

1.1 GAMIT软件

GAMIT软件是世界上优秀的GPS定位和定轨软件之一，采用精密星历和高精度起算点时，其解算长基线的相对精度能达到10－9量级，解算短基线的精度能优于1 mm［11］，特点是运算速度快、在精度许可范围内自动化处理程度高等，应用相当广泛［12－19］。

GAMIT具有ARC、MODEL、AUTCLN、CFMRG及SOLVE等5个主要模块:ARC为轨道积分模块，对卫星运动方程进行数值积分来确定卫星轨道;MODEL为求偏导模块，生成观测方程;AUTCLN为周跳修复模块，CFMRG为参数定义和选择模块，为SOLVE模块创建观测方式文件(M-file);SOLVE模块利用双差观测值按最小二乘法求解各参数。

GAMIT软件处理GPS观测数据的过程非常复杂，其数据处理流程见图1［20］。

1.2 GLOBK软件

GLOBK软件是个基于基线解进行网平差的软件，主要功能是采用卡尔曼滤波和松弛约束算法，综合处理由GAMIT软件对原始观测数据处理后输出的测站坐标解、地球旋转参数、轨道参数等估值及协方差矩阵，产生测站坐标的时间序列，检测测站坐标重复度，检测剔除产生异常域的测站和历元;综合处理同期观测数据的单时段解以获得此期测站的平均坐标;综合处理测站多期的平均坐标来获得测站的速度，最后输出测站坐标。GLOBK软件处理流程见图2。

2 观测与解算

2.1 坐标系确定

在中亚D线管道工程经过的T国和G国境内约600 km路由附近，根据GB/T 50539－2009《油气输送管道工程测量规范》布网原则［21］，布设70对(140个)控制桩建立该工程的控制网。采用GPS双频接收机进行静态观测，相邻点对间同步观测时间不少于2 h。选取工程控制网中6个点与T国已建立的ITRF 2005(参考历元为2009.89)坐标控制点进行联测，但经过严格的起算点精度检查发现控制点精度不能满足起算点精度要求，故不能作为工程的控制网起算点。因此决定建立1套独立于T国控制网的工程控制网，坐标采用最新的ITRF 2008坐标，历元选择在最后一组起算点的观测历元(2013.73)。为与T国既有控制网坐标保持一致，考虑经过整体平差后，再把控制网成果从ITRF 2008坐标转换成ITRF 2005坐标。

图1 GAMIT软件数据处理流程

图2 GLOBK软件数据处理流程

以间距50～80 km选取6个T国既有控制点及5个中亚D线管道工程首级控制点，进行长时间GPS静态观测，平均连续观测时间不小于24 h。收集测区周围的7个IGS连续运行参考站的同期静态观测数据，与以上11个点的观测数据一起打包组成新的包含18个测站数据的长基线GPS网，进行统一解算。

2.2 长基线数据处理

利用GAMIT/GLOBK对18个测站的GPS观测数据进行处理，参与处理的主要参数有:

·7个IGS连续运行参考站的同期观测数据;

·GPS接收机天线相位中心漂移模型;

·GPS精密星历;

·相对于地球自转的定向参数:极点、UTC、UT1;

·章动表(IERS/IGS标准):相对于地球自转轴的章动和岁差;

·月球和太阳的固体潮汐星历;

·码偏差(P1－C1，P1－P2);

·海洋潮汐和大气层带来的地壳载荷;

·影响IGS参考站的地震信息及其带来的相对位移。

通过以下步骤对GPS基站观测数据进行处理:

1)利用每天的GPS双差相位观测值，以松弛约束法估算测站坐标、每个测站的天顶大气延迟参数以及卫星轨道和地球自转参数。其中，卫星轨道参数由IGS(International GNSS Service)提供的精密星历中得出［22］，地球自转参数由IERS(International Earth Rotation and Reference Systems Service)提供的极移和UT1－UTC得到［23］。把这些控制参数连同7个IGS连续运行参考站的同期观测数据一起，解算其ITFR的地心坐标。

