四川拓圖偉業(yè)測繪科技有限公司
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閱讀：1416發(fā)布時間：2021-9-23
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)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。
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GPS數(shù)據(jù)處理方法上各有其特點，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。
1、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備
RINREX 格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為軟件*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)的先驗值。
2、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。
3、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。
4、數(shù)據(jù)編輯
修正相位觀測值的周跳，剔除粗差。
5、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)。
一、GAMIT/GLOBK
GAMIT/GLOBK 軟件是MIT 和SIO 研制的GPS 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、IBM/RISC、DEC 和基于、Intel 工作站的LINUX 操作系統(tǒng)。作為科研軟件，GAMIT/GLOBK 供研究和門無償使用，只需通過正式途徑得到使用許可證。
*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)點是可以*消除衛(wèi)星鐘差和接收機(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如下：
用GAMIT 估計對流層天頂延遲參數(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)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465 個跟蹤站（GPS/SLR/VLBI）的海潮系數(shù)，它們主要是采用CRS4.0 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。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*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)估值。對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。
二、GIPSY
GIPSY 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，但CPU 的占用時間較最小二乘算法多2～3 倍。GIPSY 采用的處理模式和參數(shù)估計方法雖然*不同于GAMIT，但在功能上具有可比性：
雖然GIPSY 采用非差模式用相位觀測量作單點精密定位，但在解算整周模糊度時仍需要采用雙差，因此也需要多點，至少2 個點聯(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。
三、Bernese
瑞士BERNE 大學(xué)研制的Bernese 軟件包由數(shù)十個獨立的程序組成，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*。
Bernese 軟件的功能非常*，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*了一些工具模塊?？梢哉f，Bernese 軟件4.2 版集GAMIT 和GIPSY 的功能與特點于一體，是目前功能最*的GPS 定位軟件。
此外，Bernese 還具有下列*的功能：
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*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方面極富特色，BERNE 大學(xué)Beutler 等1994 年發(fā)展的9 參數(shù)的光壓模型至今仍是許多GPS 相對定位軟件的主打模型，包括GAMIT 軟件。但目前Bernese 采用的光壓模型是9 參數(shù)的ROCK4/42 改良模型，并對9 參數(shù)都考慮掩星效應(yīng)。這是Bernese 在衛(wèi)星軌道部分與GAMIT 的兩個不同之處；
（3） 由于非差處理模式在探測粗差和周跳方面存在著不足，Bernese 推薦的處理模式是雙差處理模式；
（4） Bernese 具有對非同步觀測結(jié)果進(jìn)行綜合分析（方差估計、位移速率解算）的功能。
信息標(biāo)題：GPS測量與數(shù)據(jù)處理 國外三款GPS數(shù)據(jù)處理軟件
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