gamit_在导航卫星精密定轨和eop参数解算中的应用毕业设计（论文）

毕业设计（论文）题目GAMIT在导航卫星精密定轨和EOP参数解算中的应用TTHEAPPLICATIONOFGAMITINNAVIGATIONSATELLITEPRECISIONORBITDETERMINATIONANDTHEEOPOFPARAMETERCALCULATION院别地理空间信息学院T专业测量工程T姓名宋海T学号3302011030T指导教师马高峰T日期201506T信息工程大学摘要当今测绘领域，精确的定位和导航需要高精度的卫星轨道数据以及高质量的EOP（地球定向参数）作为基础。本文介绍了GAMIT软件的功能特点、安装方法，软件包在定轨及参数解算中的模块和计算流程，以及基本参数设置。利用IGS站提供的全球分布的GPS观测数据，本文中实例使用GAMIT/GLOBK软件进行定轨和EOP参数解算，得到结果后分析并比较其精度，给出精度分析。在GPS数据处理过程的定轨与EOP参数解算方面给初学者提供一些帮助，对我国北斗卫星导航系统的建设具有一定的参考意义。关键词GAMIT软件GPS定轨EOP精度分析ABSTRACTTODAYSFIELDOFSURVEYINGANDMAPPING,ACCURATEPOSITIONINGANDNAVIGATIONREQUIRESAHIGHACCURACYOFSATELLITEORBITALDATAANDTHEQUALITYOFTHEEARTHORIENTATIONPARAMETEREOPASABASISTHISARTICLEDESCRIBESGAMITSOFTWAREFEATURES,THEINSTALLATIONMETHOD,PACKAGEMODULEINORBITDETERMINATIONANDCALCULATIONOFPARAMETERSANDCALCULATIONPROCESSES,ASWELLASTHEBASICPARAMETERSETTINGSUSEOFIGSSTATIONSPROVIDINGGLOBALDISTRIBUTIONOFGPSOBSERVATIONDATA,EXAMPLESINTHISARTICLEUSEGAMIT/GLOBKSOFTWAREFORORBITDETERMINATIONANDEOPPARAMETERSCALCULATION,OBTAINEDRESULTSAREANALYZEDANDCOMPAREDITSACCURACYISGIVENEOPANDORBITPARAMETERSCALCULATIONINGPSDATAPROCESSINGANDTHECONSTRUCTIONOFBEIDOUSATELLITENAVIGATIONSYSTEMHASACERTAINVALUEKEYWORDGAMITSOFTWARE；GPS；ORBITDETERMINATION；EOP；ACCURACYANALYSIS目录第一章绪论1第二章GAMIT/GLOBK的功能特点与安装221GAMIT/GLOBK软件简介222GAMIT软件的功能及组成3一、GAMIT软件模块3二、GLOBK软件模块3三、GAMIT软件主要功能和特点423GAMIT软件安装4第三章利用GAMIT软件实现定轨和EOP参数解算的流程731数据准备732GAMIT处理933GLOBK处理12第四章算例讨论1341单天分析1442周分析15一、卫星星历比较结果15二、ERP比较结果15第五章结论分析16致谢17参考文献18第一章绪论GPSGLOBALPOSITIONINGSYSTEM（全球定位系统是由美国国防部领导研究并开发建立的一种全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航系统，它不仅大大提高了地理系统的信息化水平，同时促进了数字经济的发展。当前GPS的应用已经进入了人们生活的方方面面，对于国家而言，精密的定位技术也成了要求越来越高的一项技术。同时，世界少数国家也相应研发了属于自己的定位系统，组成了包含GPS在内的四大卫星导航系统，其他三个分别是俄罗斯的“GLONASS”系统，欧洲的“GALILEO”系统，中国的北斗导航系统。这三大导航系统，或多或少都基于GPS的技术产生，有些方面还存在依赖性，因此充分了解并研究GPS系统成为了现在卫星定位工作者的基础任务。现代科技不断进步，空间站技术日趋成熟，GPS定位技术、精密工程测量学、地球动力学也高速发展日趋成熟和稳定，在各种领域中，对GPS数据处理流程简便程度，计算速度和精度高低都提出了相应的要求。