三个著名的GPS数据处理软件介绍

三个著名的GPS数据处理软件介绍

GPS数据处理是GPS研究的一个重要内容。目前，国际上广泛使用的GPS相对定位软件有：美国麻省理工学院（MIT）和加州大学圣地亚哥分校Scripps海洋研究所（SIO）研制的GAMIT/GLOBK，美国喷气推进实验室（JPL）研制的GIPSY/OASIS软件和瑞士BERNE大学研制的Bernese软件。选用一种好的数据处理方法和软件对GPS数据结果影响很大。在GPS 静态定位领域中，几十公里以下的定位应用已经比较成熟，接收机的随机附带软件已经能够满足大多数的应用需要。但是在GPS卫星定轨以及长距离、大面积的定位应用中，如洲际板块运动监测及会战联测中，这些随机附带软件就远远不能达到要求。

近年来，GPS定位理论和软件科学的发展促进了GPS定位软件的研发，一批满足不同应用需求的GPS定位软件亦已面世。尽管不同软件在数据处理方法上各有其特点，但它们的总体结构基本上是一致的，即由数据准备、轨道计算、模型改正、数据编辑和参数估计5部分组

成。

数据准备：RINREX格式的数据转换为软件特有的数据格式；剔除一些不正常的观测值（如缺伪距或某个相位数据）；根据测站的先验坐标、星历和伪距数据确定站钟偏差的先验值或

站钟偏差多项式拟合系数的先验值。

轨道计算：将广播星历或精密星历改成标准轨道；如果需要改进轨道，则进行轨道积分，将卫星坐标及坐标对初始条件和其他待估参数的偏导写成列表形式。

模型改正：对观测值进行各种误差模型改正（对流层折射、潮汐、自转等）得到理论值及一阶偏导，从观测值中扣除这些理论值得到相应的验前观测残差。

数据编辑：修正相位观测值的周跳，剔除粗差。

参数估计：采用最小二乘或卡尔曼滤波估计，由编辑干净的非差观测值或双差观测值求解测站坐标、相位模糊度、（如果采用定轨或轨道松弛）卫星轨道改正值、地球自转和对流层湿

分量天顶延迟等参数。

GAMIT/GLOBK

GAMIT/GLOBK软件是MIT和SIO研制的GPS综合分析软件包，可以估计卫星轨道和地面测站的三维相对位置。软件设计基于支持X－Windows的UNIX系统，现在的版本适用于Sun （OS/4，Solaris 2）、HP、IBM/RISC、DEC和基于、Intel工作站的LINUX操作系统。作为科研软件，GAMIT/GLOBK供研究和教育部门无偿使用，只需通过正式途径得到使用许可证。完全的开放性使用户可以对软件的工作原理、数据处理流程及技巧有全面的了解，这也在一定

程度上促进了GAMIT/GLOBK的不断更新。

GAMIT软件处理双差观测量，采用最小二乘算法进行参数估计。采用双差观测量的优点是可以完全消除卫星钟差和接收机钟差的影响，同时也可以明显减弱诸如轨道误差、大气折射误差等系统性误差的影响。GAMIT软件主要功能和特点如下：

（1）卫星轨道和地球自转参数估计；

（2）地面测站的相对定位计算；

（3）用模型改正各种地球物理效应（极移、岁差、章动、潮汐等）；

（4）对流层天顶延迟参数和大气水平梯度参数估计；

（5）支持接收机天线相位中心的ELEV（随卫星高度角变化）模型改正；

（6）可选观测值等权、反比于基线长度或随高度角定权；

（7）同时提供载波相位整周模糊度分别为实数和整数的约束解及松弛解；

（8）数据编辑可人工干预（CVIEW），也可自动处理（AUTCLN）。

用GAMIT估计对流层天顶延迟参数和大气水平梯度参数，通常采用线性分段模型，根据观测时间和区域自主确定参数个数。如果测站间隔较近，估计得到的参数间的相关性会非常大，由此降低了应用于气象学研究的可靠性。这是所有相对定位软件的共同局限。

