GAMIT在呼伦贝尔市GPS C级网基线处理中的应用

张瑞新

摘要：GAMIT是美国麻省理工学院（MIT）和美国加利福尼亚大学SCRIPPS海洋研究所（SIO）共同研制用于定位和定轨的GPS数据分析软件，广泛应用于定轨、长距离定位、全球性板块运动监测等，是优秀、稳定的高精度GPS数据处理软件。本文以内蒙古自治区呼伦贝尔市GPS C级网为例，利用GAMIT高精度基线解算方法，解决了呼伦贝尔市GPS C级网因为点位观测环境差、平均控制网边过长，B级控制点点位发生位移等难以达到国家标准的问题。经统计分析，呼伦贝尔市GPS C级网根据GAMIT q文件中N、E、U三分方向的分量误差统计，相邻点基线分量中误差为水平±7.9mm、垂直±16.1mm，相对精度达到0.09ppm，完全符合国家GPS C级网限差要求。

关键词：gamit；GPS C级网；基线解算；可靠性

1.引言

GPS C级控制网是内蒙古自治区现代大地测绘基准体系的重要组成部分，是对自治区境内已有的高等级GPS控制网的加密和补充，作为各类测绘工程的基准使用。目前，已完成全区十二个盟市的GPS C级网加密建设，所有GPS C级网均严格相关规范设计、布设和观测。整个项目耗时长、工作量大，为反映观测数据质量、减少后期补测反测，观测数据的处理方法显得尤为重要。GAMIT软件是目前世界上最优秀、最稳定的高精度GPS数据处理软件，可以有效提高GPS C级控制网的点位精度，解决部分质量较差的观测数据达不到国家标准的问题。

2.研究区概况与观测数据情况

2.1研究区概况

本文以内蒙古自治区东北部呼伦贝尔市GPS C级网为例，，由94座GPS C级网和19座GPS B级控制点组成均匀分布在整个呼伦贝尔市。研究区东邻黑龙江省，南接兴安盟，西和西南与蒙古国毗邻，北和西北与俄罗斯交界，面积26.2万Km2，境内地形复杂，涵盖森林、湖泊、草原等地形地貌。呼伦贝尔市地势西高东低，大兴安岭以东北—西南走向纵贯呼伦贝尔市中部，形成三大地形单元：大兴安岭山地为林区、岭西为呼伦贝尔大草原、岭东地区为低山丘陵与河谷平原。由于呼伦贝尔市特殊地形地貌环境，在GPS C级点点位设计与埋设过程中，部分控制点无法找到理想的环境，接收机GPS卫星观测数据质量较差；其次，呼伦贝尔市面积较大，各控制点之间平均间距较长；最后，辖区内B级点成果老旧，部分已被人为破坏，发生明显沉降和位移，需要剔除粗差，给解算带来一定难度。

2.2观测数据

呼伦贝尔市GPS C级网于2016年至2017年间观测完成，全部采用美国天宝Trimble双频GPS R8-4接收机进行观测，观测25天，共有49个时段数据，观测时间大于4h，每点观测大于2时段。其中：2016年年积日为267、269、270、271、272、274、275、276、277、278、279、281、282、283、284、285、286共17天，2017年年积日为227、229、230、231、232、233、234、235、325、326、329、330共12天。

3. GAMIT軟件及数据处理方法

3.1 GAMIT简介

GAMIT是美国麻省理工学院（MIT）和美国加利福尼亚大学SCRIPPS海洋研究所（SIO）共同研制用于定位和定轨的GPS数据分析软件。基于Fortran语言和标准C语言编写，包括多个独立运行的程序化模块。GAMIT广泛应用于定轨及长距离定位，尤其是监测全球性板块的运动。与普通的GPS随机处理软件相比，GAMIT功能更加强大，在解算过程中引入了卫星轨道和地球自转参数估计、用模型改正各种地球物理效应（极移、岁差、章动、潮汐等）、对流层天顶延迟参数和大气水平梯度参数估计、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、可选观测值等权、反比于基线长度或随高度角定权、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、数据编辑人工干预（CVIEW），也可自动处理（AUTCLN）。