高精度的GPS处理在国家和城市控制网的建立以及大型工程建设和后期变形监测等方面的应用也越来越广泛。GPS后期数据处理过程是研究GPS定位技术的一个重要内容，不同的数据处理软件和处理方法对最后的结果都会产生很大的影响，对于GPS系统的数据处理，为了实现整个卫星导航定位功能，需要高精度的解算方能来得到高质量的结果。当今世界上有4个比较有名的GPS高精度数据处理分析软件，即美国麻省理工学院（MIT）和美国加利福尼亚大学SCRIPPS海洋研究所（SIO）共同开发的GAMIT1软件；美国喷气动力实验室（JPL）的GIPSY软件；瑞士伯尔尼大学研制的BERNESE软件；德国GFZ的EPOS软件。除此之外，还有美国德克萨斯大学的TEXGAP软件；英国的GAS软件；挪威的GEOSAT软件以及由我国武汉大学卫星导航定位技术研究中心自主研制的PANDA软件。它们都是IGS数据分析处理中心采用的软件，但由于各自设计的出发点不同，所以有着各种的应用特点。本文主要介绍GAMIT软件的基本功能和特点，WINDOWS系统下的安装过程，以及其在导航卫星精密定轨与EOP参数解算中的应用，为GAMIT/GLOBK软件的初学者提供服务。第二章GAMIT/GLOBK的功能特点与安装21GAMIT/GLOBK软件简介GAMIT是在美国国麻省理工学院（MIT）和SCRIPPS海洋研究所（SIO）共同研制并开发的GPS数据处理分析软件包，用于定位和定轨以及相关参数的解算。GAMIT软件代码是基于FORTRAN语言编写的，由多个不同的程序模块组成，它们独立且相互协作完成解算。GAMIT软件的特点有计算速度快，算法简单易懂，结果清晰准确，版本更新快和自动化程度高等特点。采用精密星历和高精度起算点时，GAMIT软件解算长基线的相对精度能达到109量级，解算短基线的精度能优于1毫米，是世界上最优秀的GPS数据处理软件之一。近些年，GAMIT在数据处理的自动化过程中做了改进，突出的变化是使其可以基于微机的LINUX平台运行，因此可以在WINDOWS系统下模拟LINUX操作平台进行使用。该软件的开放性和代码开源性，使其在科研领域得到广泛应用，相对于其他数据处理软件，GAMIT在我国的应用更为广泛，在不同大学和各种科研单位及研究所，GAMIT已经作为主要的数据处理软件被使用，我国的A、B级GPS网也是借助它来完成建立的。在GAMIT软件之后，还有一个重要的拓展软件GLOBK软件。GLOBK（GLOBLEKALMANFILTER是一个卡尔曼滤波器，主要用于解算大地及空间相关测量数据完成平差等过程。其数据基础是“准观测值”的估值和其协方差矩阵。GLOBK软件主要的应用有以下三个（1）在GAMIT基础上生成测站坐标的时间序列，并检测其重复性，排除并删掉产生异常的测站和时段；（2）将单段时间的解进行综合，从而得到一个平均的坐标。（3）将平均坐标进行综合，从而得到一个平均的测站速度。22GAMIT软件的功能及组成一、GAMIT软件模块GAMIT软件包含功能不同的模块，这些模块可以独立运行，但联系又十分紧密，需要的时候可以协同合作完成数据处理和分析的全过程。GAMIT的基本模块可以分为以下两个部分准备数据的模块和处理数据的模块。此外，软件还包含功能强大的SHELL程序。具体内容如下（1）数据准备模块BCTOT及NGSTOT（将星历格式SP3转换成GAMIT所需的文件）；MAKEX（转换原观测数据生成文件）；MAKEJ（生成卫星钟差文件）；MAKEXP（数据准备部分的驱动程序）。（2）数据处理模块FIXDRV（数据处理部分的驱动程序）；ARC（轨道积分模块）；MODEL（求偏导数并生成观测方程）；CFMRG（创建M文件，定义选择相关参数）；SINCLN（单差自动修复周跳模块）；DBLCLN（双差自动修复周跳模块）、AUTCLN（相位观测周跳和粗差自动修复模块）、CVIEW（周跳修复模块）；SOLVE（最小二乘解算模块）。二、GLOBK软件模块GLOBK软件模块可大致分为四类（1）HTOGLB（格式转换模块）其将文件转换为GLOBK所需要的二进制文件H文件，支持的类型有GAMIT软件H文件；关于GPS或其他技术SINEX格式文件；FONDA软件HFILE；JPL机构提供的STACOVFILE；SLR/GSFCFILE、VLBI/GSFCFILE（包含站坐标和速度场）。