GAMIT_GLOBK 安装中的问题及利用其生成GPS测站时间序列的实践

GAMIT GLOBK 安装中的问题及利用其生成 GPS 测站时间序列的实践 张智慧 1 刘静 1 易长荣 2 1 中国科学院青藏高原研究所 北京 100085 2 天津市控制地面沉降工作办公室 天津 300061 摘要 GAMIT GLOBK 作为精密处理 GPS 观测数据的科研软件 随着 GPS 的广泛应用 已经被广泛的应用于板块运动监测 地壳形变测量 活动断裂观测 大气可降水分析 电 离层观测等研究领域 但由于其数据处理过程复杂 一直少有系统全面的数据处理经验总 结发表出来 本文系统总结论述了从该软件的安装到利用该软件生成 GPS 测站观测时间 序列的整个过程 GAMIT GLOBK 源代码的下载及参数修改 GCC 编译器的修改 编译 和安装 GAMIT GLOBK 的安装 GAMIT GLOBK 的批处理 对于进行 GPS 数据精密处理的初 学者 具有重要的实际参考价值 关键词 GAMIT GLOBK 安装数据处理时间序列 全球定位系统 GPS Global Position System 近年来已在国民经济和国防建设的各个领域得 到了广泛应用 如利用 GPS 进行导航定位 工程测量与放样 测时与授时等 1 3 而由 于其高精度 全天候 自动化等特点 GPS 更是被广泛应用于板块运动监测 大地形变测 量 活动断裂观测 地面沉降监测 大气可降水分析 电离层观测等大地测量和气象研究 中 1 14 目前国内外已经开展了众多该方面的观测计划 例如北美西部板块边界观测的 PBO 计划 Plate Boundary Observatory 美国南加州 GPS 观测网 SCIGN 计划 The SouthernCalifornia Integrated GPS Network 日本的密集 GPS 观测台阵 中日合作 JICA 计划 中国地壳运动观测网络 中国沿海各城市开展的地面沉降监测等 15 16 利用 GPS 进行大地形变和气象研究 正热火朝天 方兴未艾 GPS 观测的迅速发展必然要求 GPS 数据处理方法的迅速跟进 对地壳运动和形变每年数十毫米乃至毫米量级位移量的解 算 只能采用专业机构开发的复杂的科研软件进行 目前 被广泛采用的 较为成熟的精 密处理 GPS 观测数据的科研软件主要有 瑞士伯尔尼大学天文学院开发的 BERNESE Rothacher et al 1990 美国航空航天局喷气发动实验室 JPL 开发的 GISPY OASIS Webb and Zumberge 1995 和美国麻省理工学院 MIT 等机构联合开发的 GAMIT GLOBK GPS At MIT GlOBal Kalman filter King and Bock 1995 17 而 GAMIT GLOBK 以其高 精度 及其对科研院所免费开源 和持续的升级改善 被广为采用 GPS 数据精密处理的 过程极为复杂 要求对处理过程相当的掌握才能保证解算结果的可靠性 准确性 由于 GAMIT GLOBK 的非商业性 对于该软件使用少有专业培训 同时由于处理过程的复杂和 专业用户间的交流较少 一直缺乏全面的处理经验发表出来 对于利用该软件进行数据处 理 往往只能根据其宽泛的软件说明摸索进行 而目前国内已有文献对于该软件安装和使 用过程的论述大都存在 论述或浅尝辄止 可操作性不强 或对软件具体处理过程一笔带 过 不予详细说明等问题 18 22 有鉴于此 笔者在反复研读软件说明 结合处理中国科 学院青藏高原研究所在藏南地区的连续 GPS TigiCAS 观测数据 及向 GAMIT GLOBK 开发团队请教的基础上 总结了该软件的安装及利用其生成时间序列的过程 1 GAMIT GLOBK 简介 GAMIT GLOBK 是 GAMIT 与 GLOBK 两大模块的合称 是一款以精密分析 GPS 观测数 据的科研软件 GAMIT Gps At MIT 模块为美国麻省理工学院 MIT 开发 主要由 ARC 轨道积分 MODEL 组成观测方程 SINCLN 单站修复周跳 DBLCLN 双差 自动修复周跳 CVIEW 交互修复周跳 SOLVE 双差求解 六个模块组成 可解算地 面观测站相对位置和卫星轨道 基线解算 及其它参数 18 19 22 GLOBK Global Kalman filter 模块为斯克里普斯海洋研究所 Scripps Institution of Oceanography 和哈佛 大学 HarvardUniversity 共同研究开发 其基本功能在实现基线平差 