采用GAMIT软件处理双差观测值，采用最小二乘算法进行参数估计，可完全消除卫星钟差和接收机钟差，能明显减弱轨道误差、大气折射误差等系统性误差的影响。

3.2 GAMIT数据处理方法

（1）原始观测数据处理

将观测值转为标准格式RINEX文件，由于观测时天线量高方式为ARP，需要进行天线高归化改正DHARP。同时，保证rinex头文件中的接收机和天线类型与GMAIT表文件rcvant.dat中的接收机和天线类型保持一致。

（2）gamit软件数据准备

①新建工程及文件夹brdc、rinex、tables、igs、gigs。

②更新表文件（tables文件夹）。利用filezilla命令链接服务器，找到更新的表文件进行更新，将更新后的表文件复制到新建工程文件夹中。通常来自IERS的地球自转参数表ut1、pole.需要每日或每周更新；章动表nutabl、太阳星历表soltab、月亮星历表luntab.、跳秒表leap.sec需要每年更新；接收机/天线列表rcvant.dat在新仪器使用时需要更新；卫星列表svnav.dat在新卫星使用时更新；码偏文件（P1-C1、P1-P2）dcb.dat需要月更新。

③利用sh_get_nav命令下载广播星历和精密星历，利用sh_get_rinex命令下载北京房山（bjfs）、吉林长春（chan）、蒙古乌兰巴托（ulab）3个IGS跟踪站观测数据。

④调整解算策略。本文中sestbl基线处理时模型控制文件及sittbl各测站的精度控制指标、已知坐标强约束、未知点松约束设置如下表3-1所示。

⑤获取观测点先验坐标，制作lfile。本文利用rinex头文件中各点位的概略坐标制作lfile.

⑥将观测值（所有单一时段的RINEX文件）拷贝到RINEX文件夹下，同时将tables文件夹中的station.info文件拷贝到该文件夹下，利用sh_upd_stnfo -files *命令利用RINEX文件进更新station.info文件。查看更新后的station. info文件，确保每个点位观测数据中仪器型号、仪器高度、天线型号、天线相位中心改正模型等参数正确。

（3）基线向量批处理

①利用sh_gamit命令将整网观测数据与IGS观测站观测数据进行批处理。

②查看q文件，若评价指标标准均方根nrms≤0.5，则认为基线解算成功，一般为0.25左右，数值越小越好；若>0.5，则认为周跳未修复。同时，查看每条基线处理的实际精度。若nrms超限或基线实际精度指标不符合要求，则调整策略重新解算。

③预平差处理，剔除粗差

若基线解算精度符合要求，则利用GAMIT/GOLBK模块进行一次预平差（sh_glred命令）。平差时，将三个IGS跟踪站当作已知点，原控制网中GPS B级控制点和GPS C级点观测数据当作未知点进行解算。通过预平差结果，将不同时段点位坐标进行比对，排除不稳定的B级控制点，剔除C级点因仪器型号或高程错误产生的粗差。

④基线解算

利用预平差坐标结果更新L-file文件，删除IGS站点观测数据进行基线解算。查看解算结果，若不超限，则提取所有q文件，在q文件中第二个基线解算结果前加入COSA平差软件设定的gamit基线文件标识“COSAGPS FOR GAMIT Q-FILE”，接下来即可利用COSA软件进行平差解算。

（4）整网平差

利用武汉大学研发的科傻GPS数据处理系统（CosaGPS V5.20）进行网平差。

4.基线处理结果与质量分析

4.1不同时段观测数据粗差的发现与剔除

在GAMIT/GOLBK利用预平差处理后，对整个GPS网中同一点位不同时段间的平差结果坐标进行比较，将平面和高程误差明显过大（平面超过3cm，高程超5cm）的点进行数据分析，检查原始观测手簿。