（2）GLRED、GLOBK、GLORG（运算模块）（3）GMT（图形应用模块）这类模块主要包括SH_PLOTCRD、SH_GLOBK_SCATTER、MULTIBASE、SH_PLOTVEL等。主要功能为利用GMT软件绘制各种图形，如时间序列，速度场等等，可用于分析数据质量。（4）其他辅助模块主要包括两类GLIST、GLSAVE、EXTRACT、EXBRK、CORCOM、CVFRAME、VELROT等。三、GAMIT软件主要功能和特点1导航卫星定轨和地球自转参数解算等；2地面测站点的坐标计算；3利用相应的模块和模型来改正各种地球物理效应；4对流层天顶延迟参数和大气水平梯度参数的估计；5天线相位中心的改正6定权方式多样7可以提供两种解，及约束解和松弛解8数据的产生与编辑可以自动化也可以人工修改。23GAMIT软件安装随着个人计算机性能越来越强，处理数据的速度越来越快，更多的用户开始在PC机的LINUX操作平台下运行GAMIT来处理GPS数据，本节主要讲解在PC机下WINDOWS操作系统中，利用CYGWIN模拟LINUX平台实现GAMIT软件的安装和使用，并处理了一些实际遇到的问题和可能出现的问题作为参考。（1）安装CYGWIN。进入CYGWIN官网下载安装包，本文选择WINDOWS64BIT安装包下载，选择在线安装，按照GAMIT操作指南（GAMIT_PREREQUISITESPDF文件）安装必要的插件，主要包含DEVEL/GCC4FORTRAN、DEVEL/MAKE、MATH/BC、SHELLS/TCSH、X11/LIBX11等，等待其安装完毕并打开CYGWIN程序实现初步配置，在安装目录下找到根目录。（2）在CYGWIN下安装GAMIT。依照GAMIT安装指南进行命令行程序安装，将GAMIT程序相关安装文件拷贝至根目录下建立的GAMIT/105目录下，运行/INSTALL_SOFTWARE进行安装，在第一次安装过程中我发现如下问题，并整理成安装日志，如下1）搜索不到头文件LIBX11A，显示为X11LIBPATHCHECKTHATLIBX11A,LIBX11SOORLIBX11DYLIBEXISTSINONEOFTHESEDIRECTORIESX11INCPATH/USR/I686PCCYGWIN/SYSROOT/USR/INCLUDE/USR/INCLUDE/USR/LIB/PERL5/VENDOR_PERL/514/X86_64CYGWINTHREADS/TK/PTK/XLIBHCHECKTHATXLIBHEXISTSINONEOFTHESEDIRECTORIESEDITLIBRARIES/MAKEFILECONFIGSOTHATTHEAPPROPRIATEDIRECTORIESARESETATLINESBEGINNINGWITHX11LIBPATHANDX11INCPATHANDNOTCOMMENTEDOUT“ATSTARTOFLINEYOUSHOULDBEAWAREOFPOTENTIALINCOMPATIBILITIESBETWEEN32AND64BITLIBRARIESIFYOUHAVESUCHACHOICEANDONEDOESNOTWORK,TRYWITHTHEOTHER解决方法打开文件MAKEFILECONFIG修改X11文件路径为LIB/，并在命令行里建立链接LNLIBX11ALIBX11DLLA2安装过程中提示RUNNINGUNIMAKETOCREATEMAKEFILEFORCOMLIBSYSTEMNAMECYGWINMICROSOR9E9M0U17320274/5/3201408132306X86_64CYGWINSYSTEMRELEASENUMBERTRANSLATEDTO1732OSIDCYGWIN1732NOTFOUNDINMAKEFILECONFIGREMOVEMAKEFILEANDSTOPFAILUREINMAKE_GAMITINSTALL_SOFTWARETERMINATED解决方法进入文件MAKEFILECONFIG修改版本号区间，视自己CYGWIN版本号而定（命令行输入CYGCHECKCCYGWIN查询版本号）处理完上述两个问题后，再次安装GAMIT，代码滚动，约30分钟后安装完成。在安装目录中找到BASHER文件，利用UT软件或VI命令中修改其中的内容实现配置，方法如下打开用户目录下的隐藏文件BASHRC，在末尾添加PATHPATHHOME/GG/GAMIT/BINHOME/GG/COMHOME/GG/KF/BINHELP_DIRHOME/GG/HELP/INSTITUTE“用户名“EXPORTPATHEXPORTHELP_DIREXPORTINSTITUTE相关设置根据用户不同路径已经GCC版本差异做适当修改。