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1、GPS基线解算和质量控制郭海洋X(中国石油天然气集团公司物探监理中心)K1RZ.GPSLe.Fo, 2001,36(6): 773j781本文介绍了GPS基线向量解算的基本原理、过程和质量控制点,重点分析了影响GPS基线解算结果的因素以及对这些因素的判别。通过对GPS基线解算的精化处理,能够获得高质量的定位点的坐标,并为GPS网平差提供符合要求的基线向量。1oM基线解算质量控制精化处理ABSTRACTGuo Haiyang.GPS base line calculation and its quality control.OGP,2001,36(6): 773781Thepaper intro
2、duced thebasicprincipal,processand quality-controlling point ofGPSbaselinevector calculation,focused theanalysisonfactorsthat haveinfluenceonresultsofGPS baselinecalculationandhowtoidentifythesefactors.Through refinedprocessing of GPS base line calculation, the coordinates of position points with hi
3、ghqualityhave beenobtainedand theyprovided the base linevector consistent with de-mandfor balancingofGPSnet.Key words:baselinecalculation,qualitycontrol,refinedprocessing引言全球定位系统(Global PositioningSystem)简称GPS,最初是由美国国防部作为军事系统发展起来的。该系统可以向全球用户提供连续、实时的三维导航定位,现在已在全球范围内的航空、矿产勘探、交通、通讯、导航和测绘等领域得到广泛应用,特别是使测
4、绘学科发生了巨大的变化,并导致该行业进行一场技术革命。由于GPS相对定位技术要求建立测量控制点(网),与常规方法相比,不要求各点之间互相通视,可以全天候测量,具有观测数据自动记录、观测时间短和测量精度高等许多优点,因此,GPS测量控制点(网)被广泛用于物探工程测量中。物探工程测量主要采用静态相对定位方法,布设基线或GPS网来加密控制点。所谓GPS2001年12月石油地球物理勘探第36卷第6期X Guo Haiyang,Inspection Center ofGeophysicalProspecting,CNPC,Zhuozhou City,HebeiProvince,072750,China本
5、文于2001年7月6日收到。网就是由独立基线构成的基线向量网。无论采用基线加密控制点,还是GPS网平差加密控制点,基线解算都是GPS数据处理中至关重要的一步。所以,本文重点介绍GPS基线向量的解算和质量控制。GPS基线解算的基本原理基线解一般采用差分观测值,GPS载波相位测量值可以在卫星间或接收机间求差,也可以在不同历元间求差。在卫星间求一次差、在接收机间求一次差以及在不同历元间求一次差是常见的三种求一次差的方法。对载波相位测量的一次差还可以继续求差,称为求二次差。常见的求二次差的方法也有三种,即在接收机和卫星间求二次差、在接收机和历元间求二次差以及在卫星和历元间求二次差。二次差还可以继续求差
6、,称为求三次差。求三次差的方法只有一种,即在接收机、卫星和历元间求三次差。考虑到GPS定位的误差源,实际上经常采用的求差法只有三种,即在接收机间求一次差、在接收机和卫星间求二次差以及在接收机、卫星和历元间求三次差(图1)。图1求一次差、二次差、三次差示意图较为常用的差分观测值为双差观测值,即由两个测站(接收机)的原始观测值分别在测站和卫星间求二次差后得到的观测值(图1)。双差观测值可以表示成下面的形式$Upqij = fc $Qpqij + lpqij - fc DQionpqij - fc DQtroppqij - N0pqij其中$Upqij = $Uqij - $Upij$Qpqij =
7、 $Qqij - $Qpijlpqij = lqij - lpijlqij = fc QaqjVTj - Qaqj$Sqj - QaqiVTi + Qaqi$Sqilpij = fc Qapj VTj - Qapj $Spj - Qapi VTi + Qapi $SpiDQion pqij = DQion qij - DQion pijDQtrop pqij = DQtrop qij - DQtrop pijN0 pqij = N0 qij - N0 pij式中:$Upqij为在接收机j和i至卫星q和p之间的二次差虚拟观测值;$Qpqij为在卫星q和p至774石油地球物理勘探2001年接收机j
8、和i之间的距离二次差; DQion pqij为在接收机j和i至卫星q和p之间的电离层延迟之二次差; DQtrop pqij为在接收机j和i至卫星q和p之间的对流层延迟之二次差; N0 pqij为在接收机j和i至卫星q和p之间的整周未知数之二次差;VTi、VTj分别为接收机i、j的钟差;$Spi、$Sqi分别为第p、q颗卫星信号传到接收机i所用的时间;$Spj、$Sqj分别为第p、q颗卫星信号传到接收机j所用的时间。若在某一历元中,对4颗卫星进行了同步观测,则每个历元在两个测站上共有8个载波相位观测值,可以组成4个一次差观测值和3个二次差观测值。在进行基线解算时,电离层延迟和对流层延迟一般并不作
