基于GAMIT/GLOBK的GPS数据处理脚本工具

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  [摘 要]GAMIT/GLOBK软件是目前最优秀的GPS数据分析处理软件包之一,其中包含了大量GPS数据处理所需的实用工具。本文对GAMIT/GLOBK软件进行了简要介绍,并在此基础上,针对日常GPS数据处理的实际需要,详细给出基于GAMIT/GLOBK软件包的各类实用脚本工具及其使用方法。
  [关键词]GPS数据处理;GAMIT/GLOBK;全球定位系统;脚本工具
  中图分类号:T455 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2017)28-0292-02
  GPS数据处理是研究GPS定位/定轨技术的一项重要内容,不同的数据处理方法和软件对GPS数据处理结果影响很大。对于数十公里范围以下的GPS数据处理来说,采用接收机厂商提供的随机软件(如Trimble公司的TGO软件等)已经足够。但若涉及数百公里甚至数千公里范围的长距离精密定位,则随机软件无法满足需要。此时,包括卫星轨道的各种摄动计算、地壳固体潮/洋潮引起的测站位移、大气(包括电离层与对流层)延迟误差改正、接收机/卫星天线绝对相位改正等因素必须加以考虑。
  目前,国际上较知名的GPS高精度数据分析处理软件包括美国麻省理工学院(MIT)和SCRIPPS 海洋学研究所(SIO)开发的GAMIT/GLOBK软件、美国喷气动力实验室(JPL)开发的GIPSY软件、瑞士伯尔尼大学研制的Bernese软件、德国地学研究中心(GFZ)开发的EPOS软件等。其中,GAMIT/GLOBK软件在国内GPS数据处理领域应用较多。
  本文对GAMIT/GLOBK软件进行了简要介绍,并在此基础上,针对日常GPS数据处理的实际需要,详细给出基于GAMIT/GLOBK软件包的各类实用脚本工具及其使用方法,希望能为广大GPS数据处理人员提供一定有益的帮助。
  1.GAMIT/GLOBK简介
  GAMIT/GLOBK是由美国麻省理工学院(MIT)和Scripps海洋学研究所(SIO)所共同开发维护的高精度GPS数据分析处理软件包。GAMIT/GLOBK软件功能强大,可用于测站坐标及速度场估计、震后应变随机模型及函数模型重现、大气延迟估计、卫星定轨、以及地球自转参数的求定。其具有处理结果准确、运算速度快、版本更新周期短以及在精度许可范围内自动化处理程度高等特点。利用GAMIT/GLOBK可以确定地面站的三维坐标并对空中飞行物定轨、确定测站坐标的时间序列并检测坐标重复性、综合处理测站多期数据以获得测站速度,在利用精密星历和高精度起算点的情况下,基线解的相对精度能够达到10-9左右,解算短基线的精度能优于1毫米,是世界上最优秀的高精度GPS数据处理软件之一[1][2]。
  另外,由于GAMIT/GLOBK软件包采取了开放源代码的方式进行分发,使得它在国内GPS数据处理领域得到了广泛的应用,我国A、B级GPS网的基线解算是采用GAMIT软件进行的[3][4]。
  GAMIT/GLOBK软件基于Fortran77语言编写,具有良好的平台适应性,可在任一支持X窗口的UNIX操作系统中运行。到目前为止,包括Solaris、HP-UX、IBM/RISC、DEC、LINUX、以及Mac OS X在内的各大“UNIX-like”操作系统均提供了对它的支持[5]。
  该软件由许多功能不同的模块(Program)组成,这些模块由Fortran77语言编写,可以独立运行。各个模块具有一定的独立性,但它們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。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。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。
  此外,该软件还带有功能强大的脚本(SHELL)程序,这些脚本程序由C-SHELL语言编写。事实上,GAMIT/GLOBK软件包的各个模块是由多个脚本联系起来的。用户在使用GAMIT/GLOBK软件进行数据处理时,大部分步骤是由脚本程序在多个模块中交互完成的。GAMIT/GLOBK的脚本程序中,包含了大量GPS数据处理所需的实用工具,本文将对其中有代表性的部分脚本工具进行详细介绍,并对其使用方法进行演示。
  2.GPS数据处理使用工具
  2.1 UNIX/WINDOWS文件格式转换工具
  在UNIX操作系统(包括Linux系统)和Windows操作系统中,由于文本文件的行结束符不同,可能出现在UNIX系统中使用Windows系统格式的文本文件时出现错误的情况。在UNIX/Linux系统中,回车换行符为“\n”,而在Windows系统中为“\r\n”。为了避免这种错误,UNIX/Linux系统提供了两种文本格式相互转化的命令:dos2unix和unix2dos。其中,dos2unix把Windows格式的换行符转换为UNIX/Linux格式,unix2dos把Windows格式的换行符转换为UNIX/Linux格式。
