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1、第九章GPS测量数据处理（1）,GPS接收机采集的是接收天线至卫星的距离和卫星星历等数据，而不是常规测量技术所测得的地面点的相对关系量（如边长、角度、高差等）。因而，要得到有实用意义的测量定位成果，需要通过一系列的处理。,GPS数据处理与常规测量数据处理相比具有以下显著特点： 1、数据量大。 若采样间隔为15s，则一台接收机连续观测1h将有240组观测值，每组观测值中有若干颗（4）卫星的伪距、载波相位观测值等，再加上星历数据、气象数据等，则几台接收机同步观测1h后将有上万甚至更多个数据。,2、处理过程复杂 从最原始的距离观测值出发，得到最终的测量定位成果，处理过程非常复杂。 常分为两个阶段：
2、基线向量解算、 GPS基线向量网与地面网各类数据的联合处理（网平差）,3、处理方法形式多 GPS定位技术是一项在发展中的技术，因而数据处理技术还在不断的发展和进步，同一问题可能解决方法很多。,4、自动化程度高 一些集成运行的GPS数据处理软件包，使用的方便性、可靠性大大提高了作业生产效益，也促进了GPS定位技术的普及应用。,9.1数据处理基础,一、基本步骤 GPS测量数据处理可分为观测值的粗加工、预处理、基线向量解算（相对定位处理）和GPS基线向量网与地面网数据的联合处理等基本步骤。,GPS数据处理基本流程,数据采集,粗加工,预处理,基线解算,GPS网与地面网 的联合处理， 高程问题的解决,数
3、据库管理系统,实时定位,数据库,二、粗加工,GPS接收机采集的数据多数记载在接收机内存模块上。 如Trimble 4000SST接收机的内存容量是1Mb，可以存储连续14h的观测数据。随着硬件市场的快速发展，接收机的内存容量也越来越大，128M、512M等的内存含量也较多。,粗加工的第一项工作是进行数据传输，即从观测数据载体将数据传输至计算机。 数据传输的同时进行数据分流，将各类数据归放入不同的文件。 数据传输和分流未作任何实质性的加工处理，只是存贮介质的变换。,1.数据的传输和分流 观测数据记录于接收机的内存模块，经数据传输后生成四个数据文件。 （1）观测值文件 这是容量最大的文件。内含观测
4、历元、C/A码伪距、载波相位、积分多普勒计数、信噪比等。,（2）星历参数文件。 包括所有被测卫星的轨道位置信息，据此可以计算出任一瞬间的卫星在轨位置。 （3）电离层参数和UTC参数文件。 电离层参数可用于改正观测值的电离层影响，UTC参数则用于将GPS时间修正成UTC时间。,（4）测站信息文件。 其中包含测站的基本信息和在本测站上的观测情况。如：测站名，测站号，测站的概略坐标，接收机号，天线号，天线高，观测的起止时间，记录的数据量，初步定位结果。,2. 数据解码 经数据分流后生成的四个文件中，除测站信息文件之外，其余均为二进制数据文件。为便于分析研究，更重要的是为数据文件标准化准备，必须将它们
5、解译成能直接识别的、精简的文件。,三、预处理,数据预处理的目的在于： 1、对数据进行平滑滤波检验，剔除粗差，删除无效无用的数据 2、统一数据文件格式，将各类接收机的数据文件加工成彼此兼容的标准化文件。 3、GPS卫星轨道方程的标准化，一般用一多项式拟合观测时段内的星历数据 4、诊断整周跳变，发现并恢复周跳，使观测值复原 5、对观测值进行各种模型改正，常见的是大气折射模型改正。,1. GPS卫星轨道方程的标准化 （1）轨道方程标准化的必要性 A 星历来源不同，其数据格式以及相应的计算位置和速度的公式也不同。 B 后续数据处理中要多次涉及卫星位置的计算。 C GPS广播星历每小时更新一次，即每小时
