PC_GAMIT软件及其应用

PC-GAM IT软件及其应用葛茂荣 刘经南 (清华大学100084)　(武汉测绘科技大学430070) 【摘　要】　本文论述了GAM IT软件到微机上的移植工作及对GAM IT软件的改进,以及PC2 GAM IT软件模块和运行流程,并给出了PC2GAM IT软件的应用结果。

一、引言随着GPS定位技术和数据处理方法的不断完善, GPS在高精度国家和城市控制网建立及形变监测中得以广泛应用。

在国家GPS控制网和城市GPS骨架网中,网的边长在几十至几百公里之间,要求精度达到10-7或更高;在GPS形变网中要求点位精度优于几个毫米。

这样的精度要求是一般的商用软件系统所不能达到的,因此需要一个方便使用的、高精度的GPS定位软件系统。

为了适应较大尺度和高精度GPS定位的需要,武汉测绘科技大学把麻省理工学院研制的、在工作站运行的GAM IT软件移植到微机上,并进行了适当改进,并成功地应用到国家A、B级网的数据处理中,如青藏高原地壳形变网多期观测数据的处理和青岛市城市骨架网的数据处理,为高精度GPS网的数据处理提供了相应的软件支持。

二、GA M IT软件的移植GAM IT软件是麻省理工学院研制的、集GPS定位定轨于一体的高精度GPS数据分析和处理软件,是目前国际上著名的定位定轨软件之一。

武汉测绘科技大学在消化、吸收GAM IT软件的基础上,为了将GAM IT软件广泛应用于国家和城市高精度GPS网及形变监测网的数据处理之中,进一步把GAM IT软件移植到微机上。

工作站上的GAM IT软件主要用FOR TRAN语言编写。

其中的观测数据交互式图形编辑程序是用C 语言与FOR TRAN语言混合编写的,并且用到了X2 W I NDOW S的函数库。

这是程序移植中的主要难点之一。

另外,软件系统中大部分程序的代码段和数据段都很大,在微机上运行时需要的内存远远大于640kB,因此,我们选择了保护模式下运行的ND P系统。

ND P2 FOR TRAN产生的执行程序可以直接使用扩展内存,并且可以以硬盘作为虚拟内存空间。

因此,可以保证程序运行不受硬件内存空间大小的限制。

不过,为了提高运行速度,应尽量避免使用硬盘作为虚拟内存空间。

另外,ND P2FOR TRAN的GR EX图形库提供了FOR2 TRAN语言的图形接口。

通过图形库函数的调用可以实现图形操作。

借此,用FOR TRAN语言代替了工作站上的C语言和X2W I NDOW S部分的源代码,从而使PC2GAM IT软件成为仅基于NO P2FOR TRAN编译系统的软件。

由于工作站上的UN I X操作系统与DO S操作系统在文件管理和操作等与操作系统有关的命令上有所差别,必须对文件名、文件操作等作适当的修改。

另外, ND P2FOR TRAN与SUN工作站上的FOR TRAN并不完全兼容,对有些FOR TRAN库函数也必须作适当的修改。

整个软件系统中的每个程序用M icro soft M ake 4.0维护。

在修改任一子程序的源代码后,用M ake自动编辑修改后的子程序并生成新的执行程序,使程序维护自动化。

通过以上移植工作,移植到微机上的软件保持了工作站上GAM IT软件的全部功能。

在具有8M B内存的微机上可以处理15个测站360个历元的观测数据。

目前的高档微机内存可以扩展到32M B,硬盘容量可达1GB,可以使PC2GAM IT的数据处理能力和运行速度与SUN10工作站上的GAM IT软件基本相当。

因此, PC2GAM IT基本上可以代替工作站上的GAM IT完成较大规模GPS网的数据处理工作。

三、PC-GA M IT软件的改进在软件移植的同时,我们对GAM IT软件进行了适当的改进。

首先,针对GAM IT软件中对流层折射改正误差的单参数模拟方法增加了多参数模拟方法和随机过程模拟方法,以提高垂直方向的重复性。

众所周知,GPS相对定位中垂直方向的精度比水121997年　第2期 测　绘　通　报 平方向低2～5倍。

影响垂直方向精度的主要原因是对流层中水汽在时间和空间上的随机变化。

研究表明,在测站上附加多个天顶方向的对流层折射参数,或者因随机过程模拟天顶方向的对流层折射改正可以显著地提高垂直方向的重复性。

为了在GAM IT软件的最小二乘参数估计中实现对流层折射的随机过程模拟,我们构造了一种同时估计状态参数和确定性参数的最小二乘递推算法。

递推算法与滤波算法是等价的,对于GPS静态数据处理,其中的状态参数很少,递推算法比滤波算法具有更快的计算速度。

另外,递推算法统一了单参数方法、多参数方法和随机过程方法的算法和程序设计。

改进后的PC2GAM IT软件用多参数方法或随机过程方法模拟天顶方向的对流层折射可以明显地提高垂直方向的重复性。

特别是长基线情况下可使垂直方向的重复性提高到与东西方向接近的水平,达到1c m ～2c m。

另外,增加了一个根据双差观测值拟合残差自动确定跳周位置和大小的程序,减少了图形编辑中人工判断和修正跳周的工作量。

以L1双测值上的双差残差分析为例。

设有n个测站观测m个卫星,共有k个双差观测值残差。

若其中存在较大的双差残差,则观测值中可能存在跳周。

依次假定某个观测值上没有跳周,则根据双差残差可以确定其它观测值上是否存在跳周及跳周大小,其结果为一种可能的跳周修正方案。

在一般情况下,跳周次数最少的修正方案为正确的修正方案。

无论如何,这种方法至少能保证该历元上的修正后的双差观测值不受跳周的影响。

对于双频观测数据,可以同时利用L1、L2和L C及L G双差观测值的残差,根据上述方法进行跳周的自动修正。

四、软件模块PC2GAM IT软件用于处理R I N EX格式的观测数据,主要包括数据文件的格式转换、轨道积分观测值模型、数据编辑、参数估计和其它辅助程序几个部分。

