四数据处理及技术总结

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1、全球定位系统,Globle Positioning System 广州南方测绘仪器有限公司,GPS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，通过三个阶段的解算，最后求出基线向量的最终解-整数解（固定解）,本章主要内容,第1节 GPS基线解算的基本原理 第2节 GPS基线解算的分类 第3节 基线解算阶段的质量控制 第4节 影响GPS基线解算结果的因素及应对方法 第5节 GPS基线解算的过程 第6节 GPS基线向量网平差 第7节 GPS高程 第8节 技术总结,本章学习目标,GPS基线解算,第1节 GPS基线解算的基本原理,一、 观测值 基线解算一般采用

2、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面的形式：,其中：,dd() 为双差分算子（在测站i，j和卫星m，n间求差）；,dd(f)为频率f 的双差载波相位观测值；,vf为频率f的双差载波相位观测值的残差（改正数）；,dd(f)+vf= dd()+ dd(ion)+ dd(trop)+f Nfm,n, 为观测历元t时的站星距离；,ion 为电离层延迟； trop 为对流层延迟； f 为频率f的载波相位的波长；Nfm,n 为整周未知数。 若在某一历元中，对k颗卫星数进行了同步观测，则可以得到k-1个双差观测

3、值； 在进行基线解算时，ion和trop一般并不作为未知参数，而是通过某些方法将它们消除。因此，基线解算时一般只有两类参数，一类是测站的坐标参数，数量为3；另一类是整周未知数参数(m为同步观测的卫星数),数量为m-1 。,二、 基线解算（平差）,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，平差要分三个阶段进行， 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，解求出基线向量的最终解-整数解（固定

4、解）。,第2节 GPS基线解算的分类,一、 单基线解算 1.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m-1条独立基线如何选取，只要保证所选的m-1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。 2. 特点:单基线

5、解算的算法简单，但由于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。,二、 多基线解,1. 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。 2. 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。,第3节 基线解算阶段的质量控制,1. 质量控制指标 单位权方差因子:,定义:,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: 单位权方差因子又称为参考因子。,数据删除率 定义: 在基线解算时，如果观

6、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。,质量控制指标,RMS 定义: RMS即均方根误差（Root Mean Square），即：,质量控制指标,其中： V 为观测值的残差； n 为观测值的总数。 实质: RMS表明了观测值的质量，质量越好，RMS越小，反之，则RMS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%。,RATI

7、O,质量控制指标,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（ tr(Q)）的平方根，即: RDOP= （ tr(Q)）1/2 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，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。,质量控制指标,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

8、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。,质量控制指标,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，要确定出哪些基线向量的质量不合格，可以通过多个相邻的异步环或

9、重复基线来进行。,质量控制指标,重复基线较差 定义 :不同观测时段，对同一条基线的观测结果，就是所谓重复基线。这些观测结果之间的差异，就是重复基线较差。,质量控制指标,二、 应用,RATIO、RDOP和RMS 这几个质量指标只具有某种相对意义，它们数值的高低不能绝对的说明基线质量的高低。若RMS 偏大，则说明观测值质量较差，若RMS值较大，则说明观测条件较差。,第4节 影响GPS基线解算结果的几个 因素及其应对方法,一、 影响GPS基线解算结果的几个因素 基线解算时所设定的起点坐标不准确。 少数卫星的观测时间太短，导致这些卫星的整周未知数无法准确确定。 在整个观测时段里，有个别时间段里周跳太多

10、，致使周跳修复不完善。 在观测时段内，多路径效应比较严重，观测值的改正数普遍较大。 对流层或电离层折射影响过大。,二、 影响基线解算结果因素的判别及应对措施,1. 影响GPS基线解算结果因素的判别 对于影响GPS基线解算结果因素，有些是较容易判别的，如卫星观测时间太短、周跳太多、多路径效应严重、对流层或电离层折射影响过大等；但对于另外一些因素却不好判断了，如起点坐标不准确。,判别：对于由起点坐标不准确所对基线解算质量造成的影响，目前还没有较容易的方法来加以判别，因此，在实际工作中，只有尽量提高起点坐标的准确度，以避免这种情况的发生。 应对办法： 1.使用坐标准确度较高的点作为基线解算的起点;

11、2. 在进行整网的基线解算时，所有基线起点的坐标均由一个点坐标衍生而来，使得基线结果均具有某一系统偏差，再在GPS网平差处理时，引入系统参数的方法加以解决。,基线起点坐标不准确的判别与应对办法：,判别： 1.查看记录文件中每个卫星的观测数据的数量。 2.查看卫星的可见性图。 应对办法 若某颗卫星的观测时间太短，则可以删除该卫星的观测数据，不让它们参加基线解算，这样可以保证基线解算结果的质量。,卫星观测时间短的判别与应对办法：,go,图8 卫星的可见性图（示例）,周跳太多的判别与应对,判别： 从基线解算后所获得的观测值残差上来分析。当在某测站对某颗卫星的观测值中含有未修复的周跳时，与此相关的所有