6、有一组独立的星历参数。 D 各种轨道方程表达式和卫星位置的计算过程都需要用不同的语句实现，这要占用较多的内存。,（2）多项式拟合GPS卫星轨道方程 通常采用时间为变元的多项式作为GPS卫星位置标准化表达式的最优选择，它基本上满足前面提出的各项要求。,2、时钟多项式的拟合和标准化 当星钟改正数来自广播星历时，若观测时段跨整点，则也会有两组或多组星钟改正数，这就要求我们提供整个观测时段内连续、唯一且充分平滑的时钟改正多项式。,对星钟进行时间改正有两个目的： 1、确定真正的信号发射时间以便计算该时刻的卫星轨道位置 2、将各站对卫星的时间基准统一起来以估算它们之间的相对钟差。 星钟多项式拟合,3、观测
7、值文件的标准化 不同接收机有不同的数据记录格式，在轨道方程标准化后，只要再对观测值文件标准化，就可同时输入主处理程序进行平差计算。,观测文件标准化应有以下内容： （1）记录格式标准化 （2）记录类型标准化 （3）记录项目标准化 （4）采样密度标准化 （5）数据单位标准化,7.2基线向量的解算,一、基线解算的内涵 定义：利用多个测站的GPS同步观测数据，获得这些测站之间坐标差的过程。 观测值： 主要观测值：载波相位观测值（原始观测值（非差观测值）或差分观测值（单差、双差或三差） 辅助观测值：伪距观测值，多普勒观测值,其它数据 测站信息（仪器类型，天线类型，天线高信息等） 星历（精密星历或广播星历
8、） 气象数据（温度，湿度，气压；或干温，湿温，气压；倾斜的对流层水汽含量） 结果 基线向量（X, Y, Z）/坐标（X, Y, Z） 参数的标准差、方差协方差阵、相关矩阵；观测值的中误差（均方根误差RMS）、,二、基线解算的基本原理 GPS基线向量表示了各测站间的一种位置关系，即测站与测站间的坐标增量。GPS基线向量与常规测量中的基线是有区别的，常规测量中的基线只有长度属性，而GPS基线向量则具有长度、水平方位和垂直方位等三项属性。,1、观测值,基线解算一般采用差分观测值，较为常用的差分观测值为双差观测值，即由两个测站的原始观测值分别在测站和卫星间求差后所得到的观测值。,双差观测值可以表示为下
9、面的形式：,其中： 为双差分算子（在测站i，j和卫星m，n间求差）； 为频率f的双差载波相位观测值； 为频率f的双差载波相位观测值的残差（改正数）； 为观测历元t时的站星距离； 为电离层延迟； 为对流层延迟； 为频率f的载波相位的波长； 为整周未知数。,2基线解算,基线解算的过程实际上主要是一个平差的过程，平差所采用的观测值主要是双差观测值。 在基线解算时，平差分三个阶段进行: 第一阶段进行初始平差，解算出整周未知数参数的和基线向量的实数解（浮动解）； 第二阶段，将整周未知数固定成整数； 第三阶段，将确定了的整周未知数作为已知值，仅将待定的测站坐标作为未知参数，再次进行平差解算，解求出基线向量
10、的最终解-整数解（固定解）。,（1）初始平差 待定参数： 待定参数的协因数阵： 单位权中误差：,通过初始平差，所解算出的整周未知数参数本应为整数，但由于观测值误差、随机模型和函数模型不完善等原因，使得其结果为实数，因此，此时与实数的整周未知数参数对应的基线解被称作基线向量的实数解或浮动解。 为了获得较好的基线解算结果，必须准确地确定出整周未知数的整数值。,（2）整周未知数的确定 确定整周未知数的整数值的方法有很多种，目前所采用的方法基本上是以下面将要介绍的搜索法为基础的。搜索法的具体步骤如下： 1、根据初始平差的结果 和 ，分别以 中的每一个整周未知数为中心，以与它们中误差的若干倍为搜索半径，
11、确定出每一个整周未知数的一组备选整数值。,2、从上面所确定出的每一个整周未知数的备选整数值中一次选取一个，组成整周未知数的备选组，并分别以它们作为已知值，代入原基线解算方程，确定出相应的基线解：,3、从所解算出的所有基线向量中选出产生单位权中误差最小那个基线向量结果，作为最终的解算结果，这就是所谓的基线向量整数解（或称固定解）。,不过当出现以下情况时，则认为整周未知数无法确定，而无法求出该基线向量的整数解。,是置信水平为,时的F分布的接受域，其自由度为f和f。,称为RATIO值；,也被称为RMS,称为RDOP值。,（3）确定基线向量的固定解 当确定了整周未知数的整数值后，与之相对应的基线向量就
