摘要：本文对高精度GPS数据处理软件GAMIT/GLOBK和TRIMBLE公司的商业GPS基线解算及网平差软件Trimble Business Center（下简称TBC）作了简单介绍，同时参考GPS定位误差因素和基线解算的关键点对两软件的主要功能、解算模型以及基线解算结果进行了对比分析，并得出一些有意义的建议。
关键词：GAMIT/GLOBK；TBC；基线解算；高精度
1 前言
近年来，GPS测量定位理论和软件科学的进步促进了不同功能GPS数据处理软件的发展，为满足不同应用需求的GPS数据处理软件不断问世。按应用领域来分，GPS数据处理软件可以分为：科研软件和商业软件。科研软件主要针对大学、科研机构和高精度的国家测绘机构等用户而研发，用于研究新理论、新方法等，如GAMIT/GLOBK软件、BERNESE 软件和GIPSY。而商业软件，如TBC、TTC 和LGO 等，则是针对工程应用而研发，其目的是充分利用现有的理论成果解决具体测量定位问题，为广大GPS用户提供便利。两类软件在软件性能和选用的误差改正模型方面究竟存在多大差异，其基线解算结果精度又如何，本文对此进行了比较分析。由于同一类软件在软件性能、数据处理能力和精度方面的差异较小。因此，在比较时，本文以GAMIT/GLOBK和TBC软件作为两类软件的代表进行比较，进而总结出两类软件的共同点和异同点。
2 TBC简介
Trimble Business Center（TBC）是Trimble 的新一代后处理软件，不仅能够处理GNSS（包含GPS、GLONASS和Galileo）数据，还可以处理Trimble全站仪、水准仪、3D 扫描仪数据，集成了功能强大的可视工具和建模工具，利用多种视图全面反映数据信息，全新的处理算法保证其处理速度，并提供了灵活的处理配置方案，可以通过网络升级软件。其主要特点有：
（1）可以处理静态和动态GPS、GLONASS和Galileo多星多频数据、全站仪、水准仪、3D 扫描仪数据；
（2）支持处理GPS（L1，L2，L2C，L5），GLONASS（L1，L2），Galileo GIOVE A/B 开放服务（L1，E5），后者的处理具有欧盟发布的Galileo 开放服务ICD（接口控制文档）商业授权；
（3）非常高效的基线处理和网平差；
（4）可以从网络下载参考站数据、精密星历数据、天线和接收机更新文件、帮助手册等。
3 GAMIT/GLOBK简介
GAMIT/GLOBK软件是最初是由美国麻省理工学院研制的，后又与美国SCRIPPS海洋研究所共同开发改进的。该软件是世界上最优秀的GPS定位和定轨软件之一，采用精密星历和高精度起算点时，其解算长基线的相对精度能达到10-9量级，解算短基线的精度能优于1mm。
GAMIT/GLOBK软件是由许多功能不同的模块组成的，这些模块可以独立的运行。这些模块按其功能来分可以分成两个部分：数据准备和数据处理。此外，该软件还带有功能强大的SHELL程序。数据准备部分包括原始观测数据的格式转换、计算卫星和接收机钟差、星历的格式转换等；数据处理部分包括观测方程的形成、轨道的积分、周跳的修复和参数的解算等。各个模块具有一定的独立性，但它们之间又紧密地联系在一起，共同完成数据处理和分析的全过程。
4 GPS定位误差分析
4.1卫星有关的因素
4.1.1卫星星历误差
在进行GPS定位时，是将GPS卫星当作动态的已知点，而计算在某时刻GPS卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种种类的星历提供的，但不论采用哪种种类的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异，这就是所谓的星历误差。
4.1.2卫星钟差
卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间之间的误差。
由于卫星的位置是时间的函数，所以GPS的观测量，均以精密测时为依据。为了精密导航和测量的需要，GPS建立了专门的时间系统，该系统可以简写为GPST，用周数和周内的秒数来表示。
4.1.3卫星信号发射天线相位中心偏差
卫星信号发射天线相位中心偏差是GPS卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。
4.2与传播途径有关的因素
4.2.1电离层延迟
由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为电离层延迟。电磁波所受电离层折射的影响与电磁波的频率以及电磁波传播途径上的电子总含量有关。对于GPS卫星信号来说，在夜间当卫星处于天顶方向时，电离层折射对传播路径的影响，将小于5m；而在日间正午前后，当卫星接近地平线时，其影响可能大于100m。