运行命令SOURCEBASHRC启用相关配置，运行命令DOY2002232，测试GAMIT功能可用，如图21。图21连接海潮格网数据OTL_FES2004GRID（约700M），假设放在FGAMITGRID目录下，连接命令如下CD/GAMIT/105/TABLESLNS/CYGDRIVE/F/GAMIT/GRID/OTL_FES2004GRID第三章利用GAMIT软件实现定轨和EOP参数解算的流程31数据准备1、在根目录下新建1600项目文件夹，项目文件夹内新建BRDC、IGS、RINEX、TABLE四个文件夹，分别存放需要处理年积日的广播星历文件、精密星历文件、观测值文件和进程控制文件。2、运行GAMIT进入1600项目文件夹内，运行SH_SETUPYR20103、生成STATIONINFO文件。进入RINEX文件夹，运行SH_UPD_STNFOFILES/RINEX/10O提示运行成功以后STATIONINFO文件中就存放了本次处理数据的开始和结束时间，以及参与测站的站名、接收机型号和天线类型等信息，可用UT软件打开文件查看其信息，必要时可以进行编辑修改。算例中生成的STATIONINFO如下图31图31建立LFILE文件。LFILE是测站的先验坐标文件。进入RINEX文件夹输入命令如下A）GREPPOSITION10OLFILERNX（提取观测值O文件的先验XYZ坐标）B）RX2APRLFILERNX2010056（将RNX文件转化为APR文件）C）GAPR_TO_LLFILERNXAPRLFILE2010244（由APR文件生成LFILE文件）将STATIONINFO和LFILE两个文件拷贝至TABLES文件夹中，覆盖之前的文件。5、配置SESTBL。TABLES下的SESTBL文件是测段分析策略文件，打开文件可以看到各参数的说明。一般情况采用默认配置即可，通常需要修改的地方有三个，如下CHOICEOFEXPERIMENT选择处理方式，本文实例处理方式选择RELAX，即采用松弛解，用于定轨和参数解算。CHOICEOFOBSERVABLE选择观测值类型和模糊度解算，这里我们选择LC_HELP，即用LC观测解模糊度。USEOTLGRID选择是否使用潮汐文件，这里我们链接了2004年的潮汐文件，所以这里选择Y。本算例SESTBL配置文件如下图31图326、SITTBL的配置。在TABLES下还有一个SITTBL文件，它是一个约束条件文件，主要对各个测站的先验坐标、钟差、大气模型等进行约束。7、SITESDEFAULTS和PROCESSDEFAULTS的配置。在TABLES下的SITESDEFAULTS文件包含需要参与解算的测站和一些限制测站信息。在其末尾可以添加参与解算的测站，也可以编辑给定不参与解算的测站或某些时段，本次算例选择了20个全球均匀分布测站，添加内容如下YELL_GPSSONGFTPRNXAMC2_GPSSONGFTPRNXBOGT_GPSSONGFTPRNXKUNM_GPSSONGFTPRNXPIMO_GPSSONGFTPRNXBJFS_GPSSONGFTPRNX（测站分布见算例图示）PROCESSDEFAULTS文件用来控制处理过程中的细节，判断进程是否继续的条件，比如SAMPLINGINTERVAL,NUMBEROFEPOCHS,STARTTIMEFORPROCESSING，DEFAULTGLOBKAPRFILE等等。32GAMIT处理GAMIT软件在处理数据时，利用RINEX标准格式的观测文件，分两步走，第一步先按要求编辑数据，得到特定的X文件，第二步再用得到的X文件进行不同处理方案的参数估计，进而得到所求时段的解。图33是GAMIT数据处理的详细流程（数据流和命令流），最后一步的批处理具体流程细化为图34。图33GAMIT软件计算流程图34GAMIT批处理模块BEXPYBAT本次算例使用批处理，简化计算过程，实现自动化，在目录下输入命令SH_GAMITEXPTSONGS20102482010254ORBITIGSFNOFTP命令中的相关参数说明EXPT指定四个字符的工程名称；S所需处理数据的年积日区间；ORBIT采用的精密星历文件类型。