12、双差观测值的残差都会出现显著的整数倍的增大。 应对： 1.若多颗卫星在相同的时间段内经常发生周跳时，则可采用删除周跳严重的时间段的方法，来尝试改善基线解算结果的质量； 2.若只是个别卫星经常发生周跳，则可采用删除经常发生周跳的卫星的观测值的方法，来尝试改善基线解算结果的质量。,多路径效应严重、对流层或电离层折射影响过大的判别与应对,判别: 对于多路径效应、对流层或电离层折射影响的判别，我们也是通过观测值残差来进行的。不过与整周跳变不同的是，当路径效应严重、对流层或电离层折射影响过大时，观测值残差不是象周跳未修复那样出现整数倍的增大，而只是出现非整数倍的增大，一般不超过1周，但却又明显地大于正常

13、观测值的残差。,1.多路径效应严重的应对方法 剔除残差较大的观测值或删除多路径效应严重的时间段或卫星的方法。 2.对流层或电离层折射影响过大的应对方法 提高截止高度角，剔除易受对流层或电离层影响的低高度角观测数据。 分别采用模型对对流层和电离层延迟进行改正。 如果观测值是双频观测值，则可以使用消除了电离层折射影响的观测值来进行基线解算。,应对:,提高基线精度的有力工具-残差图,在基线解算时经常要判断影响基线解算结果质量的因素，或需要确定哪颗卫星或哪段时间的观测值质量上有问题，残差图对于完成这些工作非常有用。所谓残差图就是根据观测值的残差绘制的一种图表。 下图是一种常见双差分观测值残差图的形式，

14、它的横轴表示观测时间，纵轴表示观测值的残差，右上角的“SV12-SV15”表示此残差是SV12号卫星与SV15号卫星的差分观测值的残差。正常的残差图一般为残差绕着零轴上下摆动，振幅一般不超过0.1周。,图9 残差图,下图表明SV12号卫星的观测值中含有周跳。,下图表明SV25在T1T2 时间段内受不名因素（可能是多路径效应、对流层折射、电离层折射或强电磁波干扰）影响严重。,第5节 GPS基线解算的过程,接收机都配备相应的数据处理软件，可自动进行GPS基线解算,解算过程是： 1.原始观测数据的读入( RINEX格式) 2.外业输入数据的检查与修改 3.设定基线解算的控制参数 4.基线解算 5.基

15、线质量的检验 (RATIO,RDOP,RMS,同步环闭和差、异步环闭和差和重复基线较差 ) 6.结束 .,第6节 GPS基线向量网平差,GPS基线解算就是利用GPS观测值，通过数据处理，得到测站的坐标或测站间的基线向量值。 根据平差所进行的坐标空间，可将GPS网平差分为三维平差和二维平差，根据平差时所采用的观测值和起算数据的数量和类型，可将平差分为无约束平差、约束平差和联合平差等。,一、 GPS网平差的分类,1、 三维平差和二维平差 三维平差 所谓三维平差是指平差在空间三维坐标系中进行，观测值为三维空间中的观测值，解算出的结果为点的三维空间坐标。GPS网的三维平差，一般在三维空间直角坐标系或三

16、维空间大地坐标系下进行。 二维平差 所谓二维平差是指平差在二维平面坐标系下进行，观测值为二维观测值，解算出的结果为点的二维平面坐标。,2、 无约束平差、约束平差和联合平差,无约束平差:在平差时不引入会造成GPS网产生由非观测量所引起的变形的外部起算数据,在平差时没有起算数据或没有多余的起算数据。 约束平差:指的是平差时所采用的观测值完全是GPS观测值（即GPS基线向量），在平差时引入了外部起算数据。 联合平差:指的是平差时所采用的观测值除了GPS观测值以外，还采用了地面常规观测值，边长、方向、角度等观测值等,二、 GPS网平差原理,1、 三维无约束平差 定义: 所谓GPS网的三维无约束平差是指平差在WGS-84三维空间直角坐标系下进行，平差时不引入使得GPS网产生由非观测量所引起的变形的外部约束条件。具体地说，就是在进行平差时，所采用的起算条件不超过三个。对于GPS网来说，在进行三维平差时，其必要的起算条件的数量为三个，这三个起算条件既可以是一个起算点的三维坐标向量，也可