基于GAMIT+CosaGPS组合软件GPS跨河水准精确大地高的获取方法研究

李世良 李书银

(中铁大桥勘测设计院有限公司，湖北武汉 430050)

在借鉴既有研究成果的基础上，结合工程实践，探讨利用GAMIT及CosaGPS组合软件获取跨河点精确大地高的方法。

1 软件介绍

GAMIT软件是美国麻省理工学院(MIT)研制，其主要功能是加载精密星历，精密解算 GPS基线;GLOBK软件由MIT与斯克里普斯(SCRIPPS)海洋研究所合作研发，可对GAMIT解算基线进行平差计算。这两个软件组合均为LINUX环境下研发，具有操作简单、精度高、功能强大等特点。在利用精密星历处理长基线方面，其相对定位精度非常高，一般能达到10－8～10－9级别，处理短基线的绝对精度也可达到或高于1 mm。此软件组合开放源代码，在数据处理过程中，用户可以参与其中，根据实际需求，调整数据处理模式和参数，人机交互性能较好。

GAMIT利用GPS载波相位观测值实现定位定轨解算基线;精密解算基线后，把基线成果文件输入GLOBK软件，基于卡尔曼滤波进行网平差。根据国内实际情况及精度评定指标的不同，一般不采用GLOBK软件进行网平差，而是采用武汉大学研发的CosaGPS软件进行平差处理，此平差软件具有界面良好、操作简单、精度指标符合中国国情的优点。因此，在GPS跨河水准测量中，采用GAMIT+CosaGPS软件进行高精度GPS数据处理与分析，从而得到跨河点的高精度大地高。

2 精密基线解算原理

在GAMIT软件初级阶段，基线解算过程及步骤十分繁复及困难，需要较多的人工干预，不能实现自动化。随着软件的开发和升级，尤其是AUTCLN模块及FIDRV模块的研发成功，使数据筛选和编辑工作大大简化，数据处理工作条理清楚，简单易行，更加人性化。2000年以后所开发的一个小程序SH_gamit，使数据准备和数据处理工作高度集成，只要在解算前设置好各项参数，运行一个命令，即可自动进行基线解算。

2.1 数据准备阶段

(1)观测文件标准化

将原始观测文件转换为GAMIT软件能够辨识的统一格式，主要包括原始观测文件格式转化、文件名称的统一标准、天线高量测方法等。

①将原始文件转换为RINEX格式文件。

②对RINEX格式文件按照标准方式重新命名。

③外业数据采集所应用的GPS接收机天线型号多种多样，量测方法亦不相同。为使天线高数据一致，应统一换算到相同部位，建议采用天线座底部(DHARP)。

(2)从网上查询或下载相关数据文件。

①可以从网址 http://www．ngs．noaa．govCORSGpscal．html上查询或下载GPS Calendar文件，此文件包含了观测0－files文件所在的GPS周天、年积日、UTC之间的关系。

②IGS国际连续运行站RINEX格式原始数据、导航电文(后缀为brdc)文件及精密星历(后缀为SP3)文件可以从下列三个网站获得。ftp://garner．ucsd．edu/pub/;ftp://cddis．gsfc．nasa．gov/pub/gps/;ftp://igs．ensg．ign．fr/pub/。

③可以在ftp://garner．ucsd．edu/pub/gamit网址下载最新的tables表文件，共需更新63个文件。

2.2 文件准备阶段

(1)文件归类

进行精密基线解算所应用的数据文件繁多，主要包括:原始数据(RINEX格式)、导航电文(brdc)、精密星历文件(igs)、国际连续运行站原始数据(RINEX格式)、tables文件等。为便于对以上数据进行维护、更新和运用，应对其进行分类存放，各类文件分别存放于独立的文件夹，尤其是tables文件夹应单独存放于根目录下。

(2)修改tables文件夹下的配置文件

tables文件夹下包含各种信息，在基线解算前，应配置 tables文件，主要配置项目为 station．info、l－file、sestbl、sittbl四个文件。其中station．info文件中包含测站站点、观测时间、天线高、天线高量测方法、接收机类型、软硬件版本号、天线类型、天线相位中心模型机构代码等基础信息，可以利用sh_upd_stnfo命令自动从RINEX文件中提取相关信息，无法提取的可以手工录入;l－file文件中存放各站点的近似坐标;sestbl文件是模型选择配置文件，一般情况下采用默认值;sittbl文件是各测站精度控制指标文件，对有特殊要求的测站点应手动设置，否则采用默认值。