处理完成后，在根目录下生成年积日文件夹，其中包含一系列文件，主要文件及用途如下表文件内容SH_GAMIT_248SUMMARY结果概要文件DFILE接收机驱动文件GFILE轨道初始参数和非重力参数值文件JFILE星钟多项式系数文件TFILE星历表文件QFILE两种解的分析记录OFILE简化的QFILEHFILE二进制格式的两种松约束解，用于GLOBKXFILE参与运算的观测值一般通过查看结果概要文件和O文件来判断解算精度是否符合要求，标准为O文件中的POSTFIT_NRMS项小于03，若大于10则说明该解存在问题，需要检核重解。33GLOBK处理建立工作目录GLSON，其下一般还应包括四个子目录GLBF，存放文件；DAILY，存放单天解文件；SINEX，存放测站和ERP的周综合解ORBIT，存放卫星星历文件；在GLBF目录下，放置所有H文件，并转化为二进制H文件，用于GLOBK处理。其命令为HTOGLB/HIGS；在DAILY目录下，首先利用步骤生成的二进制文件为参与解算的各天生成文件的列表文件，其命令为LS/GLBF/HYYMDGLXGKPROJGDLYYMD由年的后两位数字、月、日组成；PROJ由GPS周数和这周的天数组成）；编制控制命令文件GLOBK_DCOMBCMD和GLORG_DCOMBCMD（其命令详见文献3），并对参与解算的各天进行空间上的合并，其命令为GLOBK6GLOBK_PROJPRTGLOBK_PROJLOGGLOBK_PROJGDLGLOBK_DCOMBCMD；从生成的最终解中提取卫星轨道光压参数信息，用于时间上的合并，其命令为SH_RAD_STATORG；然后需要利用生成的单天解生成算例周的单天解列表文件，其命令为LS/DAILY/GLXGK1600GDL在SINEX目录下，编制控制命令文件GLOBK_WEEKCMD和GLORG_WEEKCMD，并完成时间上的合并，其命令为GLOBK6GLOBK1600PRTGLOBK1600LOGGLOBK1600GDLGLOBK_WEEKCMD从最终解里提取ERP的信息，生成ERP文件，其命令为GREP”IERS”GLOBK1600ORG|CUTC5SHF16007ERP利用生成的单周解生成SINEX文件，其命令为GLBTOSNX/HEAD_IGSSNXGLOBK1600GLXSHF16007SNX（HEAD_IGSSNX是SINEX文件的注释信息文件）；然后需要从最终解中提取出参与处理的测站点信息，并将ERP文件转换为GLOBK能够识别的格式，生成的测站和ERP文件将用来生成卫星星历时的先验信息文件，其命令依次为GREP”UNC”GLOBK1600ORG|CUTC5|SORTWEEKAPR，IGS_TO_PMUSHF16007ERPWEEKPMU；）在ORBIT目录下，编制GLOBK控制命令文件GLOBK_BACKCMD，并完成时间上的合并，其命令为GLOBK6GLOBK1600_ORBPRTGLOBK1600_ORBLOGGLOBK1600GDLGLOBK_BACKCMD；将最终解转换为G文件，其命令为GLBTOGGLOBK1600BAKPGGAGLOBKORBOTSWEEK1600，并根据SVS_EXCLUDEDAT移除所有G文件中的无效卫星信息；利用步骤生成的WEEKPUM文件运行ERPTAB模块，生成与算例周对应的表UTL和POLE，并利用GAMIT软件下的ARC模块和TTONGS模块将所有的G文件转化为SP3文件。第四章算例讨论利用李健教员编写提供的大地工具集软件中的IGS数据下载功能，我选择了全球均匀分布的20个测站，下载其七天的观测数据，其测站分布情况如图41，同时下载了广播星历文件和IGS事后精密星历文件，采用这些数据进行以下算例分析图41（五角标记为选择的IGS站）41单天分析本算例中，我们就248天的数据进行单天分析，首先，检查其精度，O文件中POSTFIT_NRMS017866E00，符合精度要求，然后利用生成的文件可以进行单天的轨道分析。运行TTONGS模块，用单天的T文件生成SP3文件，再运行ORBDIF模块，与当天的IGS精密星历比较，分析成果。