卡尔曼滤波 能 够将不同大地测量观测手段得到的解 比如 GPS VLBI 及 SLR 合并得到统一框架下的 大地测量意义下的结果 23 24 该软件主要运行于 UNIX LINUX 工作站 同时开发有 SUN OS 4 及 Solaris2 HP IBM RISC DEC 工作站版本 本文介绍基于 PC 机上 FC4 系统的 GAMIT GLOBK 软件安装过程及利用该软件生成 GPS 观测站的时间序列 根据流程 本文将分三部分依次展开论述 即 GCC 编译器的安装 GAMIT GLOBK 的 安装 GAMIT GLOBK 对 GPS 观测数据的处理 生成时间序列 2 GAMIT GLOBK 的 安装由于 GAMIT GLOBK 是以源代码形式提供 且代码采用 fortran 和 cshell 脚本混合编 写 因此对于软件的安装需要 gcc 编译器编译之后才能进行 2 1 gcc 编译器的安装 gcc 4 0 以前版本采用的 fortran 编译组件 g77 其最大同时编译文件数默认为 100 远低于 GAMIT GLOBK 用到的文件数 所以必须对 gcc 进行修改 虽然 gcc 4 0 之后采用 gfortran 已经没有文件数的限制 但是 GAMIT GLOBK 10 32 及以前版本用 gfortran 编译 时尚不稳定 为可靠起见 建议使用 gcc4 0 以前版本 这里选择下载 gcc3 4 6 gcc 编译 器源代码的下载地址 ftp gcc gnu org 或者 http gcc gnu org gcc 编译器源代码的 修改 将下载的 gcc 3 4 6 tar gz 文件解压缩 在 libf2c libI77 下找到 fio h 文件 将该文件 中 define MAXUNIT 100 的 100 改为 10000 并保存文件 则完成对于 gcc 编译器的修改 建立和安装目录平行的 gcc 3 4 6 obj 目录后 完成安装的主要步骤如下表所示 2 2 GAMIT GLOBK 的安装 GAMIT GLOBK 源代码可从 http www gpsg mit edu simon gtgk down htm 上申请帐户下载 科研使用可免费申请 一般在 usr 目录下新建 gamit 目录 下载的源代码保存于此 正式安装前 需对程序安装的系统配置 文件 Makefile config 进行相应设置 25 2 2 1 系统配置文件设置 Makefile config 文件保存在压缩的 libraries 文件包内 需要先对压缩文件包进行解压 tar xvzf libraries 10 32 tar Z 解压压缩文件 libraries 文件夹由于 Makefile config 文件自带路径 中没有 FC4 只有 RH FC1 3 与 FC5 在对照查看 Linux 系统中存在的文件路径后 选择如 下 RH FC1 3 对应的 X11LIBPATH usr X11R6 lib X11NCLPATH usr X11R6 include X11 与 GAMIT 数据处理相关的参数设置有 MAXSIT 最大观测站数 MAXSAT 最大卫星 数 MAXATM 最大天顶延迟参数 MAXEPC 最大历元数 可根据数据处理的实际要求 进行必要修改 2 2 2 GAMIT GLOBK 的正式安装通过命令窗口进入安装代码所在目录 给予 install software 文件以可执行属性 chmod x install software 执行 install software 安装 install software 注意激活安装的 命令顺序操作命令作用 1 gcc 3 4 6 configure prefix usr 配置最终编译路径 2 make bootstrap 编译 gcc 并存放于 gcc 3 4 6 obj 中 3 make install 将编译结果从 gcc 3 4 6 obj 安装到 usr 4 gcc v 查看目前 gcc 版本 确认新版本成功安装 安装过程中 根据界面提示进行操作即可 根据系统配置不同 安装所需时间不定 2 2 3 命令路径及环境变量的配置 在安装完成的最后 系统会提示你进行相关软件命令路径及环境变量的设置 可根据当前 用户 shell 情况进行对应的设置 当前用户 shell 为 C shell 的设置在当前用户根目录的 cshrc 中进行 用任意编辑器打开 cshrc 文件 在其中添加以下条目 setenv HELP DIR usr gamit help setenv INSTITUTE