数据文件格式转换部分包括将R I N EX观测数据文件转换为GAM IT软件中观测数据文件(X2文件)的M A KEX程序和将广播星历文件转换为GAM IT中卫星钟差文件(J2文件)和卫星轨道文件(F2文件)的BC2 TO T程序及将N GS格式的精密星历转换为轨道文件的N GSTO T程序。

轨道积分程序(A RC)根据给完的卫星轨道初值和力模型参数用数值积分方法给出卫星轨道和变分方程的数值解。

在定轨中,首先用A RC生成初始轨道文件,为形成观测方程提供必要的信息;最后,根据参数估计求出的精确的轨道初值和力模型参数,用A RC求出精确的卫星轨道。

精确的卫星轨道可以用T TON GS程序转换为N GS格式的精密星历文件。

观测值模型程序(M OD EL)由观测数据文件(X2文件或C2文件)生成观测方程文件(C2文件)。

高精度数据处理软件与一般商用软件在数学模型上的区别主要反映在M OD EL中。

数据编辑部分主要包括基于非差和星间单差观测值线性拟合发现和修正跳周的S I N CLN程序。

对双频观测数据,综合利用L1、L2、L C和L G观测值,一般可以确定出所有跳周的位置。

对于有双P码伪距的观测数据,用M2W方法将跳图正确修正到非差观测值上。

DBL CLN用双差线性拟合方法进一步修正跳周。

在S I N CLN和DBL CLN自动修正跳周之后,仍然可能存在一些小的跳周和一些大残差观测数据,它们对参数估计结果的影响是不容忽视的。

因此,为了保证结果的精度,GAM IT软件中用人工交互方式修正周跳和删除不好的观测值,即CV IE W程序。

CV IE W给出观测值OM C及其各种组合随历元变化的图形,跳周影响和大残差观测值在图形上一目了然。

同时提供了有关的跳周修正和观测值删除操作等。

作为CV IE W的一个必不可少的辅助工具,SCANDD给出了所有的、残差较大的双差观测值的历元、卫星和测站,为CV IE W提供了必要的跳周修正信息。

在数据编辑完成之后,SOLV E根据多个测站上的、干净的C文件中的观测方程组成双差观测方程、按最小二乘法求解有关的未知参数。

最具特色的是其双差观测值是整体搜索出的一组最大函数不相关的双差观测向量。

另外,采用模糊度参数消去法保证法方程阶数不随附加模糊参数增加而增大。

另外,基于附加对流层虚拟观测值构造了两类新的观测值作为参数估计的基本观测量,从而统一了以L1、L2作为独立观测量、以L C作为作独立观测量和L1、L2加上电离层虚拟观测量进行参数估计的数学模型和算法。

附加虚拟电离层观测量方法还可以实现长基线上的整周模糊度求解。

对于有双P码伪距观测值的数据采用M2W方法求解整周模糊度参数。

值得一提的是M A KEXP和F I XDRV两个程序。

M A KEXP生成文件格式转换时的批处理文件。

FL X2 ORV则根据定义的处理方案,生成数据处理的批处理文件。

这两个程序使整个软件操作简单化。

五、数据处理流程有经验的GAM IT软件用户将整个数据处理工作分成两步:第一步,数据编辑得出干净的观测数据文件22 测　绘　通　报 1997年　第2期——X 2文件;第二步,用干净的X 2文件进行各种处理方案的参数估计。

数据编辑用快速解(Q uick So luti on )进行。

其目的并不是求解参数,而是生成干净的X 2文件,具体的程序流程见图1。

其中的CTOX 程序是将干净的C 2文件转换X 2文件。

CFM R G 合并所有C 2文件头生成M 2文件,作为SOLV E 的输入文件之一。

图1　数据编辑流程图图2　正规解流程图基于干净的观测数据文件可以求出正规解(R egular So luti on )。

根据数据处理的目的和要求可以选择各种不同的数据处理方法进行参数估计。

具体的程序流程见图2。

如果只做相对定位,则不需要做开始和结尾部分的轨道积分A RC 。

如果只做轨道改进定位,则不需要做结尾的轨道积分A RC 。

以上程序流程可以用F lXORN 直接生成批处理文件完成。

六、应用举例1.A 级网数据的微机处理对1992年A 级网数据用PC 2GAM IT 软件进行了分区处理,星历用N GS 精密星历。

十天结果的重复性为:南北方向9mm +1.4×10-8;东西方向23mm +2.8×10-8;垂直方向60mm +2.4×10-8;边长17mm +1.8×10-8,结果精度达到10-8量级。

其主要误差源为N GS 精密星历误差。

此后,用S I O 精密星历进行了精化处理,重复性提高到10-9量级。

2.国家B 级网的数据处理覆盖全国的B 级网观测数据正在国家测绘局计算中心用PC 2GAM IT 软件处理。

初步的结果分析表明:基线分量重复性在1×10-7左右,比商用软件结果精度有显著提高,与Bernese 软件处理结果具有很好的一致性。