4.2.2对流层延迟
由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为对流层延迟。电磁波所受对流层折射的影响与电磁波传播途径上的温度，湿度和气压有关。对流层折射对观测值的影响，可分为干分量和湿分量两部分，干分量主要与大气的温度与压力有关，而湿分量主要与信号传播路径上的大气湿度和高度有关。当卫星处于天顶方向时，对流层干分量对距离观测值的影响，约占对流层影响的十分之九。若地面平均大气压力1013mbar，则在天顶方向，干分量对所测距离的影响约为2-3m，而当高度角为10°时，其影响约为20m。湿分量的影响数值不大，现在尚无法准确地测定。
4.2.3多路径效应
由于接收机周围环境的影响，使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有各种反射和折射信号的影响，这就是所谓的多路径效应。
4.3与接收机有关的因素
接收机钟差是GPS接收机所使用的钟的钟面时与GPS标准时之间的差异。GPS接收机所使用的钟为高精度的石英钟，其日频率稳定度约为10-1秒。如果接收机钟与卫星钟之间的同步差为1us，由此引起的等效位置误差，约300m。
4.4人卫轨道摄动因素
4.4.1人卫轨道理论
人卫轨道理论是研究人造卫星运动规律的理论，人造卫星进入自动飞行阶段后，也和自然天体一样在万有引力及其他摄动力的作用下遵循牛顿运动定律在轨道上运动。因而同样可以用研究天体运动的一般理论--天体力学来研究其运动规律。
4.4.2人卫轨道摄动主要因素简介
虽然人卫正常轨道可以精确求解，但只是在假设的理想条件下求得的近似轨道。所以必须讨论在地球形状摄动力及其他各种轨道摄动力作用下卫星的实际轨道和正常轨道之间产生多大偏离的问题，即解决轨道摄动问题。
5 GPS基线处理的关键点
在高精度GPS测量中，影响定位精度的主要因素有：卫星的轨道精度、对流层折射的修正精度、多路径效应、相位中心的改正、接收机震荡器的稳定度、数据的后处理技术和起始点坐标的精度。考虑到影响GPS定位精度的因素及自动化数据处理的需要，在研制的过程中，主要针对如下几个因素作了一些研究和探讨。
5.1卫星星历
卫星的轨道误差是影响GPS定位的主要因素之一，其对基线的影响可以较精确地用式1表示。
式1：
其中分为卫星轨道的误差，r为卫星至测站的相对位置矢量，为基线矢量的误差，b为两站之间基线矢量。如令GPS点位之间最大距离为10km左右（两基准之间距离），取r=22000km，轨道的误差为50m，根据上其对基线的最大影响为5mm。可见，用广播星历解算对较长基线结果有显著影响。因而在有条件的情况下，最好还是采用精密星历（精度在0.1m左右）或预报精密星历（精度在0.5m左右），从而可以保证星历误差对于基线解算没有影响。
5.2对流层折射影响
对流层折射是影响高精度GPS定位的重要因素之一，虽经模型改正后，有很大的改善，但其残余偏差（经模型改正后的对流层折射残余的影响）也很大影响了垂线方向的精度，对于较大尺度的GPS网，其甚至可以对整网有一个尺度上的影响。在长距离GPS定位中，对流层折射虽然经双差后得到较好地削弱，但由于GPS监测点所在的气候差得较大，即气象条件不一致，从而大气层的影响也不一致，对于剩余偏差（是指在Saastemionen模型改正的基础上）可以采用随机过程模拟。
5.3周跳修复
周跳是否修复是影响基线解算精度的重要因素之一。特别是在长距离定位中，模糊度的整数特性受大气改正不完善等因素的影响而变得很弱，周跳是否修复的问题尤为突出。修复周跳的方法有多种，如：利用观测值的不同差分、拟合法等。
5.4基准点坐标的确定
在基线解算中，需要一个起算点。起算点的精度将影响基线解算的精度。因此很有必要获得高精度的基准点坐标及监测点的坐标。根据有关文献，起算点对基线解算的最大影响可以用式2表示。
式2：
式中为对基线的影响，D为基线的长度（以千米计），为起算坐标的误差。令D=10km，如要对基线的影响小于1cm，则要求起算坐标的误差小于17m。因此，为了获得基准站及其它GPS监测站的较为精确的地心坐标，利用GPS跟踪站，将它们与基准站及其它GPS监测站联测，通过解算获得了高精度的ITRF框架坐标。由于ITRF坐标是瞬时的，因而这一坐标每隔一段时间要重新获得，能够保证地面站的坐标与星历的一致性。
5.5基线解算是否在地固系中进行