9、为未知参数,而是通过模型改正或双频改正将它们消除。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(基线解算时将一个端点的坐标作为已知值固定);另一类是整周未知数,数量为n- 1(n为同步观测卫星总数)。GPS基线解算的分类采用静态相对定位方法进行控制点加密,实际上是用多台接收机进行同步观测,以便确定各点间的相对位置。所谓同步观测,是指在多个点上设置接收机,同时在相同时段内连续跟踪、观测相同的若干颗卫星。同步观测时间段简称时段。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形成一条基线向量(我们将这种两点间的相对位置量称为基线向量坐标,对应于两点间的长度称为
10、基线长度),所有同步观测的基线向量数为m(m- 1)/2(图2)。其中最多可以选出相互独立的同步观测基线数为m- 1条(图3)。图2同步观测测站个数与基线向量数的关系图3同步观测测站个数与相互独立的基线向量数的关系独立基线的选取有多种选择,关键是要保证所选的独立基线不能构成闭合环。凡是构成了闭合环的同步基线是函数相关的,同步观测获得的独立基线虽然不具有函数相关的特性,但它们是误差相关的。基线解算一般分为单基线解和多基线解。L所谓单基线解算,就是不顾及同步观测基线间的误差相关性,对每一条基线单独进行解算。由于其基线解算结果无法反映同步基线间误差的相关性,所以不利于GPS网平差处理。775第36卷
11、第6期郭海洋:GPS基线解算和质量控制L多基线解的解算是在顾及了同步观测基线间误差相关性的情况下,对同步观测的所有基线一并计算。由于多基线解在解算时考虑了同步观测基线间的误差相关性,所以在理论上是严密的,有利于GPS网平差计算。GPS基线解算的过程目前,我国使用的绝大部分软件是接收机厂家配备的处理软件,国内也于20世纪90年代初开发研制出GPS数据处理软件。上述软件的使用方法虽具有不同的特点,但GPS基线解算过程是基本相同的。4在GPS外业观测中,每天必须把原始观测数据输入到计算机中。在进行基线解算时,需首先读取这些GPS原始观测数据。接收机厂家配备的GPS数据处理软件,能读取本厂生产的GPS
12、接收机的原始观测数据,而不能直接读取其他厂家生产的GPS接收机的原始观测数据;如果要处理这些原始观测数据,首先需要进行格式转换。目前最常用的格式转换软件是RINEX格式。_在把原始观测数据输入到计算机中后,就需要对野外手工输入的原始观测数据进行检查,检查的内容有测站名、测站坐标、天线高(包括斜高以及天线高固定偏差)等,如有错误立刻进行修改。!L设置基线解算的参数是基线解算的一个重要环节。基线解算的参数包括单基线解与多基线解、卫星截止高度角、电离层与对流层改正模型、L1与L2频率选择、解算模糊度的基线长度、单位权中误差(RMS)、整周模糊度检验值(RATIO)、卫星选择、时段选择等。通过设定基线
13、解算的控制参数,用以确定基线处理方法和基线的精化处理。LGPS接收机采集的数据是接收机天线至卫星的距离和卫星星历等数据,而不是常规测量所测的地面点间的边长、角度和高差等。因此,接收机采集的GPS数据还需要通过一系列的处理,才能得到定位成果。GPS)GPS测量数据处理包括观测值的预处理、基线向量解算和GPS向量网与地面网的联合平差等步骤。GPS测量数据预处理前,需要先将接收机采集的数据通过传输、分流,解译成相应的数据文件。GPS测量数据预处理的目的,是对野外采集的卫星信号和数据进行编辑、加工与整理,分离出各种专用信息文件,为严密数据处理作准备。预处理工作包括:(1)数据检验。对观测数据进行平滑滤
14、波检验,剔除观测值中的粗差,删除无用观测值。(2)数据格式的标准化。将各类接收机的数据文件加工成彼此兼容的标准化文件。包括文件记录格式标准化、数据类型标准化、数据项目标准化、数据单位标准化和采样间隔密度标准化等。776石油地球物理勘探2001年(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,包括卫星轨道位置的地固坐标系坐标计算和分段轨道拟合的标准化。(4)诊断整周跳变点。发现并修复原始观测值周跳,使原始观测值复原。(5)星钟多项式标准化。卫星钟差多项式的拟合及标准化。(6)对观测值进行系统误差改正。如相对论改正和大气折射模型改正。预处理所采用的方法和模型的优劣,将直接
15、影响最终成果的质量,是提高GPS测量精度的重要环节。L预处理完成后就可进行基线解算,基线解算的过程实际上是一个平差的过程,平差所采用的观测值主要是双差观测值。基线解算时的平差分以下三个阶段进行:(1)初始平差。根据双差观测方程,组成误差方程和法方程后,求解待定的未知参数及其精度信息;通过初始平差,解算出整周未知数参数和基线向量的实数解或浮动解。(2)整周未知数的确定。根据初始平差结果,使用搜索法将整周未知数固定成整数。(3)确定基线向量的固定解。将确定了的整周未知数作为已知值,仅将待定点的坐标作为未知参数再次进行平差,解算出基线向量的整数解(即固定解),基线解算是自动完成的。对于GPS控制网来说,需要从所有基线中选取独立基线组成基线向量网,然后才能进行GPS网平差计算。GPS基线解算的质量监控基线解算完成后,必须对基线解算进行质量检查,检查的内容有:短基线(一般认为小于20km的基线)的模糊度是否解出、单位权中误差(RMS)、整周模糊度检验值(RATIO)、相对定位精度因子(RDOP)等。对于GPS网平差来说,还需要检查同步环闭合差、异步环闭合差和重复基线较差,合格的基线才可以使用,不合格的基线应对其结果进行残差分析,然后重新解算,重新解算仍不合格的基线需重新测量。有些厂家的GPS数据处理软件会把基线解的主要质量指标显示在屏幕