关于观测值定权，软件推荐的是随高度角定权的方法，关系式表示为rms＝a*a＋

b*b/(elev*elev) （mm），具体操作中a和b可采用缺省设置，也可以在等权解算结果的基础上，利用AUTCLN通过对观测值的残差分析拟合得到。很显然，通过残差拟合a和b是以增加计算时间为代价的。可以通过处理少数几天的观测数据，获取每个站a和b的平均值作为

这个站的缺省值，

潮汐模型中最复杂的是海潮部分，其模型改正直接在GPS数据处理软件中完成非常困难。GAMIT采用的方法是直接从文件station.oct中读取或通过全球范围的栅格表grid.oct内插得到测站分潮波的振幅和相位即海潮系数。随GAMIT软件包发布的station.oct文件包含了全球465个跟踪站（GPS/SLR/VLBI）的海潮系数，它们主要是采用CRS4.0全球海潮模型得到的，个别站也辅以CRS3.0或其他模型。在具体操作中，测站如果距station.oct中某个跟踪站的距离小于10km，则测站的海潮系数就直接取用这个跟踪站的，否则就需要通过grid.oct内插。但一些实际的数据处理结果表明，直接利用随GAMIT软件包发布的station.oct对中国大陆的测站进行海潮改正的效果并不理想。这可能是由海潮模型及station.oct文件中跟踪站

分布的局限性造成的。

GAMIT软件处理GPS数据的过程非常复杂，但就近几年的卫星状况和接收机的状况，数据

筛选和编辑完全可由数据自动编辑模块AUTCLN完成。FIXDRV模块将数据处理部分的工作集为一体，使数据处理变得简单易行。从2000年起随软件包一起提供的一个由C－shell写成的程序sh－gamit更是将繁琐的数据准备和处理工作集成化，只要在RINEX格式的观测文件

中给定正确的相关信息即可。

GLOBK是一个卡尔曼滤波器，其主要目的是综合空间大地测量和经典大地测量的初步处理结果完成数据的后处理。因此它的输入一般是一些准观测量如测站坐标、地球自转参数、卫星轨道及它们的方差－协方差。虽然最初发展GLOBK是作为GAMIT和CALC/SOLVE（VLBI的数据处理软件）结合的一个界面，但现已可以接受其他GPS数据处理软件如GIPSY和Bernese 产出的结果及经典大地测量和SLR观测数据。GLOBK三个主要的应用是：

（1）结合一个观测作业期内不同时段（例如不同天）的初步处理结果，获取该观测作业期的测站坐标最佳估值。对GPS分析，轨道参数可作随机参数处理；

（2）结合不同年份获取的测站坐标结果估计测站的速度；

（3）将测站坐标作为随机参数，生成每个时段或每个观测作业期的坐标结果以评估观测质

量；

GLOBK是一个复杂且又非常灵活的应用软件，包含又许多控制命令，每个命令完成一个功能，

不同的命令组合实现不同的应用。

GIPSY软件

GIPSY软件是美国JPL研制的GPS数据处理软件。无疑，JPL在空间技术的许多方面，当然也包括在GPS整个系统与软件技术方面均有不可比拟的条件和领先性。GIPSY用FORTRAN与C 语言等编写而成，目前主要有UNIX和LINUX版本。GIPSY主要通过脚本程序实现程序的自动化处理，很多情况下可通过简单的窗口操作运行。GIPSY软件是有限制的自由软件，但不

包括源代码。

GIPSY软件是基于VLBI数据分析软件而开发的，在数据分析中，不取载波相位数据的双差，而是直接处理载波非差观测量，这是GIPSY的一大特色。在非差处理模式中，卫星钟差和接收机钟差被视为具有白噪声性质的平稳随机过程直接估算。非差处理模式不仅使精密的单点定位成为可能，而且观测值的个数较双差多，这对于现在我们一般施测的高密度区域来说并没有什么显著影响，但对大且测点稀疏的GPS网则意义重大。但采用非差观测量也存在着

明显的不利之处：

1. 因为非差观测量不能像双差观测量那样消除或减弱许多共同误差源的影响，特别是星钟

和站钟，从而使可靠及自动地探测粗差和周跳变得非常困难；