GPS相對(duì)定位軟件

1、GPS相對(duì)定位軟件GPS數(shù)據(jù)處理是GPS研究的一個(gè)重要內(nèi)容。目前，國(guó)際上廣泛使用的GPS相對(duì)定位軟件有：美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT ）和加州大學(xué)圣地亞哥分校Scripps海洋研究所（SIO）研制的GAMIT/GLOBK，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）研制的GIPSY/OASIS 軟件和瑞士 BERNE大學(xué)研制的Bernese軟件。選用一種 好的數(shù)據(jù)處理方法和軟件對(duì) GPS數(shù)據(jù)結(jié)果影響很大。在 GPS靜態(tài)定位領(lǐng)域中，幾十公里以下的定位應(yīng)用 已經(jīng)比較成熟，接收機(jī)的隨機(jī)附帶軟件已經(jīng)能夠滿足大多數(shù)的應(yīng)用需要。但是在GPS衛(wèi)星定軌以及長(zhǎng)距離、大面積的定位應(yīng)用中，如洲際板塊運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)及會(huì)戰(zhàn)聯(lián)測(cè)中，這些隨機(jī)附帶軟

2、件就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到要求。Technorati 標(biāo)簽：GAMIT/GLOBK ,GISPY/OASIS ,BERNESE近年來(lái)，GPS定位理論和軟件科學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了GPS定位軟件的研發(fā)，一批滿足不同應(yīng)用需求的 GPS定位軟件亦已面世。盡管不同軟件在數(shù)據(jù)處理方法上各有其特點(diǎn)，但它們的總體結(jié)構(gòu)基本上是一致的，即由 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、軌道計(jì)算、模型改正、數(shù)據(jù)編輯和參數(shù)估計(jì)5部分組成。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：RINREX格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為軟件特有的數(shù)據(jù)格式；剔除一些不正常的觀測(cè)值（如缺偽距或某個(gè) 相位數(shù)據(jù)）；根據(jù)測(cè)站的先驗(yàn)坐標(biāo)、星歷和偽距數(shù)據(jù)確定站鐘偏差的先驗(yàn)值或站鐘偏差多項(xiàng)式擬合系數(shù)的 先驗(yàn)值。軌道計(jì)算：將廣播星歷或精密星歷改

3、成標(biāo)準(zhǔn)軌道；如果需要改進(jìn)軌道，則進(jìn)行軌道積分，將衛(wèi)星坐標(biāo)及坐 標(biāo)對(duì)初始條件和其他待估參數(shù)的偏導(dǎo)寫成列表形式。模型改正：對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行各種誤差模型改正（對(duì)流層折射、潮汐、自轉(zhuǎn)等）得到理論值及一階偏導(dǎo)，從觀測(cè)值中扣除這些理論值得到相應(yīng)的驗(yàn)前觀測(cè)殘差。數(shù)據(jù)編輯：修正相位觀測(cè)值的周跳，剔除粗差。參數(shù)估計(jì)：采用最小二乘或卡爾曼濾波估計(jì)，由編輯干凈的非差觀測(cè)值或雙差觀測(cè)值求解測(cè)站坐標(biāo)、相位 模糊度、（如果采用定軌或軌道松弛）衛(wèi)星軌道改正值、地球自轉(zhuǎn)和對(duì)流層濕分量天頂延遲等參數(shù)。GAMIT/GLOBKGAMIT/GLOBK 軟件是MIT和SIO研制的GPS綜合分析軟件包，可以估計(jì)衛(wèi)星軌道和地面測(cè)站的三維相 對(duì)

4、位置。軟件設(shè)計(jì)基于支持 X - Windows的UNIX系統(tǒng)，現(xiàn)在的版本適用于 Sun （ OS/4，Solaris 2 ）、HP、 IBM/RISC、DEC和基于、Intel工作站的口NUX操作系統(tǒng)。作為科研軟件， GAMIT/GLOBK 供研究和教育 部門無(wú)償使用，只需通過(guò)正式途徑得到使用許可證。完全的開(kāi)放性使用戶可以對(duì)軟件的工作原理、數(shù)據(jù)處 理流程及技巧有全面的了解，這也在一定程度上促進(jìn)了GAMIT/GLOBK的不斷更新。GAMIT軟件處理雙差觀測(cè)量，采用最小二乘算法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。采用雙差觀測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是可以完全消除衛(wèi)星鐘差和接收機(jī)鐘差的影響，同時(shí)也可以明顯減弱諸如軌道誤差、大氣折射誤差等

