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1、 G P S 定位原理与应用 教案 第九章 GPS 测量的数据处理 第九章 GPS 测量的数据处理 一教学目的与要求： 介绍 GPS 测量数据处理的流程，具体介绍各步骤的原理、目的、过程。 结合实例掌握 TGO 软件的操作 二教学重难点： 数据处理的系统过程； 每一步过程的作用、意义、质量控制； 实际软件操作的能力。 三教学内容： 引言： 第一节 概述 一、 数据处理的任务 数据处理的任务 1、数据处理的任务： 由 GPS 接收机采集的观测值，通过数据处理，获得 GPS 网中各点的坐标 2、本章的研究对象： GPS 控制网，静态观测 3、数据处理的理论基础 相对定位的原理和数学模型 测量平差的
2、理论（间接平差） 坐标系统，高程系统 4、本章的目标 GPS 数据处理的流程 各步骤的基本原理、目的、过程 软件的操作以 TGO 为例 5、软件介绍 精密后处理软件 GAMIT、GIPSY、BERNES 商用软件 Trimble： TGO Ashtech： Solution Javad : PCCDU 其它 国内 GPS 有关高校、公司自行开发 二、 数据处理的基本流程 数据处理的基本流程 数据采集数据采集 数据传输数据传输预处理预处理基线解算基线解算 实时定位实时定位 GPS网平差网平差 三、 数据准备 数据准备 （1）主要任务将采集的数据传输到计算机中 （2）工具数据处理软件中的数据传输模
3、块、数据线（电缆） （3）文件格式： 本机格式：二进制文件 RINEX 格式：ASCII 文件，通用格式 （1）观测值文件：原始测距观测值（伪距、载波相位） （2）星历文件：卫星轨道信息 （3）电离层参数和 UTC 参数文件：电离层改正参数和时间转换参数 （4）测站信息文件：测站名称、观测时间、天线高等预处理的主要目的是净化观测值，提高观 测值的“精度”。 （1） 对数据进行平滑滤波，剔除粗差，删除无效无用数据； （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； *GPS 卫星轨道方程的标准化 目的：简便计算，节省内存 解决因时段、来源不同而产生的差异 得到某一时间段
4、内平滑的轨道数据 方法：用一多项式拟合观测时段内的星历数据 ),(.)(2 210 zyxitatataatPn iniiii =+=*卫星钟差的标准化 目的：解决因时段、来源不同而产生的差异 得到某一时间段内平滑的钟差数据 方法：一般用一多项式拟合 2 02010)()(ttattaats+= *观测文件的标准化 记录格式的统一 记录项目的统一 采样密度的统一 （3）诊断整周跳变点，发现并恢复整周跳变，使观测值复原； （4）对观测值进行各种模型改正，最常见的是大气折射模型改正。 第二节 GPS 基线向量的解算 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
5、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的和基线向量的实 数解（浮动解） ；在第二阶段，将整周未知数固定成整数；在第三阶段，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 （固定解） 。 一、原理 一、原理 1、概述 （1）观测值：载波相位观测值、伪距观测值 （2）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） （3）结果 基线向量（DX, DY, D Z） 精度评定 （一般的数据处理软件都采用站星双差观测值）)()()()()(1212121212kk
6、jj ik ik ij ij ikjNNNNttttt+=的几何距离、对卫星、：测站、kjttttik ik ij ij21)()()()(2121)()()()()(1212121212kkjj ik ik ij ij ikjNNNNttttt+=bjj jj vvvv+=)(2/(sec2/10 20 12 121 11 1 11 1 110 11)()()()()(dZtZzdYtYyXdtXxttiksiksiks ik ik= bkk kkvv+=)(2/(sec2/10 20 12 12x122 22 2 22 2 220 22)()()()()(dZtZzdYtYyXdtXxtt
7、iksiksiks ik ik=kjjkjkjkik ij ik ij ikjNdZnndYmmdXllttttt122222222220 20 21112 )()()()()()()()(+=+ijijijkjkjijlNzycbav12121212 12121212) 1(=线性化： x12若直接解算基线向量： = lNzcbav13 1212121213 1213 1213 12121212 13 1212 010001 LL mmmmcbav1 121 121 121 1200MMMMMM mmllNNycbav1 12121 1213 121212121212121MMLMO)()(