  dos2unix和unix2dos可以按如下格式使用:
  dos2unix filename 和 unix2dos filename,其中filename为待转换文件名。
  上述命令虽然可以简便地解决问题,但dos2unix和unix2dos命令均不支持文件名通配符,即每次只能转换一个文件,在有大量文件需转换时会非常繁琐。为此,GAMIT/GLOBK提供了批量进行格式转换的脚本工具sh_dos2unix。为了保证跨平台的兼容性,sh_dos2unix并不调用系统自身的dos2unix命令。
  假设在当前目录下有若干RINEX格式的GPS观测值文件需转换,则sh_dos2unix可按如下格式使用:   sh_dos2unix *.??o
  其中*.??o为待转换的文件名,读者可以根据需要替换。
  2.2 RINEX格式文件压缩存储工具
  在利用GAMIT/GLOBK软件处理GPS观测数据时,需首先将观测值文件转换为RINEX格式。在接收机采样率较高(如1s采样率)或观测文件较多时,GPS数据处理人员可能需要将标准RINEX格式的观测值文件进行压缩存储以节省计算机硬盘存储空间。
  为此,GAMIT/GLOBK提供了批量压缩/解压缩RINEX格式观测文件的脚本工具sh_rnx2crx和sh_crx2rnx。其中,sh_rnx2crx可将标准RINEX格式的观测文件转换为Hatanaka格式并压缩,sh_crx2rnx可将压缩的Hatanaka格式观测文件解压缩为标准RINEX格式。
  Hatanaka格式是由日本国家地理院(GSI)的Yuki Hatanaka开发的一种可对标准RINEX格式进行压缩的格式,压缩率平均可达38%[6]。对应的压缩/解压缩程序分别为rnx2crx和crx2rnx,读者可到/home/user/gg/gamit/utils(假定GAMIT/GLOBK的安装目录为/home/user/gg)下找到源代码,或至网址http://sopac.ucsd.edu/dataArchive/hatanaka.html下载。GAMIT/GLOBK软件的sh_rnx2crx和sh_crx2rnx脚本工具分别调用了rnx2crx和crx2rnx。
  sh_rnx2crx的使用格式为:
  sh_rnx2crx –c -d -f
  其中,-c为是否对压缩前后的新旧文件同时进行压缩的控制选项,默认为y;-d为是否在生成Hatanaka格式压缩文件后将标准RINEX格式文件删除的控制选项,默认为y;-f为待压缩的文件名,支持文件名通配符。通常情况下,sh_rnx2crx可以简单使用为:
  sh_rnx2crx –f *.??o
  若待压缩的GPS观测值文件为wuhn1920.11o,经sh_rnx2crx压缩后,将在当前路径下生成新的压缩文件名为wuhn1920.11d.gz(或wuhn1920.11d.Z,视系统自带的文件压缩程序而定)。
  类似的,sh_crx2rnx可以简单使用为:
  sh_crx2rnx –f *.??d.gz
  完成后将在当前路径下生成标准RINEX格式的观测文件名为wuhn1920.11o。
  2.3 时间标示法工具
  时间标示法指的是表示时间的方法,在GPS数据处理中,需要用到不同的时间标示法。本文各种时间标示法所标示的时间均属于GPS时(GPST)。
  GAMIT/GLOBK软件提供的脚本工具doy,可在不同时间标示法之间转换。其常用的使用方法简单举例如下:
  1)doy 2012 04 07
  2012、04、07分别为格里高利历的年、月、日,输出结果为:
  Date 2012/04/07 0:00 hrs, DOY 98 JD 2456024.5000 MJD 56024.0000
  GPS Week 1682 Day of week 6, GPS Seconds 518400 Day of Week Sat
  Decimal Year 2012.265027
  2)doy 2012 98
  2012為年,98为年积日,输出结果为:
  Date 2012/04/07 0:00 hrs, DOY 98 JD 2456024.5000 MJD 56024.0000
  GPS Week 1682 Day of week 6, GPS Seconds 518400 Day of Week Sat
  Decimal Year 2012.265027
  3)doy 1682w 6
  1682为GPS周数,6为周内天数,输出结果为:
  Date 2012/04/07 0:00 hrs, DOY 98 JD 2456024.5000 MJD 56024.0000