5、系統(tǒng)性誤差的影響。GAMIT軟件主要功能和特點(diǎn)如下：（1）衛(wèi)星軌道和地球自轉(zhuǎn)參數(shù)估計(jì)；（2）地面測(cè)站的相對(duì)定位計(jì)算；（3）用模型改正各種地球物理效應(yīng)（極移、歲差、章動(dòng)、潮汐等）；（4）對(duì)流層天頂延遲參數(shù)和大氣水平梯度參數(shù)估計(jì)；（5） 支持接收機(jī)天線相位中心的ELEV （隨衛(wèi)星高度角變化）模型改正；（6）可選觀測(cè)值等權(quán)、反比于基線長(zhǎng)度或隨高度角定權(quán)；（7）同時(shí)提供載波相位整周模糊度分別為實(shí)數(shù)和整數(shù)的約束解及松弛解；（8） 數(shù)據(jù)編輯可人工干預(yù)（CVIEW ），也可自動(dòng)處理（AUTCLN ）。用GAMIT估計(jì)對(duì)流層天頂延遲參數(shù)和大氣水平梯度參數(shù)，通常采用線性分段模型，根據(jù)觀測(cè)時(shí)間和區(qū)域 自主確定參數(shù)

6、個(gè)數(shù)。如果測(cè)站間隔較近，估計(jì)得到的參數(shù)間的相關(guān)性會(huì)非常大，由此降低了應(yīng)用于氣象學(xué) 研究的可靠性。這是所有相對(duì)定位軟件的共同局限。關(guān)于觀測(cè)值定權(quán)，軟件推薦的是隨高度角定權(quán)的方法，關(guān)系式表示為rms = a*a + b*b/（elev*elev） （mm），具體操作中a和b可采用缺省設(shè)置，也可以在等權(quán)解算結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用AUTCLN通過(guò)對(duì)觀測(cè)值的殘差分析擬合得到。很顯然，通過(guò)殘差擬合a和b是以增加計(jì)算時(shí)間為代價(jià)的?？梢酝ㄟ^(guò)處理少數(shù)幾天的觀測(cè)數(shù)據(jù)，獲取每個(gè)站a和b的平均值作為這個(gè)站的缺省值，潮汐模型中最復(fù)雜的是海潮部分，其模型改正直接在GPS數(shù)據(jù)處理軟件中完成非常困難。GAMIT采用的方法是直接從

7、文件station.oct中讀取或通過(guò)全球范圍的柵格表grid.oct內(nèi)插得到測(cè)站分潮波的振幅和相位即海潮系數(shù)。隨 GAMIT軟件包發(fā)布的station.oct文件包含了全球 465個(gè)跟蹤站（GPS/SLR/VLBI ）的海 潮系數(shù)，它們主要是采用 CRS4.0全球海潮模型得到的，個(gè)別站也輔以CRS3.0或其他模型。在具體操作中，測(cè)站如果距station.oct中某個(gè)跟蹤站的距離小于 10km，則測(cè)站的海潮系數(shù)就直接取用這個(gè)跟蹤站的， 否則就需要通過(guò)grid.oct內(nèi)插。但一些實(shí)際的數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，直接利用隨GAMIT軟件包發(fā)布的station.oct對(duì)中國(guó)大陸的測(cè)站進(jìn)行海潮改正的效果并不理

8、想。這可能是由海潮模型及station.oct文件中跟蹤站分布的局限性造成的。GAMIT軟件處理GPS數(shù)據(jù)的過(guò)程非常復(fù)雜，但就近幾年的衛(wèi)星狀況和接收機(jī)的狀況，數(shù)據(jù)篩選和編輯完 全可由數(shù)據(jù)自動(dòng)編輯模塊 AUTCLN完成。FIXDRV模塊將數(shù)據(jù)處理部分的工作集為一體，使數(shù)據(jù)處理變得簡(jiǎn)單易行。從2000年起隨軟件包一起提供的一個(gè)由C- shell寫成的程序sh - gamit更是將繁瑣的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和處理工作集成化，只要在RINEX格式的觀測(cè)文件中給定正確的相關(guān)信息即可。GLOBK是一個(gè)卡爾曼濾波器，其主要目的是綜合空間大地測(cè)量和經(jīng)典大地測(cè)量的初步處理結(jié)果完成數(shù)據(jù) 的后處理。因此它的輸入一般是一些準(zhǔn)觀測(cè)