12、是基线向量的整数解。,三、基线解算的分类,1、单基线解 定义：当有m台GPS接收机进行了一个时段的同步观测后，每两台接收机之间就可以形成一条基线向量，共有m（m-1）/2条同步观测基线，其中最多可以选出相互独立的（m-1）条同步观测基线，至于这条独立基线如何选取，只要保证所选的条独立基线不构成闭和环就可以了。这也是说，凡是构成了闭和环的同步基线是函数相关的，同步观测所获得的独立基线虽然不具有函数相关的特性，但它们却是误差相关的，实际上所有的同步观测基线间都是误差相关的。所谓单基线解算，就是在基线解算时不顾及同步观测基线间的误差相关性，对每条基线单独进行解算。,特点：单基线解算的算法简单，但由于
13、其解算结果无法反映同步基线间的误差相关的特性，不利于后面的网平差处理，一般只用在普通等级GPS网的测设中。,单基线解： 1）基线向量估值 2）基线向量估值的验后方差-协方差阵,2、多基线解 定义：与单基线解算不同的是，多基线解算顾及了同步观测基线间的误差相关性，在基线解算时对所有同步观测的独立基线一并解算。 特点：多基线解由于在基线解算时顾及了同步观测基线间的误差相关特性，因此，在理论上是严密的。,多基线解： 1）基线向量估值：,2）基线向量估值的验后方差-协方差阵,3、整体解模式 定义： 一次性解算出所有参与构网的函数独立基线。 特点： 避免了同一基线的不同时段解不一致； 避免了异步环闭合差
14、不为零的问题。 缺点： 计算复杂，对计算机要求较高。,四、基线解算阶段的质量控制,1、质量控制指标及其应用 （1）质量控制指标,单位权方差因子,定义,其中：,为观测值的残差；,为观测值的权；,为自由度，即多余观测数。,数据删除率 定义 在基线解算时，如果观测值的改正数大于某一个阈值时，则认为该观测值含有粗差，则需要将其删除。被删除观测值的数量与观测值的总数的比值，就是所谓的数据删除率。 实质 数据删除率从某一方面反映出了GPS原始观测值的质量。数据删除率越高，说明观测值的质量越差。,RATIO 定义,显然，,实质,反映了所确定出的整周未知数参数的可靠性， 这一指标取决于多种因素，既与观测值的质
15、量有关， 也与观测条件的好坏有关。,RDOP 定义 所谓RDOP值指的是在基线解算时待定参数的协因数阵的迹（,）的平方根，即,RDOP值的大小与基线位置和卫星在空间中的几何分布及运行轨迹（即观测条件）有关，当基线位置确定后，RDOP值就只与观测条件有关了，而观测条件又是时间的函数，因此，实际上对与某条基线向量来讲， 其RDOP值的大小与观测时间段有关。 实质,表明了GPS卫星的状态对相对定位的影响， 即取决于观测条件的好坏，它不受观测值质量好坏的影响。,RMS 定义 即均方根误差（Root Mean Square），即： 其中： V为观测值的残差； P为观测值的权； n为观测值的总数。 实质:
16、 表明了观测值的质量，观测值质量越好，越小，反之，观测值质量越差，则越大，它不受观测条件（观测期间卫星分布图形）的好坏的影响。 依照数理统计的理论观测值误差落在1.96倍RMS的范围内的概率是95%。,同步环闭合差 定义 同步环闭合差是由同步观测基线所组成的闭合环的闭合差。 特点及作用 由于同步观测基线间具有一定的内在联系，从而使得同步环闭合差在理论上应总是为0的，如果同步环闭合差超限，则说明组成同步环的基线中至少存在一条基线向量是错误的，但反过来，如果同步环闭合差没有超限，还不能说明组成同步环的所有基线在质量上均合格。,异步环闭合差 定义 不是完全由同步观测基线所组成的闭合环称为异步环，异步环的闭合差称为异步环闭合差。 特点及作用 当异步环闭合差满足限差要求时，则表明组成异步环的基线向量的质量是合格的；当异步环闭合差不满足限差要求时，则表明组成异步环的基线向量中至少有一条基线向量的质量不合格，要确定出哪些