惯性坐标系是动力学的基础，卫星运动方程就是在惯性坐标系中建立的。因而一般来说，对于高精度GPS定位，基线解算在惯性系进行。而提供星历的坐标系却是地固系的，这就需作一个转换：从地固系转到惯性坐标系中。转换需要提供极移、UT1、章动等表，然而这些表是每隔一段时间才发布。可通过Internet每隔一段时间实时获取这些表。
5.6整周未知数的确定
当以相位观测值为观测量进行相对定位时，整周未知数的确定是一个关键问题。其解算的质量如何是相对定位精度的保障。解算整周未知数的方法有多种，如：交换天线法、P码双频技术、滤波法、搜索法和模糊函数法等。整周未知数的结果有两种：整数解和实数解。
高精度定位软件之所以能够优于一般的商业软件，因为其所用的数学模型和算法优于一般的商业软件。主要体现在如下两个方面：
（1）考虑的GPS定位误差比较全面，模型好。
（2）人工干预的方法多，算法好。
6 软件功能对比
由于用户的定位需求不尽相同，每种软件的功能也各有特点。GAMIT/GLOBK具有精度高、模型复杂和功能强大等特点，其不仅可以解算基线，还可以对某一因素的影响规律进行研究，进而完善或建立更优的改正模型。TBC以解决测量实际问题为主，精度满足一般测量定位要求，它们具有快速高效和操作简便等特点。表1 列出了GAMIT/GLOBK与TBC软件的主要功能。从中可以看出，高精度解算软件GAMIT/GLOBK和一般商业软件TBC在功能上存在着显著的差异。这些差异也反映出了GAMIT/GLOBK与TBC在功能设置上各有不同的侧重点。
表1 GAMIT/GLOBK与TBC 软件主要功能比较
7 软件解算模型对比
利用GPS进行导航定位时，定位精度受到多种观测误差的影响，因此对这些误差的改正十分必要。目前，人们在研究通过数据处理办法消除误差影响方面取得了巨大进展，建立了各种对流层、电离层、钟差等改正模型，有效地提高了定位精度。数据处理软件利用现有理论研究成果和改正模型对误差加以改正。在GAMIT/GLOBK软件中设置有多种改正模型选项，对测量定位中绝大多数影响因素进行模型改正，而且对同一影响因素还提供有多种模型改正方法。由于在满足精度的基础上，TBC更注重软件的快速高效性，因此它们采用的模型就较为简单，仅对主要误差源进行了模型选项的设置。表2列出了两软件在模型设置方面的一些差异。
表2 GAMIT/GLOBK与TBC软件的解算模型对比
8 基线解算精度对比
采用模型改正是消除或减弱误差提高精度的有效手段。GAMIT/GLOBK与TBC各采用不同的改正模型设置，它们基线解算结果的精度如何，本文作了如下实验。由于两软件所适用的对象不同，本文选用的数据包括了短基线和长基线。利用GAMIT/GLOBK进行基线解算时，主要考虑下列因素：卫星钟差模型改正，接收机钟差的模型改正，电离层模型改正，对流层模型改正，卫星和接收机天线相位中心改正，截止高度角和历元间隔。而采用TBC解算时其主要参数采用默认设置，并根据具体解算进行优化设置，如截止高度角，迭代次数等。基线处理结果如表3 所示：
表3 基线解算精度对比表
9 结语
从以上的功能、模型及基线解算结果对比，可以认为：
（1）GAMIT/GLOBK软件模型严密，广泛吸纳了各种有效提高定位、定轨精度的方法。因此，对于有较高精度要求、较长基线的网（如洲际板块监测、特大型桥梁、隧道等），选择GAMIT/GLOBK有较高的可靠性，对于低等级、短基线的GPS网，由于GAMIT/GLOBK较TBC在使用和数据准备等方面有较高的要求，此时选择TBC较为方便快捷。所以，在实际的工程中要根据工程的精度要求及其他条件综合考虑，选用合适的软件。
（2）TBC在满足工程精度要求的基础上，更注重软件在具体应用中的实用性和高效性。
（3）GAMIT/GLOBK源代码的开放性更有利于软件的完善和改进，软件本身也更具有借鉴和研究价值。
（4）GAMIT/GLOBK处理GPS数据的过程往往都是非常复杂的，在实际计算中需用户干预的参数设置很多，需仔细操作以免参数设置不合理发生错误。
参考文献：
[1]李德仁，袁修孝.误差处理与可靠性理论.武汉：武汉大学出版社，2002.
[2]刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法.科学出版社，2003.
[3]李征航，黄劲松.GPS测量与数据处理.武汉大学出版社，2005
[4]武汉大学工程研究中心.GAMIT软件操作手册
[5]北京麦格天渱科技发展有限公司.Trimble Business Center v2.40 培训教程.2011
论文作者:隋正苏
论文发表刊物:《基层建设》2018年第13期
论文发表时间:2018/7/10
标签：基线论文; 精度论文; 对流层论文; 误差论文; 软件论文; 模型论文; 接收机论文; 《基层建设》2018年第13期论文;