ITP set path path home bin usr gamit com usr gamit gamit bin usr gamit kf bin 保存文件 则软件路径及环境变量设置成功 到目前 整个 GAMIT GLOBK 软件已经安 装成功 检测是否成功安装 可通过输入任意 GAMIT GLOBK 命令来检测 比如 makexp 如果出现命令说明 基本可以证明软件已经成功安装 有异 则须排查改正错误所在或重 新安装 以上方法 在不同的 Linux Unix 系统版本上只要稍作对应于系统的设置 即可成 功借鉴 2 2 4 GMT 的安装 虽然到上一步 对于 GAMIT GLOBK 软件本身的安装已经完成 但想完整的运行 GAMIT GLOBK 则还需要调用绘图软件 GMT 该软件可在 http gmt soest hawaii edu 上 下载代码手动安装或参照相关指导选择自动安装 在安装完成后 需要在 c shell 配置文件 中加入软件命令调用路径 即将 usr gmt bin 加入 cshrc 文件中 示例如下 set path path home bin usr gamit com usr gamit gamit bin usr gamit kf bin usr gmt bin 2 GAMIT GLOBK 对 GPS 观测数据的处理 GAMIT GLOBK 对于 GPS 观测数据的处理是通过 GAMIT 与 GLOBK 两个模块分别完成 GAMIT 模块主要进行基线解算 生成单天解 h 文件等 GLOBK 模块则完成对 h 文件的 后处理 它可对多天或多期或多种观测手段 比如 VLBI SLR 等 结果进行综合处理 对 GPS 数据的处理 有分步处理和批处理两种方式 25 这里介绍最为常用的批处理方式 3 1 处理前的准备 GAMIT GLOBK 软件本身对于一些文件和数据提供网络下载途径 但是为了方便处理 在 没有对相关设置分布充分了解的情况一下 最好在正式处理前做好准备 3 1 1 数据管理及工程目录的建立 对于所有参与解算 GPS 数据 一般应分年并在年下按年积日保存 因为 GAMIT GLOBK 对于数据的解算 是以日为单位分别进行计算的 且如此存储方便 众多 数据管理 GAMIT 对数据的处理分工程进行 每次数据的处理都需要建立一个唯一的工程目录 在该 目录下建立 brdc gfiles rinex 三个目录 以存放处理过程中的所需和产生的文件 1 2 数据的准备 Rinex 格式的观测数据 对于非 Rinex 格式的数据 需转换为 Rinex 格式 IGS 站点的观测数据 对于要求 ITRF 坐标框架下坐标的解算则可加入观测区周围尽量 8 个方位均匀分布的 IGS 站点参与解算 对于自由网 则可以不用 IGS 站点 全球 IGS 站点分布可参照其网页 www igs org 上的分布图 IGS 站点观测数据可到以下站点下载 ftp garner mit edu Sp3 或者 g 精密星历 对于 GPS 数据的精密处理 需要采用精密星历 参与解算 精密星历在 ftp garner mit edu 有发布 3 1 3 文件的准备和设置 L 文件为包含 GPS 观测站初始坐标和参与解算的 IGS 站坐标的文件 该文件可以在 GAMIT 安装目录下的 lfile 的基础上手工填写 对于不知道初始坐标的观测站 可以选择 一个靠近所求观测站的已知精确坐标的站点来求解 命令为 sh rx2apr site nav ref apr 这里的为所求坐标站点任意一天 的观测文件 为与观测文件对应的当天的导航文件 为已知精确 坐标的站点的对应当天的观测文件 为已知精确坐标的站点的 apr 文件 对于 IGS 站点的精确坐标的求解可以通过 gapr to l 命令 从 ITRF 框架中直接提取 例如 gapr to l itrf05 apr ltest 2007 109 这里生成的 ltest 文件则为包含所有 itrf 站点的 l 文件 可从中找出所求 IGS 站点的精确坐标 station info 文件的准备 station info 文件包含包含接收机 天线和天线罩类型等硬件软 件背景信息 可根据观测站所用 GPS 对照格式填写 sittbl 文件的设置 sittbl 文件是 对于解算过程中某些站点的先验坐标给出约束 根据经验 对于 IGS 站点 可以做 0 005 0 005 0 01 的约束 而一般区域测站则作 100 100 100 的约束 检查 tables 内文件 Tables 