9、量如測(cè)站坐標(biāo)、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)、衛(wèi)星軌道及它們的方差-協(xié)方 差。雖然最初發(fā)展 GLOBK是作為GAMIT和CALC/SOLVE （VLBI的數(shù)據(jù)處理軟件）結(jié)合的一個(gè)界面，但 現(xiàn)已可以接受其他 GPS數(shù)據(jù)處理軟件如 GIPSY和Bernese產(chǎn)出的結(jié)果及經(jīng)典大地測(cè)量和SLR觀測(cè)數(shù)據(jù)。GLOBK三個(gè)主要的應(yīng)用是：(1) 結(jié)合一個(gè)觀測(cè)作業(yè)期內(nèi)不同時(shí)段(例如不同天)的初步處理結(jié)果，獲取該觀測(cè)作業(yè)期的測(cè)站坐標(biāo)最佳估值。對(duì)GPS分析，軌道參數(shù)可作隨機(jī)參數(shù)處理；(2) 結(jié)合不同年份獲取的測(cè)站坐標(biāo)結(jié)果估計(jì)測(cè)站的速度；(3) 將測(cè)站坐標(biāo)作為隨機(jī)參數(shù)，生成每個(gè)時(shí)段或每個(gè)觀測(cè)作業(yè)期的坐標(biāo)結(jié)果以評(píng)估觀測(cè)質(zhì)量；GLOBK是

10、一個(gè)復(fù)雜且又非常靈活的應(yīng)用軟件，包含又許多控制命令，每個(gè)命令完成一個(gè)功能，不同的命 令組合實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用。GIPSYGIPSY軟件是美國(guó)JPL研制的GPS數(shù)據(jù)處理軟件。無(wú)疑，JPL在空間技術(shù)的許多方面，當(dāng)然也包括在 GPS 整個(gè)系統(tǒng)與軟件技術(shù)方面均有不可比擬的條件和領(lǐng)先性。GIPSY用FORTRAN與C語(yǔ)言等編寫而成，目前主要有UNIX和LINUX版本。GIPSY主要通過(guò)腳本程序?qū)崿F(xiàn)程序的自動(dòng)化處理，很多情況下可通過(guò)簡(jiǎn)單的窗口操作運(yùn)行。GIPSY軟件是有限制的自由軟件，但不包括源代碼。GIPSY軟件是基于VLBI數(shù)據(jù)分析軟件而開(kāi)發(fā)的，在數(shù)據(jù)分析中，不取載波相位數(shù)據(jù)的雙差，而是直接處理載波非差觀

11、測(cè)量，這是GIPSY的一大特色。在非差處理模式中，衛(wèi)星鐘差和接收機(jī)鐘差被視為具有白噪 聲性質(zhì)的平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程直接估算。非差處理模式不僅使精密的單點(diǎn)定位成為可能，而且觀測(cè)值的個(gè)數(shù)較雙 差多，這對(duì)于現(xiàn)在我們一般施測(cè)的高密度區(qū)域來(lái)說(shuō)并沒(méi)有什么顯著影響，但對(duì)大且測(cè)點(diǎn)稀疏的 GPS網(wǎng)則意義重大。但采用非差觀測(cè)量也存在著明顯的不利之處：1.因?yàn)榉遣钣^測(cè)量不能像雙差觀測(cè)量那樣消除或減弱許多共同誤差源的影響，特別是星鐘和站鐘，從而使可靠及自動(dòng)地探測(cè)粗差和周跳變得非常困難；2.增加了待估參數(shù)(衛(wèi)星鐘差和接收機(jī)鐘差)。Blewitt ( 1991 )提出了 Turbo Edit算法用于編輯非差數(shù)據(jù)，但 Turbo

12、Edit算法需要利用雙頻的碼觀測(cè) 和相位觀測(cè)，而且數(shù)據(jù)編輯的質(zhì)量在很大程度上取決于碼觀測(cè)的質(zhì)量。GIPSY軟件在數(shù)據(jù)編輯方面采取的策略是在Turbo Edit算法之外，又引入了主要依賴相位數(shù)據(jù)的Phase Edit算法，以彌補(bǔ)Turbo Edit算法的不足。GIPSY的另一個(gè)特色是參數(shù)估計(jì)采用卡爾曼濾波的方法，其核心是一個(gè)均方根信號(hào)濾波的序貫估計(jì)算法。該算法對(duì)數(shù)據(jù)有過(guò)濾作用，能進(jìn)一步剔除被污染的數(shù)據(jù)，保證了最終結(jié)果的可靠性。此外，卡爾曼濾波的參數(shù)估計(jì)法還具有數(shù)值運(yùn)算穩(wěn)定，隨機(jī)量設(shè)置靈活的特點(diǎn)，但CPU的占用時(shí)間較最小二乘算法多23倍。GIPSY采用的處理模式和參數(shù)估計(jì)方法雖然完全不同于GAMI