2)利用每天估算的测站坐标、卫星轨道参数、地球定向参数以及协方差矩阵，以天为单位集合至一起作为拟观测值进行开尔曼滤波，推算协调坐标集。

以上步骤需要迭代进行，每一次迭代利用上一次计算出的坐标作为先验值进行计算。

3)根据7个IGS连续运行参考站已知坐标，利用空间转换6参数(3个位移参数，3个旋转参数)计算测站坐标。在该步计算中舍弃尺度参数是为了使参加计算的7个IGS连续运行参考站坐标的计算值和其已知值误差最小。该步也需要迭代进行，直至求出7个IGS参考站坐标的最佳子集。

通过以上步骤计算，得到11个测站平面坐标的相对误差优于±1 cm;椭球高的相对误差优于±1.5 cm。在2013.73历元(最后一组观测时的历元)的ITRF 2008的空间坐标优于±1 cm。

2.3 坐标系转换

首先，利用IERS发布的基于ITRF运动场模型的欧洲板块运动速率的欧拉向量，计算各测站速率，利用测站速率把各测站的ITRF 2008坐标从2013.73历元转换至2009.89历元。然后利用IERS公布的坐标转换7参数(3个位移参数，3个旋转参数和1个尺度参数)把11个测站坐标从ITRF 2008转换至ITRF 2005。最终得到11个测站在历元2009.89的ITRF 2005坐标。

2.4 整网平差

将通过GAMIT/GLOBK解算获得的11个起算点的高精度坐标作为已知值进行工程控制网整网平差。此时不存在解算长基线的问题，平差软件采用Trimble Business Center。基线解算及其精度检查通过后，以11个起算点的坐标值作为控制网的约束条件进行约束平差，得到全部首级控制点坐标。

3 精度分析

3.1 起算点解算精度分析

以起算点解算结果中误差为精度指标来评价起算点解算精度。表1为11个起算点解算坐标后验中误差。

表1 起算点解算坐标后验中误差表

由表1可知，虽然起算点间距均在50 km以上，但因为基于GAMIT/GLOBK进行解算时利用了精密星历，大大提高了解算时的起始估算坐标精度，并考虑了地球自转参数等7个影响解算精度的环境参数，最后把解算结果的精度提高到了毫米级水平，为工程控制网整体平差提供了高精度的起算基准。

3.2 整网平差精度分析

以工程控制网同步观测环闭合差为指标来评价起算点解算精度。对控制网600余个同步观测闭合环进行检查，发现闭合差大部分控制在2 mm以内(为便于比较分析，闭合差为已换算为每公里相对闭合差，下同)，少数闭合差大于4 mm，最大闭合差为5.6 mm。

根据GB 50026－2007《工程测量规范》的三等GPS控制网精度要求［24］，算得同步环全长闭合差应小于6.7 mm，通过以上结果比较可知，本文计算结果满足三等GPS控制网精度要求，而管道工程首级控制网的精度要求为四等GPS控制网精度。

4 结论

精度分析表明，本文采用基于GAMIT/GLOBK进行起算点坐标解算，然后进行整网平差得到了高精度结果。总结本次控制测量外、内业过程可知，长时且稳定的观测数据，IGS参考站数据的应用，精密星历，天线相位漂移等精度因子的考虑及整体平差时的合理布网等几个关键因素都大大降低或消除了相应的偶然或系统误差，保证了解算结果的高精度。而高精度基线解算及GAMIT/GLOBK是整个技术流程的关键，基于其对上述各种数据高效综合的利用，得出了最后的高精度结果。

实践证明，在高等级大地测量控制网不完善地区，利用GAMIT/GLOBK进行工程控制网解算可以大大提高网形内部精度和解算精度。如果可以获得参与解算的IGS参考站的目标坐标系坐标，这种方法完全可以在任何地区实施。鉴于GAMIT/GLOBK的高精度和高效，利用这种方式进行控制网解算可作为一种有效的备用技术手段在工程中推广应用。

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10.3969/j．issn．1006－5539.2016.06.024

2016－04－10

中国石油天然气集团公司重点工程资助项目(S 2013－009 D)

徐国杰(1984－)，男，山东单县人，工程师，硕士，主要从事3 S工程应用相关技术工作。