8、)()()()()()()()()(12121221222122121121112112nnnntLtXtAtVtLtXtAtVtLtXtA=)()()()(1121112112tLtXtAtV=)(tV=一个历元：对于两个测站、m 颗卫星，LPlBPBxBxvTT1)(=L对于两个测站、m 颗卫星：基线向量函数的标准差： 12 00 12 12 00 12 12 00 12 02 120 122 120 122 120 12)()()(zbzybyxbxbbyyyyxxb+=+=)(0121212QmmfQfQzyxfbbbbXXT bbT=+=BNAXYXXQCN()(1 = NXQNXN
9、XNNN)(NXN NNCN1 XXCCCQQXNXX=()(106ppmmfb=bb为整数：整周模糊度未知数，NX3、考虑整周模糊度 121212LXAV=：基线向量未知数，为由两类未知数组成CXX:实数RATIO=采用最小二乘法不能直接解算出模糊度的整数结果 4、基线解算的过程 （1） 第一步是获得实数解（浮点解 ） ， NNX)min=（2） 第二步是通过搜索找到满足下列关系的模糊度参数的整数值 P n（3） 第三步获得位置向量的整数解（固定解） 定义： 最小次最小PVVPVVTT/反映了所确定的整周模糊度的可靠性，该值总大于 1，越大越可靠 二、质量控制 二、质量控制 1、质量控制的目
10、：为后续的数据处理分析提供合格的基线向量结果 2、质量控制的内容 （1）质量评定通过一系列的指标，对基线向量结果的质量进行评估，发现不合格的基线。 （2）质量改善通过数据处理的手段，提高基线向量的质量。单位权方差因子（单位权方差 因子又称为参考因子。 ） fPVVT =0V为观测值的残差； 为观测值的权； 为观测值的总数。 (2) 观测值的 RMS：均方根误差（Root Mean Square） 1=nVVT RMSRMS表明了观测值的质量，观测值质量越好，RMS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。 RMS依照数理统计的理论观测值误差落在 1
11、.96 倍 RMS 的范围内的概率是 95%。 (3) RATIO RATIORMSRMS=次最小最小RATIORATIORMSRMSRDOP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。 (4)同步环闭合差：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 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。(5)异步环闭合差：不是
12、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。 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重复基线来进行。 (6)重复基线较差：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。 4、说明 、RDOP和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。若偏大，则说明观测值质量较差，若值较大，则说明观测条件
13、较差。 三、影响因素 三、影响因素 1、影响因素 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模糊度无法准确确定 在整个观测时段里，有个别时间段里周跳太多。导致周跳修复不完善。 在观测时段里，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。 2 、改善质量的方法 删卫星； 截时段； 改变截止高度角； 改变其他控制参数； 数据删除的标准：编辑因子 RATIO 的阈值 大气折射延迟改正方法或模型 四、 坐标转换问题 坐标转换问题 TiiiiXYZ= byxb=HLBZYX,yxHLB,二维基线向量二维基线向量 三维基线向三维基线向量量P13
14、4第三节 GPS 定位数据处理的网平差 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。 我们在采用 GPS 观测完整个 GPS 网后，经过基线解算可以获得具有同步观测数据的测站间的基 线向量，为了确定 GPS 网中各个点在某一坐标系统下的绝对坐标，需要提供位置基准、方位基准和 尺度基准，而 GPS 基线向量只含有在 WGS-84 下的方位基准和尺度基准，而我们布设 GPS 网的主要 目的是确定网中各个点在某一特定局部坐标系下的坐标， 这就需要通过在平差时引入该坐标系下的起 算数据来实现。当然，GPS 基线向量网的平差，还可以消除 GPS 基线向量观
15、测值和地面观测中由于 各种类型的误差而引起的矛盾。 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、网平差概述 一、网平差概述 网平差需要解决的问题： （1）消除 GPS 网几何上的不一致性 闭合条件 重复条件 附合条件 （2）评定 GPS 网的内符合精度 （3）确定点在指定参照系下的坐标 二、网平差的分类 二、网平差的分类 1、根据平差的维数 （1）三维平差：在三维空间中进行（2）二维平差：在二维平面上进行 2、根据参与平差的观测值和 约束条件 （1）自由网平差:观测值全为 GPS 观测值，已知条件不使网产生由非