表41单天定轨结果精度统计PRNTOTALDELTAXDELTAYDELTAZDRADIALDALONGDCROSS1000125000146000113000112000114000104000152200029500038000025500022800034900030700021430002710002710002770002650002600002660002894000144000137000133000161000153000128000151500022100027700021700015100020800021800023760002980003110002940002890002820002760003337000309000322000319000284000353000321000241800013500013200013100014000015000013500011790001640002130001290001360002050001330001461000012700016600009900010200008800010700017011000106000125000089000102000134000091000087120003230003590003500002490003420003600002581300028500032200025300027500032400025900026814000230000244000173000263000249000232000207150002710002640002550002940003060002740002301600024500027200026300019400024900025700022917000553000413000601000622000559000522000578180002130003210001470001100001960001320002841900044500037400041900052800043600042200047520000182000263000111000134000140000120000256210002250003190001470001680002620002230001832200018900026000015600012100017300016100022523000311000375000279000270000343000285000302240001320001050001570001270001190000900001722500022600022200027200017300021900028000016526000160000208000124000136000189000118000165270001730001970001540001650002060001520001532800030100036200031100020800031600029800029029000695000677000679000728000730000669000685300001310001580001180001130001020001320001543100033400027400035500036600038500030300030932000193000272000107000160000125000106000290MEAN000280000294000271000273000292000267000280从表41可看出，定轨精度基本可达CM级，要想提高精度，可通过增加测站，均匀分布，改变约束等条件来进行，该结果基本可靠。42周分析在GAMIT批处理的基础下，利用GLOBK软件，解算GPS周第1600周的卫星星历和ERP等参数。以IGS分析中心计算结果作为标准，检验解算结果的精度是否满足要求，将两者进行比较分析，并与IGS分析中心的解算结果进行了比较。一、卫星星历比较结果运行GAMIT的轨道比较模块ORBFIT，将依据GLOBK数据处理计算得到的结果分别与IGS的结果进行比较，得到其星历间的RMS。与IGS分析中心提供数据相比较其RMS的平均值为263MM，经分析此结果较为可靠。二、ERP比较结果对于地球定向参数（EOP），通过地球自转参数（ERP）来分析，分别对其POLE参数（在X、Y方向上）和LOD参数进行了类比分析，POLE参数，本算例的解算结果与IGS分析中心数据相比较，在X、Y方向上的STD分别为0044MAS和0038MAS；对LOD参数，本算例的计算结果与之相比较STD为0027MS，说明这个结果基本是可靠的。第五章结论分析本文通过对GAMIT和GLOBK的应用，实现解算了GPS周解（1600周），比较了一个单天轨道的结果，比较分析了一周的解算结果，与IGS数据进行比较，得出以下结论卫星星历解算中，本文计算结果与之相比RMS的平均值为263MM，经分析此结果较为可靠，要想提高精度，可能需要更好的参数先验信息和约束条件。ERP周