不同时段平差结果误差超限统计如表4-1所示：

在检查原始观测数据与外业观测手簿后，将观测数据中个别仪器高输入错误的数据进行了更正，个别观测时段与其余时段明显不符的进行了数据剔除。

4.2 GPS网中B级控制点可靠性分析

呼伦贝尔市GPS C级网在观测时联测了呼伦贝尔市范围内19个B级点进行同步观测，基线解算合格后将以这些B级点的坐标成果为基准进行整网平差解算，为保证GPS C级点坐标成果的正确性与可靠性，必须先对作为控制点采用的B级点进行可靠性分析。利用预平差后B级点点位坐标数据与资料馆提供的已知坐标数据進行比对，分析B级点的可靠性。B级控制点比较结果如表4-2：

分析发现，B767与B834两点预平差成果与坐标资料成果明显相差较远，属于外业找点时发生错误，不可用。而B765和B853与原坐标成果有一定差距，对这两个B级控制点也进行了剔除。

4.3基线处理结果质量分析

利用Gamit进行解算，其质量好坏指标为nrms（单天解标准化均方差）。它表示单时段解出的基线值偏离其加权平均值的程度。nrms越小，其精度越高。通常情况下0.5以下视为合格，一般在0.25左右。本项目共涉及49个时段的数据，其nrms分布区间统计见表4-3：

由表4-3可知，本次基线处理结果中nrms全部小于0.25，质量较好，基线解结果可以进行精度统计和平差处理。

4.3.1相邻点基线分量中误差

相邻点基线分量精度误差在GAMIT基线解q文件中以N、E、U三分方向给出分量误差，由此统计出的相邻点基线分量中误差见表4-4。

4.3.2同步环检核

Gamit软件采用的是全组合网解，同一时段同步环闭合差在基线解算时，已经进行了分配，由同步基线组成的同步环闭合差均为0。将每个时段的基线文件导入科傻GPS软件中进行同步环闭合差统计，结果如图4-1所示：

4.3.3重复基线检核

重复基线检核检核采用科傻GPS数据处理系统（cosa）软件，基线总计1310条，其中复测基线689条，结果全部合格。

4.3.4异步环检核

利用科傻GPS数据处理系统（cosa）软件进行异步环闭合差检验，共513个异步环，结果全部合格。

4.4网平差结果统计

网平差软件使用科傻GPS数据处理系统（cosagps），进行三维无约束平差及三维约束平差。平差基准采用2000国家大地坐标系，坐标框架为ITRF97，历元为2000.0。下面以最终的三维约束平差结果进行统计分析。

三维约束平差基准为2000国家大地坐标系，以B760、B763、B765、B777、B779、B784、B792、B802、B805、B808、B818、B824、B828、B836、B844和B845点的三维坐标作为起算依据进行约束平差。

4.4.1基线向量精度统计

基线向量残差统计，见表4-5。

4.4.2点位精度统计

三维约束平差，点位误差最大点（最弱点）是C505，误差为4.11cm。整网点位中误差为±1.86cm。

4.4.3相对精度统计

控制网平均边长为78.05km，最弱边C450-C474，边长20053.931m，相对精度为1/1906000（0.52ppm）。平均相对误差为0.08ppm。

5.结语

GAMIT相对于其他GPS数据处理软件，在观测数据处理方面有如下优势：（1）采用批处理模式，实现整网观测数据自动批处理；（2）解算时引入精密星历、天线动态相位中心模型、海潮模型、对流程延迟改正模型等参数，在求解长距离基线时能达到更高的精度；（3）基线处理采用的是全向量解，在基线解算的过程中，将同步环闭合差进行了误差分配，基线解算完成后每个时段的同步观测基线组成的同步环其闭合差都为0，省去了反复“调整基线—导出数据—同步环检验”的循环过程；（4）利用GAMIT/GOLBK模块进行预平差，通过对预平差结果比对分析，可将观测数据中的粗差剔除。

在实际工程应用中，对于小范围内几个、十几个控制点的小GPS观测网或者对测量精度要求不高的低等级GPS网，Gamit的优势与解算速度并不明显。但是对于大范围、高等级、点位多的控制网如GPSB/C级网或省级CORS网基线解算、网平差或稳定性分析时，GAMIT有着非常大的优势，可明显提高解算效率和精度。

参考文献：

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