基于广播星历的GAMIT基线解算方法及精度分析

高 旺,高成发,潘树国,夏 炎,王胜利

(1.东南大学 交通学院，江苏 南京 210096；2. 东南大学 仪器科学与工程学院，江苏 南京 210096)

基于广播星历的GAMIT基线解算方法及精度分析

高 旺1,高成发1,潘树国2,夏 炎1,王胜利2

(1.东南大学 交通学院，江苏 南京 210096；2. 东南大学 仪器科学与工程学院，江苏 南京 210096)

GAMIT解算过程中通常要求精密的轨道文件作为卫星位置基准，针对在实际工程应用中因精密星历公布滞后或网络等因素无法及时获取IGS精密星历产品的特殊情况，提出基于广播星历进行GAMIT基线解算的方法，并与使用IGS最终星历的解算结果进行比较分析。实验结果表明，在309 km范围内，使用广播星历的坐标分量解算结果与使用IGS最终星历相比差值优于10-8数量级，可以满足常规的工程应用需求。

GAMIT；广播星历；GPS；基线解算；IGS

GPS精密测地技术的发展和应用使大地测量发生了革命性的变化,很多精密数据处理软件也随之产生,GAMIT/GLOBK(以下简称GAMIT)便是其中最具代表性的一种[1-2]。它是由美国麻省理工学院(MIT)与斯克里普斯海洋研究所(SIO)共同研制开发，因其处理精度高、运算速度快、版本更新周期短、自动化处理程度高以及对科研院所免费开源等特点而被国内外公认为优秀的GPS后处理软件之一[3-5]。GAMIT基于最小二乘算法，考虑了潮汐、大气、章动极移等多项改正，并将测站的相对位置、轨道和地球自转参数以及天顶对流层延迟等诸多参数一起反复迭代平差估计，因而可以获得高精度的基线解算结果[6]。

在使用GAMIT进行高精度基线解算之前需要准备诸多准备文件，如观测数据文件、精密轨道文件、广播星历文件以及极移表、章动表、跳秒表等[7-9]。其中，卫星轨道精度是影响基线解算效果的重要因素之一[10]。因此，使用GAMIT进行高精度GPS基线解算时，通常采用IGS数据处理中心加权给出的事后IGS最终精密星历。对于卫星轨道的处理，通常采用GAMIT解算控制文件中给出的两种处理模式—固定轨道模式和松弛轨道模式[11]。使用固定轨道模式时，GAMIT的轨道积分模块会根据给定的卫星轨道文件和力模型参数用数值积分方法生成轨道文件，形成观测方程之后即认为积分生成的轨道文件为卫星轨道真值不再进行改正。使用松弛轨道模式时，在形成观测方程之后，会在一定的约束条件下将轨道以及力模型参数与基线向量、天顶对流层延迟等参数联合平差求解。无论是使用固定轨道还是松弛轨道模式，用户提供的初始轨道精度对解算的精度都有重要影响，当初始轨道误差过大时，即使是采用松弛轨道模式也会因解算模型和约束条件限制而无法对轨道进行有效改正。

IGS最终精密星历的公布时延约为12～18 d，无法满足特定情况下要求较短时间区间(如观测后12 d内)内使用GAMIT进行高精度GPS基线解算的需求。此外在实际工程应用过程中，有时可能会因为网络等条件的限制无法及时获取IGS其它星历产品而影响GAMIT解算。针对上述问题并顾及广播星历可随接收机实时获取的特点，本文提出了使用广播星历进行GAMIT基线解算的方法，并将解算的结果与使用IGS最终星历的解算结果进行对比分析，验证了特定情况下使用广播星历进行GAMIT基线解算的可行性。

1 利用广播星历生成GAMIT轨道文件的方法

GAMIT软件默认识别的轨道文件为SP3格式，所以在使用广播星历进行GAMIT基线解算之前，需要对广播星历进行一定的处理，形成SP3格式文件。GPS广播星历为卫星实时播发，轨道参数每两小时更新一次。IGS中心提供的SP3轨道文件采样间隔为15 min，所以需要通过计算将广播星历文件转化为15 min采样间隔的文件。利用广播星历生成GAMIT轨道文件的具体计算步骤描述如下：