链接tables文件夹各文件到各时段文件夹。

2.3 数据处理阶段

(1)数据预处理

从原始数据中提取基线解算相关数据文件。主要命令如下(以星历日2008年第37天为例)。

①输入命令:makexp然后按照提示输入相应的文件数据。

②输入命令:sh_sp3fit–figs14566．sp3–oigsf–d2008 037–r BERNE–t–u。需要准备的文件:精密星历文件、时长变化表、极移表、太阳星历表、月亮星历表、跳秒、卫星天线类型，以上文件可从tables文件夹及IGS文件夹调用。输出文件:gtest8.037。

③在输入命令前检查需要准备的文件gtest8.037，确认无误后输入命令sh_check_sess–sess 037–type gfile–file gigsf8.037。输出文件:session．info。

④输入命令前检查需要准备的文件brdc2020.07n，确认无误后，输入命令makej brdc2020.07n jbrdc8.037，输出文件:jbrdc8.037。

⑤在输入命令前需要准备jbrdc8.037文件，然后输入命令sh_check_sess–sess 037–type jfile– file jbrdc8.037。输出文件:session．info。

⑥在输入命令前需要准备 test．makex．batch，以及该文件所列出的所有文件，然后输入命令:makex test．makex．batch。输出文件:dtest8.037。

(2)启动GAMIT软件

在输入命令前需要准备dtest8.037，以及该文件所列出的所有文件，然后输入命令:fixdrv dtest8.037。输出的文件:btest8.037．bat、btest8．num。

(3)数据处理

在输入命令前需要准备 btest8．bat、btest8．num 两个文件，然后输入命令:csh btest8．bat，得到基线解算结果。

(4)对gamit基线解算结果质量进行评价

①对所有测站点数据进行检查，确定所有测站点数据全部参与了基线解算。

②标准均方根nrms是基线解算精度评定的重要指标，根据经验，解算结果为0.25左右认为基线解算良好。如果标准均方根大于0.5，说明基线解算结果存在问题(例如周跳没有修复，测站的起算点坐标有问题等)。这种情况下需要检查原因，重新进行基线解算。

③对各基线文件处理精度与gamit的实际精度进行检查，判断两者是否匹配。

3 基于CosaGPS软件的网平差分析与精确大地高获取

GPS基线处理完成后，对所得到的基线文件进行编辑，转换成CosaGPS软件可识别的基线格式，然后导入软件，设置椭球参数、平差等级、起算坐标等，进行平差。平差前应对基线质量进行检核和评定，主要检核和评定项目有:环闭合差检核、基线向量三维改正数检核、重复基线较差检核等。

在GPS基线向量的精度指标满足要求后，利用CosaGPS软件，以GAMIT软件解算的精密GPS三维基线向量及其相应方差－协方差阵作为观测值，以其中一观测点的三维地心坐标系下的三维坐标作为起算数据，进行GPS网的无约束平差。平差完成后即可得到各跨河点的三维地心坐标(包括高精度大地高)、各基线向量改正数及精度信息。

4 应用分析

如图1所示，某长江大桥全长约6 km，其中桥址附近长江宽度为2.2 km，水位较高，地形复杂，不适合利用传统方法进行跨河高程传递。跨河水准点A、B的距离为2 430 m;C、D的距离为2 410 m，其它各点沿A、B及C、D方向双向延长线布设为两条直线，各相邻测站点间距离与跨河点间距离大致一致。

图1 某长江大桥水准点布网示意

利用8台Trimble R8双频GPS接收机按二等GPS跨河水准测量精度进行野外数据采集，共观测4个时段，每个时段长度为23h。利用GAMIT(Ver 10.3)软件精密解算基线，基线网解算精度指标见表1。

表1 GPS框架网基线解算同步环精度统计

从表1可以看出，四个时段同步图形的标准化验后均方差nrms值在0.37～0.49内，基线解算精度较高。

基线解算合格后，利用CosaGPS进行三维无约束平差，解算各大地高(如表2)。

表2 精度指标cm

由表2可见，两方案平差后，最弱边相对精度都小于百万分之一，平差结果精度高。

5 结论

(1)利用GAMIT软件进行精密基线解算，可获得高精度的基线。

(2)利用CosaGPS对GAMIT所解算基线进行三维平差，可获取点位精确的大地高。

(3)GAMIT+CosaGPS组合软件，具有操作简单、精度高等优点，不但可用于跨河水准，还可用于大地水准面精化等领域。

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