13、T，但在功能上具有可比性：(1 )用白噪聲模擬時(shí)鐘鐘差，提供精密單點(diǎn)定位；(2) 多點(diǎn)聯(lián)合處理，估計(jì)測(cè)站在全球坐標(biāo)系下的位置，生成無(wú)基準(zhǔn)解；(3) 兩種軌道計(jì)算模式；固定軌道和松弛軌道；(4) 模擬改正所有已知的地球物理效應(yīng)，包括極移、歲差、章動(dòng)及各種潮汐；(5) 采用顧及光線彎曲和地球曲率的對(duì)流層延遲模型，將天頂延遲和大氣梯度作為漫步式的隨機(jī)過(guò)程加以估計(jì);（6）求解相位整周模糊度。雖然GIPSY采用非差模式用相位觀測(cè)量作單點(diǎn)精密定位，但在解算整周模糊度時(shí)仍需要采用雙差，因此也需要多點(diǎn)，至少2個(gè)點(diǎn)聯(lián)合處理。此外，鐘差模擬估計(jì)也需要一個(gè)高精度的站鐘做參考鐘。與GAMIT軟件相比，GIPSY軟件的

14、優(yōu)勢(shì)，除上面提到的非差處理模式的優(yōu)勢(shì)外，還體現(xiàn)在1.數(shù)據(jù)處理時(shí)間只隨觀測(cè)點(diǎn)數(shù)線性增長(zhǎng)；2.檢查驗(yàn)后殘差中是否存在周跳比較直觀、簡(jiǎn)單，很容易判別不佳結(jié)果的原因 所在。Bernese瑞士 BERNE大學(xué)研制的Bernese軟件包由數(shù)十個(gè)獨(dú)立的程序組成， 各個(gè)程序通過(guò)文件被有機(jī)的結(jié)合起來(lái)。 主體源程序由FORTRAN寫成，適用于多種計(jì)算平臺(tái)。 Bernese為非自由軟件，它的每一次升級(jí)都是功能 方面的一次大的提高或完善。Bernese軟件的功能非常強(qiáng)大，定位、定軌、估計(jì)地球自轉(zhuǎn)參數(shù)，對(duì)各種有效改善定位/定軌精度的方法廣泛吸納。Bernese 4.2版基于1996年發(fā)布的4.0版，改進(jìn)了對(duì)流層模型及隨

15、機(jī)參數(shù)估計(jì)，提供了觀測(cè)值依 高度角定權(quán)的選擇。在雙差處理模式的基礎(chǔ)上增加了非差處理模式，進(jìn)一步完善了一些工具模塊?？梢哉f(shuō)，Bernese軟件4.2版集GAMIT和GIPSY的功能與特點(diǎn)于一體，是目前功能最完善的GPS定位軟件。此外，Bernese還具有下列獨(dú)特的功能：（1）處理衛(wèi)星的SLR觀測(cè)數(shù)據(jù)；（2）處理GLONASS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)；（3）估計(jì)接收機(jī)天線的相位中心偏差及變化。目前已有多種可以同時(shí)接收 GPS衛(wèi)星和GLONASS衛(wèi)星信號(hào)的接收機(jī)投入市場(chǎng)，例如Ashtech公司的GG24和Z18，TSP公司的Javad Legacy GGD 等。但由于 GLONASS系統(tǒng)在軌衛(wèi)星有限，且用于精密定

16、位并不比GPS系統(tǒng)更具優(yōu)越性，因此并沒(méi)有得到廣泛的實(shí)際應(yīng)用。Bernese納入GLONASS觀測(cè)處理，主要是為了研究不同衛(wèi)星信號(hào)、不同參考框架和不同時(shí)間尺度的數(shù)據(jù)處理的方法，積累同時(shí)應(yīng)用兩種不同 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)。利用GPS數(shù)據(jù)估計(jì)接收機(jī)天線相位中心的偏差及變化，較在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)標(biāo)定工序簡(jiǎn)單，但其缺點(diǎn)是只能估計(jì)不同天線類型間的相對(duì)值，因此，至少需要一個(gè)已知相位中心偏差及變化的天線作為參考天線。由于Bernese有兩種處理模式，支持多種觀測(cè)量，所以其結(jié)構(gòu)較GAMIT和GIPSY更為復(fù)雜，很難給出一個(gè)詳盡的數(shù)據(jù)處理流程。此外，尚需要說(shuō)明的是：（1）Bernese采用的參數(shù)估計(jì)方法是最小二乘法；（2） Bernese在軌道模