1)收集接收机接收到的广播星历文件。

2)建立卫星号(1～32)循环。

3)在卫星号循环下建立时间序列循环，以15 min为步长。

4)在卫星号和时间序列循环下按文献[12]依次计算卫星坐标，按照IGS最终星历格式以km为单位，保留6位小数，若无法匹配到对应的星历参数，则认为该节点卫星坐标计算失败。此外，使用广播星历中提供的卫星钟偏差、漂移及漂移速度计算每颗卫星的卫星钟差值，同时由于GAMIT读取SP3文件格式的需要，要给出每颗卫星X，Y，Z3个坐标及卫星钟差值计算的中误差。由于使用广播星历计算卫星坐标和卫星钟差不涉及平差过程，不产生中误差指标，可仿照IGS最终星历的中误差水平给出大致值。

5)判断每颗卫星在计算区间内是否每个时间节点都计算成功，若不是，则在新生成的SP3文件中不使用该卫星。

6)按IGS最终星历格式生成头文件，并判断头文件中的起止时间、卫星列表与文件内容是否一致。

需要注意的是，当观测时间较长时，由于观测站对一颗卫星的连续观测时间长度小于整个观测时间的长度，在计算卫星坐标时可能会出现外推时间过长的现象。如在某一观测时刻没有观测到G01卫星，但为了保证星历文件的完整性，仍然要计算G01卫星的坐标，就可能要外推到几个小时之前或之后才能匹配到对应的星历参数，求解出来的卫星坐标可能具有较大的误差，但由于解算过程中对应此时刻的该卫星不参与解算，所以也就不会影响解算的效果。

2 基于广播星历的GAMIT基线解算分析

本文采用2012年12月31日美国西海岸6个CORS站观测数据进行GAMIT解算实验，站点分布如图1所示，6个站点共组成15条基线，基线长度从40.26 km到309.28 km不等(见表1)。

图1 GAMIT解算实验使用的美国CORS站点图

分别使用IGS最终星历以及1中广播星历生成的星历文件(以下简称广播星历)进行单天解算，并且将GAMIT解算参数控制文件中“Choice of Experiment”设置为固定轨道以及松弛轨道两种模式分别解算，解算结果均以对应模式下使用IGS最终星历的解算结果为参考基准，将使用广播星历的计算结果坐标分量与使用IGS最终星历的结果求一次差进行比较。GAMIT的解算结果可查看o文件，其中单时段解算出的标准化均方根残差(nrms值)是衡量GAMIT解算结果质量的一个重要指标[13]。一般说来，nrms值越小，基线估算精度越高，反之，则精度较低。通常比较理想的nrms值应小于0.25，如果该值大于0.5就意味着处理过程中未除去大的周跳或某一参数的解算存在很大偏差，或者解算模型设定有误[1]。

两种模式下使用IGS最终星历解算结果比较如图2所示，其它星历与IGS最终星历解算结果的比较如图3、图4所示，每种解算结果的验后标准化均方根残差(nrms值)情况如表2所示。需要说明的是GAMIT基线解算结果只保留到0.1 mm位，所以图中结果均以0.1 mm为最小比较单位。

图2 轨道固定解与轨道松弛解解算结果差值

图3 固定轨道模式下使用广播星历与IGS最终星历解算结果比较

图4 松弛轨道模式下使用广播星历与IGS最终星历解算结果比较

从图2可以看出，使用固定轨道与松弛轨道两种模式解算结果在基线长度小于100 km时坐标分量差值在±1 mm之内，基线长度达到300 km时，两者之间的差值也仅为2 mm左右，相对精度差值优于10-9数量级，可认为两种解算模式在300 km基线范围内无明显区别。但同时应该看到，随着基线的增长，两种模式解算结果之间差值有不断变大的趋势，所以使用GAMIT进行超长基线(如IGS站之间组成的基线)解算时需要慎重选择轨道的解算模式。

表2 GMAIT解算结果验后nrms值

从图3可见在基线长度100 km范围内，使用广播星历相比使用IGS最终星历的解算结果的坐标分量偏差均小于5 mm。同时可以看出随着基线长度的增加，固定广播星历轨道的解算结果与IGS最终星历解算结果之间的差值呈逐渐变大的趋势，说明在轨道固定模式下轨道误差会随着基线长度的增加对基线解算结果造成更大的影响。在基线长度达到309 km时，坐标分量偏差最大达到约13 mm，顾及309 km的基线长度，相对精度也能达到10-8数量级。同时从表2中可以看出，固定轨道模式下使用广播星历与精密星历解算结果的nrms值也无明显区别且都小于0.2，解算效果良好。

