GPS相對定位軟件

1、GPS相對定位軟件GPS 數(shù)據(jù)處理是 GPS 研究的一個重要內(nèi)容。目前，國際上廣泛使用的GPS 相對定位軟件有：美國麻省理工學(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 ,美國噴氣推進(jìn)實驗室（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 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)星定軌以及長距離、大面積的定位應(yīng)用中，如洲際板塊運(yùn)動監(jiān)

2、測及會戰(zhàn)聯(lián)測中，這些隨機(jī)附帶軟件就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到要求。Technorati 標(biāo)簽：GAMIT/GLOBK ,GISPY/OASIS ,BERNESE近年來，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、軌道計算、模型改正、數(shù)據(jù)編輯和參數(shù)估計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值（如缺偽距或某個 相位數(shù)據(jù)）；根據(jù)測站的先驗坐標(biāo)、星歷和偽距數(shù)據(jù)確定站鐘偏差的先驗值或站鐘偏差多項式擬合系數(shù)的 先

3、驗值。軌道計算：將廣播星歷或精密星歷改成標(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：對觀測值進(jìn)行各種誤差模型改正（對流層折射、潮汐、自轉(zhuǎn)等）得到理論值及一階偏導(dǎo)，從觀 測值中扣除這些理論值得到相應(yīng)的驗前觀測殘差。數(shù)據(jù)編輯：修正相位觀測值的周跳，剔除粗差。參數(shù)估計：采用最小二乘或卡爾曼濾波估計，由編輯干凈的非差觀測值或雙差觀測值求解測站坐標(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

4、綜合分析軟件包，可以估計衛(wèi)星軌道和地面測站的三維相 對位置。軟件設(shè)計基于支持 X-Windows 的 UNIX 系統(tǒng)，現(xiàn)在的版本適用于 Sun （ OS/4 , Solaris 2 ）、HP、 舊 M/RISC、DEC 和基于、Intel 工作站的 LINUX 操作系統(tǒng)。作為科研軟件，GAMIT/GLOBK 供研究和教育部門無償使用，只需通過正式途徑得到使用許可證。完全的開放性使用戶可以對軟件的工作原理、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 軟件處理雙差觀測量，采用最小二乘算法進(jìn)行參數(shù)估計。采用雙差觀測量的優(yōu)點(diǎn)是可以完全消除衛(wèi)星

5、鐘差和接收機(jī)鐘差的影響，同時也可以明顯減弱諸如軌道誤差、大氣折射誤差等系統(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；(2)地面測站的相對定位計算；(3)用模型改正各種地球物理效應(yīng)(極移、歲差、章動、潮汐等)；(4)對流層天頂延遲參數(shù)和大氣水平梯度參數(shù)估計；(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)可選觀測值等權(quán)、反比于基線長度或隨高度角定權(quán)；(7)同時提供載波相位整周模糊度分別為實數(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)，也可自動處理(AUTCLN )。用 GAMIT 估計對流層天頂延遲參數(shù)和大

6、氣水平梯度參數(shù)，通常采用線性分段模型，根據(jù)觀測時間和區(qū)域 自主確定參數(shù)個數(shù)。如果測站間隔較近，估計得到的參數(shù)間的相關(guān)性會非常大，由此降低了應(yīng)用于氣象學(xué) 研究的可靠性。這是所有相對定位軟件的共同局限。關(guān)于觀測值定權(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 通過對觀測值的殘差分析擬合得到。很顯然，通過殘差擬合a和 b是以增加計算時間為代價的?？梢酝ㄟ^處理少數(shù)幾天的觀測數(shù)據(jù)，獲取每個站 a 和 b 的平均值作為這個站的缺省值， 潮汐模型中最復(fù)

7、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文件 station.oct 中讀取或通過全球范圍的柵格表grid.oct 內(nèi)插得到測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，個別站也輔以CRS3.0 或其他模型。在具體操作中，測站如果距 station.oct 中某個跟蹤站的距離小于 10km ,則測站的海潮系數(shù)就直接取用這個跟蹤站的， 否則就需要通過 grid.oct 內(nèi)插

8、。但一些實際的數(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 對中國大陸的測站進(jìn)行海潮改正的效果并不理想。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)處理變得簡單易行。從 2000 年起隨軟件包一起提供的一個由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 格式的觀測文件中給定正

9、確的相關(guān)信息即可。GLOBK 是一個卡爾曼濾波器，其主要目的是綜合空間大地測量和經(jīng)典大地測量的初步處理結(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)觀測量如測站坐標(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)典大地測量和SLR 觀測數(shù)據(jù)。GLOBK 三個主要的應(yīng)用是:(1)結(jié)合一個觀測作業(yè)期內(nèi)不同時段(例如不同天)的初步處理結(jié)果，獲取該觀測作業(yè)期的測站坐標(biāo)最佳估值。對 GPS 分析