内最少应包含的文件有 Pole 极移参数 ut1 UT1 表 luntab 月球星历表 soltab leap sec gdetic dat antmod dat svnac dat rcvant dat station info sestbl sittbl svs exclude info ITRFyy apr otl grid 以上文件可在 GAMIT 的 tables 里 面 找到 但需保持更新 2 GAMIT GLOBK 对 GPS 观测数据的批处理本文所处理的数据为中国科学院青藏高原 研究所 Tigicas 藏南活动断裂 GPS 观测计划中 YARE 等四个站点 2007 年 109 1124 天的 观测数据 所用接收机类型为 Leica RX1200PRO 大地测量型接收机 天线类型为 Leica AT504 扼流圈天线 天线罩为 SCIGN 型 天线高为 0 008mm 卫星高度截至角为 0 度 站点视场好 接收机采样间隔为 15 秒 每天历元数为 5760 为获得 ITRF 框架下的结 果 引入 WUHN BJFS LHAS KIT3 URUM KUNM BAN2 TEHN POL2 YIBL ULAB IRKT 这 12 个 IGS 站点参与解算 3 2 1 基线解算 18 21 24 25 基线解算通过 GAMIT 模块完成 建立工程目录 itpc 在该 目录下建立 brdc gfiles rinex 目录 并将 n 文件 g 文件和参与解算的 rinex 文件分别 链接入其中 在工程目录下 运行命令 sh setup yr 2007 它将链接到桌面的 gg 目录里的 tables 文件夹及内部的文件链接到当前工程目录下 编辑 链接到工程目录下的 tables 内的 sittbl sesstbl 等文件 并将事先编辑的 L 文件 lfile 及 station info 文件拷入其中 在工程目录下运行命令 sh gamit s 2007 109 112 orbt pgga expt itpc 即可得到单天的 h 解文件 3 2 2 数据后处理 24 26 数据的后处理通过 GLOBK 模块完成 编辑 globk comb cmd 与 glorg comb cmd 配置文件 并存放到 gsoln 目录下 其编辑过程科参照 example 进行 在工程目录下运行 sh glred expt itpc s 2007 109 2007 112 opt H G E sh glred log 在配置文件的控制下 sh glred 命令首先在 WGS84 基准下进行平差 得到测站坐标和卫星轨道坐标等估值 然后利用 IGS 站点在 WGS84 和 ITRF2005 框架中的两套坐标计算出的相似变换参数 利用相似变 换解算出未知站点在 ITRF 框架下的坐标 19 22 该程序运行成功后输出以 psbase itpc 命名的各测站的时间序列图 限于篇幅 下面只列出 yare 站时间序列图 图 1 YARE 站 2007 年 109 112 时间序列图 Fig 1 Time Series of YARE site from 109 to 112 2007 结语 本文针对目前尚无系统全面的 GAMIT GLOBK 处理 GPS 数据经验介绍的局面 尽量完 整介绍了 GAMIT GLOBK 安装及处理 GPS 观测数据获得观测站时间序列的基本过程 并 结合实际处理中科院青藏高原研究所连续 GPS 观测 TigiCAS 中 YARE 等 4 个连续 GPS 观测站 2007 年 109 112 天观测数据给予展示 具有较强的示范性 可操作性 但本 文仅对利用该软件生成时间序列的基本使用过程展开论述 未深入涉及软件细节 比如计 算结果质量和精度的评定等 对于该软件的全面 熟练深入理解和使用需参考其说明手册 及软件代码 致谢 在笔者学习和摸索的过程中得到了 GAMIT GLOBK 开发团队成员 Bob King 耐心 而热情的指导 同时圣地亚哥大学方鹏博士帮助解决 gcc 编译器的安装问题 中国 GPS 网 络工程中心的王敏研究员对于该软件的组织结构尤其是模型给与了充分的分析指导 我在 此 对他们给予感谢 本文的完成 得到了中国科学院 知识创新工程引进国外杰出人才 项目资助 作者简介 张智慧 1982 男 中科院青藏高原研究所 2006 级硕士研究生 目前主要参与 Tigicas 藏南活动断裂 GPS 观测计划研究 E mail wisdomfire 参考文献 1 陈俊勇 GPS 技术在地学中的应用与展望 测绘科学 1998 Vol 