从图4可以看出在309 km的基线长度范围内，使用轨道松弛模式解算的坐标分量结果与IGS最终星历解算结果间的差值均在±8 mm之内，相对偏差基本优于10-8数量级。同时可以看出坐标的偏差与基线长度的相关性也没有固定轨道模式明显，说明在松弛轨道模式下对轨道误差的抵抗和改正能力更强，这是因为在轨道松弛模式下，卫星轨道在一定范围内同基线坐标一同被平差估计，对于较小的轨道偏差，GAMIT有调整适应的能力。从表2中也可以看出松弛轨道下使用广播星历解算nrms值与IGS精密轨道的计算结果也无明显区别，解算效果良好。但需要注意的是当轨道误差过大或者基线过长时，轨道误差对解算结果的影响可能就会超出GAMIT对轨道的改正能力范围，就会对解算精度带来较大的影响。

3 结 论

本文在介绍GAMIT基线解算软件的特点基础上，详细介绍了使用广播星历生成GAMIT解算所需轨道文件的方法，并通过一组长度从40～309 km不等的基线数据分固定轨道和松弛轨道两种模式进行实验，分析和验证了使用广播星历进行GAMIT基线解算的可行性，得出以下结论：

1)在基线长度100 km范围内，使用广播星历相比使用IGS最终精密星历解算的基线坐标分量偏差在±5 mm内；在基线长度309 km范围内，相对偏差优于10-8数量级，在某些无法获取精密星历的特定情况下可以作为轨道产品进行高精度基线解算。

2)使用松弛轨道模式相比固定轨道模式对轨道误差的抵抗和调整能力较强，在基线较长且使用广播星历作为轨道产品时，建议使用轨道松弛模式进行GAMIT解算。

[1]赵建三,杨创,闻德保.利用GAMIT进行高精度GPS基线解算的方法及精度分析[J].测绘通报,2011(8):5-8.

[2]徐杰,孟黎,唐诗华.GAMIT/GLOBK批处理在高精度海量数据处理中的应用[J].测绘科学,2008,33(6):187-188.

[3]张双成,曹海洋,高涵,等.基于GAMIT的GPS短基线解类型分析及应用[J].测绘通报,2011(10):27-29.

[4]王超,郭际明,周命端,等.高精度GPS数据处理中GAMIT批处理方法与实现[J].测绘信息与工程,2012,37(2):10-12.

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[6]兰孝奇, 葛恒年, 李迎春. GPS 城市地壳变形监测网的数据处理及精度分析[J]. 测绘工程, 2005, 14(4): 27-29.

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[11]包晗,邰贺.应用GAMIT-GLOBK软件进行高精度GPS控制网解算[J].全球定位系统,2012,37(4):80-82.

[12]黄丁发,熊永良,袁果林.全球定位系统(GPS)——理论与实践[M].成都：西南交通大学出版社,2006:45-47.

[13]黄功文,王斌,王延伟.高精度GPS控制网基线重复性检验与质量分析[J].测绘通报,2011(7):9-11.

[责任编辑：刘文霞]

The GAMIT baseline-solution method based on broadcast ephemeris and precision analysis

GAO Wang1, GAO Cheng-fa1, PAN Shu-guo2, XIA Yan1, WANG Sheng-li2

(1.School of Transportation,Southeast University, Nanjing 210096,China; 2.School of Instrument Science and Engineering,Southeast University, Nanjing 210096, China)

GAMIT calculation process usually requires the precise orbit data as the satellite position reference. Focused on the specific situations that the IGS precise ephemeris products cannot be gotten timely due to the released delay of precise ephemeris or the network factor and other factors in practical engineering applications, the GAMIT baseline calculation method based on broadcasting ephemeris is put forward. And the results calculated from the method are compared with the results based on IGS final ephemeris. Experimental results show that within 309 km the coordinate components calculated from the presented method is better than 10-8magnitude compared with the results based on IGS final ephemeris. So it can meet the needs of conventional engineering applications.

GAMIT; broadcasting ephemeris; GPS; baseline calculation; IGS

2013-09-29

国家自然科学基金资助项目(41074021)

高 旺(1989-)，男，硕士研究生.

P228

：A

：1006-7949(2014)08-0054-04