10、，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站坐標(biāo)結(jié)果估計測站的速度；(3)將測站坐標(biāo)作為隨機(jī)參數(shù)，生成每個時段或每個觀測作業(yè)期的坐標(biāo)結(jié)果以評估觀測質(zhì)量；GLOBK 是一個復(fù)雜且又非常靈活的應(yīng)用軟件，包含又許多控制命令，每個命令完成一個功能，不同的命 令組合實現(xiàn)不同的應(yīng)用。GIPSYGIPSY 軟件是美國 JPL 研制的 GPS 數(shù)據(jù)處理軟件。無疑，JPL 在空間技術(shù)的許多方面，當(dāng)然也包括在 GPS 整個系統(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 語言等編寫而成，目前主要有 UNIX 和 LINUX 版本。GIPSY 主要通過腳本程序?qū)崿F(xiàn)程序

11、的自動化處理，很多情況下可通過簡單的窗口操作運(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 理載波非差觀測量，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，而且觀測值的個數(shù)較雙 差多，這對于現(xiàn)在我們一般施測的高密度區(qū)域來說并沒有什么顯著影響，但對大且測點(diǎn)稀疏的 GPS 網(wǎng)則意義重大。但采用非差觀測量也存在著明顯的不利之處：1.因為非差觀測量不能像雙差觀測量那樣消除或減弱許

12、多共同誤差源的影響，特別是星鐘和站鐘，從而使可靠及自動地探測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 Edit 算法需要利用雙頻的碼觀測 和相位觀測，而且數(shù)據(jù)編輯的質(zhì)量在很大程度上取決于碼觀測的質(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 的另一個特色是參數(shù)估計采用卡爾曼濾波的方法，其核心是一個均方根信號濾波的序貫估計算

13、法。 該算法對數(shù)據(jù)有過濾作用，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)估計方法雖然完全不同于GAMIT ,但在功能上具有可比性：(1 )用白噪聲模擬時鐘鐘差，提供精密單點(diǎn)定位；(2)多點(diǎn)聯(lián)合處理，估計測站在全球坐標(biāo)系下的位置，生成無基準(zhǔn)解；(3)兩種軌道計算模式；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、章動及各種潮汐；(5)采用顧及光線彎曲和地球曲率的對流層延遲模型，將天頂延遲和大氣梯度作為漫步式的

14、隨機(jī)過程加以估計；(6)求解相位整周模糊度。雖然 GIPSY 采用非差模式用相位觀測量作單點(diǎn)精密定位，但在解算整周模糊度時仍需要采用雙差，因此也需要多點(diǎn)，至少 2 個點(diǎn)聯(lián)合處理。此外，鐘差模擬估計也需要一個高精度的站鐘做參考鐘。與 GAMIT 軟件相比，GIPSY 軟件的優(yōu)勢，除上面提到的非差處理模式的優(yōu)勢外，還體現(xiàn)在 1.數(shù)據(jù)處理時間只隨觀測點(diǎn)數(shù)線性增長；2.檢查驗后殘差中是否存在周跳比較直觀、簡單，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)十個獨(dú)立的程序組成， 各個程序通過文件被有機(jī)的結(jié)合起來。 主體源程序由 FORTRAN 寫

15、成，適用于多種計算平臺。Bernese 為非自由軟件，它的每一次升級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、估計地球自轉(zhuǎn)參數(shù)，對各種有效改善定位/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)了對流層模型及隨機(jī)參數(shù)估計，提供了觀測值依 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，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

16、 SLR 觀測數(shù)據(jù)；(2)處理 GLONASS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)；(3)估計接收機(jī)天線的相位中心偏差及變化。目前已有多種可以同時接收GPS 衛(wèi)星和 GLONASS 衛(wèi)星信號的接收機(jī)投入市場，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 定位并不比 GPS系統(tǒng)更具優(yōu)越性，因此并沒有得到廣泛的實際應(yīng)用。Bernese 納入 GLONASS 觀測處理，主要是為了研究不同衛(wèi)星信號、不同參考框架和不同時間尺度的數(shù)據(jù)處理的方法，積累同時應(yīng)用兩種不同 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的經(jīng)驗。利用 GPS 數(shù)據(jù)估計接收機(jī)天線相位中心的偏差及變化，較在實驗室內(nèi)標(biāo)定工序簡單，但其缺點(diǎn)是只能估計不同天線類型間的相對值，因此，至少需要一個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，支持多種觀測量，所以其結(jié)構(gòu)較GAMIT 和 GIPSY 更為復(fù)雜，很難給出一個詳盡的數(shù)據(jù)處理流程。此外，尚需要說明的是：(1)Bernese 采用的參數(shù)估計方法是最小二乘法；(2)Bernese 在軌道模型和軌道解算