2 P4 5 2 周忠谟等 GPS 卫星测量原理与应用 测绘出版社 北京 1997 P197 214 3 李征航等 GPS 测量与数据处理 武汉大学出版社 武汉 2005 P5 10 4 张培震等 GPS 观测的活动断裂滑动速率及其对现今大陆动力作用的制约 地学前 缘 Vol 10 Supple 5 Qizhi Chen Spatially variable extension in southern Tibet based on GPS measurements JGR 2004 Vol 109 6 Zheng Kang Shen Contemporary crustal deformation around the southeast borderland of the Tibetan Plateau JGR 2005 Vol 110 7 党亚民等 利用 GPS 资料分析南天山地区的地壳形变特征 测绘科学 2002 Vol 27 No 4 P13 15 8 唐文清等 龙门山断裂构造带 GPS 研究 大地测量与地球动力学 2004 Vol 24 No 3 P57 59 9 孟国杰等 GPS 揭示的贝加尔湖地区现今地壳形变特征 大地测量与地球动力学 2006 Vol 26 No1 P15 20 10 许厚泽等 东北亚大陆地壳运动的 GPS 研究 J 大地测量与地球动力学 2004 24 4 P1 6 11 程晓等 应用 GPS 资料反演南极大气可降水量的试验分析 极地研究 2002 Vol 14 No 2 P136 144 12 李成才等 全球定位系统遥感水汽总量 科学通报 1999 Vol 44 No 3 P333 336 13 甘卫军等 青藏高原东北缘主要活动断裂带 GPS 加密观测及结果分析 地震地质 2005 Vol 27 No 2 P177 185 14 王敏等 2003 现今中国大陆地壳运动与活动地块模型研究 J 中国科学 D 辑 33 增刊 21 32 15 无名氏 青藏高原及周边综合观测系统计划 JICA 实施进展 中国气象科学研 究院年报 2006 1 P57 58 16 陈俊勇 中国地壳网络运动观测网络简介 测绘通报 1997 Vol 2 P8 11 15 17 周德敏 青藏高原东北缘现今地壳形变的 GPS 观测研究 中国地震局地质研究 所硕士论文 2005 P16 18 王志强等 GAMIT 使用指南 GPS world of China 2002 2 P36 39 19 杨志强等 GPS 监测青藏板块运动数据的 GAMIT GLOBK 处理方法及有关问题 杨志强 西安工程学院学报 1999 vol 21 No3 P49 52 20 程晓等 在 PC 机上运行 GAMIT GLOBK 软件包 测绘通报 2003 Vol P4 6 21 鄂栋臣等 应用 GAMIT GLOBK 软件进行高精度 GPS 数据处理 极地研究 2005 VOL17 NO3 P173 179 22 党亚民等 川滇 GPS 地壳形变监测网的观测与数据处理 地壳形变与地震 1996 Vol 16 No 4 P31 36 23 http www gpsg mit edu simon gtgk 24 孟国杰等 中国地壳运动观测网络首期观测数据处理 地震 2001 Vol 21 No 1 P63 68 25 Department of Earth Atmospheric and Planetery Science Massachusetts Institute of Technology et Documentation for the GAMIT GPS Analysis Software release10 0 USA 2002 26 Department of Earth Atmospheric and Planetery Science Massachusetts Institute of Technology et GLOBK Reference Manual release10 3 USA 2006 The installation of GAMIT GLOBK and application in generating time series of GPS observations Zhang Zhihui 1 Liu Jing 1 Yi Changrong 2 1 Institute of Tibetan Plateau research Chinese Academy of Science BeiJing 10