  GPS Week 1682 Day of week 6, GPS Seconds 518400 Day of Week Sat
  Decimal Year 2012.265027
  2.4 GPS数据处理相关文件下载工具
  在GPS数据处理中,常常需要下载相关的精密星历文件、导航文件、气象信息文件、IGS全球连续运行跟踪站观测文件等,GAMIT/GLOBK软件提供对应的的脚本工具,分别为sh_get_orbits、sh_get_nav、sh_get_met、sh_get_rinex。
  脚本工具sh_get_orbits可自动下载SP3格式的IGS精密星历,其使用方法举例如下:
  sh_get_orbits -archive cddis -yr 2012 -doy 098 -ndays 7 pre f
  其中,-archive表示从哪个ftp服务器上下载精密星历文件,可选的包括sopac、cddis、mit、igscb,默认为cddis。-yr为格里高利历的年,应输入4位数字,如08、99这样的年份是错误的。-doy为年积日,应输入3位数字,如2、15这样的年积日是错误的。-ndays为从该年积日算起连续下载星历文件的天数,默认为1(天)。-pre表示星历类型,包括f(最终精密星历文件)、r(快速精密星历文件)和u(超快速精密星历),默认为f。   脚本工具sh_get_nav可自动下载包含了全部GPS卫星导航电文信息的广播星历文件(brdc广播星历文件),其使用方法举例如下:
  sh_get_nav -archive sopac -yr 2012 -doy 098 -ndays 7
  其中,-archive表示从哪个ftp服务器上下载广播星历文件,可选的包括sopac和cddis,默认为sopac。-yr为格里高利历的年,应输入4位数字,如08、99这样的年份是错误的。-doy为年积日,应输入3位数字,如2、15这样的年积日是错误的。-ndays为从该年积日算起连续下载星历文件的天数,默认为1(天)。
  脚本工具sh_get_met可自动下载安装了自动气象仪的IGS全球连续运行跟踪站的气象数据文件(m文件),其使用方法举例如下:
  sh_get_met -yr 2012 -doy 098 -sites bjfs wuhn shao
  其中,-yr為格里高利历的年,应输入4位数字,如08、99这样的年份是错误的。-doy为年积日,应输入3位数字,如2、15这样的年积日是错误的。-sites为待下载气象数据文件的侧站名,多个测站时以空格将各侧站名分隔开即可。
  脚本工具sh_get_rinex可自动下载IGS全球连续运行跟踪站的观测值文件,其使用方法举例如下:
  sh_get_rinex -yr 2012 -doy 098 -sites bjfs wuhn shao
  其中,-yr为格里高利历的年,应输入4位数字,如08、99这样的年份是错误的。-doy为年积日,应输入3位数字,如2、15这样的年积日是错误的。-sites为待下载气象数据文件的侧站名,多个测站时以空格将各侧站名分隔开即可。
  3.结束语
  GAMIT/GLOBK作为全球最优秀的高精度GPS数据处理软件之一,不仅可进行测站坐标及速度场估计、震后应变随机模型及函数模型重现、大气延迟估计、卫星定轨、以及地球自转参数的求定等,还包含了大量GPS数据处理所需的实用工具,本文针对日常GPS数据处理的实际需要,对其中有代表性的部分脚本工具进行了介绍,希望能为广大GPS数据处理人员提供一定有益的帮助。
  致谢
  感谢美国麻省理工学院(MIT)授权使用GAMIT/GLOBK软件。
  参考文献
  [1] Herring T A, King R W, McClusky S C. GAMIT Reference Manual [EB/OL].2009[2011-2-10].
  [2] 姜卫平,刘经南. GPS 形变监测网基线处理中系统误差的分析[J]. 武汉大学学报(信息科学版). 2001,26(3):196-199.
  [3] 葛茂荣. GPS卫星精密定轨理论及软件研究[D]. 武汉测绘科技大学,1995.
  [4] 李毓麟,刘经南,葛茂荣等. 中国国家A级GPS网的数据处理和精度评估[J].测绘学报. 1996,25(2):81-86.
  [5] 杨凯,姜卫平,邹璇. MAC OS X 系统下 GAMIT/GLOBK 软件的安装[J].地理空间信息. 2009,7(1):123-125.
  [6] Hatanaka, Y.A Compression Format and Tools for GNSS Observation Data[J].Bulletin of the Geographical Survey Institute. 2008,55.
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