第七章 GPS测量数据处理

1、第七章第七章 GPS测量数据处理测量数据处理Data ProcessSlide 2Outline概述概述 数据处理的流程数据处理的流程数据准备数据准备 数据传输与预处理数据传输与预处理基线解算基线解算网平差网平差Slide 3一、概述数据处理的数据处理的任务任务数据处理的数据处理的理论基础理论基础数据处理的数据处理的流程流程本章的本章的学习目标学习目标软件软件介绍介绍Slide 41、数据处理的任务数据处理的任务： 由GPS接收机采集的观测值，通过数据处理，获得GPS网中各点的坐标本章的研究对象： GPS控制网，静态观测Slide 5观测值点位Time (0)Time (i)Slide 62、

2、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理论（间接平差）坐标系统，高程系统Slide 7 GPS观测数据的分流和处理：3、数据处理的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数据库管理系统数据库管理系统GPS网平差网平差Slide 8数据处理的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GPS网平差网平差GPS网平差网平差：由基线向量和起始条件计算网中每个点的坐标：由基线向量和起始条件计算网中每个点的坐标 （计算机处理+人工干预，利用数据处理软件）数据采集数据采集：接收机接收：接收机接收GPSGPS信号并记录信号并记录GPS

3、GPS观测值观测值 （人工，通过GPS网的施测实现）数据传输数据传输：将接收机记录的数据传输到计算机上：将接收机记录的数据传输到计算机上 （人工，通过数据处理软件提供的工具实现）预处理预处理：各类文件、格式的转换，为数据处理做准：各类文件、格式的转换，为数据处理做准 （计算机，利用数据处理软件实现）基线解算基线解算：由观测值及所有信息解算各条基线向量：由观测值及所有信息解算各条基线向量 （计算机处理+人工干预，利用数据处理软件）Slide 94、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TGOTGO为例Slide 105、软件介绍精密后处理软件 GAMIT、GIPS

4、Y、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Slide 11TGOTrimble Geomatics Office软 件 流 程建立项目数据导入基线解算质量控制网平差Slide 12二、数据准备二、数据准备数据传输数据传输数据的预处理数据的预处理Slide 131 1、数据传输、数据传输(9.1.1)(9.1.1)主要任务 将采集的数据传输到计算机中工具 数据处理软件中的数据传输模块、数据线（电缆）Slide 14数据传输工具数据传输工具Slide 15文件的类型和格式文件的类型和格式文

5、件内容观测值文件：原始测距观测值（伪距、载波相位）星历文件：卫星轨道信息电离层参数和UTC参数文件：电离层改正参数和时间转换参数测站信息文件：测站名称、观测时间、天线高等文件格式本机格式：二进制文件RINEX格式：ASCII文件，通用格式Slide 16观测数据观测数据Slide 17数据格式转换的工具数据格式转换的工具Slide 182 2、预处理、预处理(9.1.2)(9.1.2)预处理的主要任务：预处理的主要任务： 对数据进行平滑滤波，剔除粗差，删除无效无用数据； 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； 诊断整周跳变点，发现并恢复整周跳变，使观测值复原；对观

6、测值进行各种模型改正，最常见的是大气折射模型改正。预处理的主要目的是净化观测值，提高观测值的“精度”。Slide 19* *数据文件格式的统一数据文件格式的统一GPSGPS卫星轨道方程的标准化卫星轨道方程的标准化v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 得到某一时间段内平滑的轨道数据v方法：一般用一多项式拟合观测时段内的星历 数据（广播星历或精密星历）；Slide 20* *数据文件格式的统一数据文件格式的统一卫星钟差的标准化卫星钟差的标准化v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Slide 21* *数据文件格式的统一数据文件格式的统一观测

7、文件的标准化观测文件的标准化v记录格式的统一v记录项目的统一v采样密度的统一v观测值数据单位的统一Slide 22三、基线解算三、基线解算(9.2)(9.2)基线解算的原理基线解算的分类基线解算的质量控制基线解算的影响因素分析过程总结及软件处理Slide 231 1、基线解算的原理、基线解算的原理观测值载波相位观测值、伪距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）气象数据结果基线向量（X, Y, Z）精度评定Slide 24(1)(1)基线解算原理：相对定位基线解算原理：相对定位一般的数据处理软件都采用站星双差观测值一般的数据处理软件都采用站星双差观测

8、值)()()()()(1212121212kkjjikikijijikjNNNNttttt222222222022)()()()()(dZtZzdYtYyXdtXxttiksiksiksikik111111111011)()()()()(dZtZzdYtYyXdtXxttiksiksiksikik的几何距离、对卫星、：测站、kjttttikikijij21)()()()(2121 R1 R223 Sj Sk 图2.3.18 站星双差Slide 25直接解算基线向量直接解算基线向量)()()()()(1212121212kkjjikikijijikjNNNNtttttbbkkkkjjjj)(2/

9、(sec2/1)(2/(sec2/102012120201212bijijijkjkjijlNzyxcbav121212121212121212) 1(bkb1k1k2k12k( (对于两个测站、两颗卫星对于两个测站、两颗卫星) )p128Slide 26最小二乘法解算最小二乘法解算mmmmmmlllNNNzyxcbacbacbavvv112131212121121312121212121211211211213121312131212121212121211213121212100010001一个历元：对于两个测站、一个历元：对于两个测站、m m颗卫星，颗卫星，)()()()(1121112

10、112tLtXtAtVSlide 27最小二乘法解算最小二乘法解算对于两个测站、对于两个测站、n n颗卫星：颗卫星：)()()()()()()()()()()()(12121221222122121121112112nnnntLtXtAtVtLtXtAtVtLtXtAtV如果跟踪卫星发生变化，各测站的未知数将发生变化如果跟踪卫星发生变化，各测站的未知数将发生变化Slide 28最小二乘解算及精度评定最小二乘解算及精度评定PlBPBxBxvTT1)(LfmpvvT0验后单位权中误差：验后单位权中误差：bbbXXTbbTQmmfQfQzyxfbyyyyxxb01212122120122120122

11、12012)()()()(基线向量函数的标准差：基线向量函数的标准差：Slide 29(2)(2)考虑整周模糊度？考虑整周模糊度？121212LXAV为整数：整周模糊度未知数，实数：基线向量未知数，为由两类未知数组成NCXXX:采用最小二乘法不能直接解算出模糊度的整数结果采用最小二乘法不能直接解算出模糊度的整数结果Slide 30模糊度解算的意义模糊度解算的意义影响最终基线解算的精度影响最终基线解算的精度100 次试验2.2 km 基线双频相位数据7 颗卫星浮点解/整数解固定解/实数解Slide 31第一步是获得实数解（浮点解 ）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 第三步获得

12、位置向量的整数解（固定解）(3)(3)基线解算基线解算NCBXAXYNNXQNXCXmin1 NXQNXNXNNN)(1NXXCCCXNQQXNXXNNCN（RATIO）Slide 32RATIORATIO最小次最小RMSRMSRATIO/定义定义v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v该值取决于多种因素，即与观测质量有关，也与观测条件有关，如卫星几何分布，观测时间等等。Slide 33单基线解算的步骤单基线解算的步骤数据导入（观测值、星历、气象元素、测站信息等）数据预处理（周跳探测与修复、形成差分观测值）组成观测方程（待定参数包括基线向量、整周模糊度等）平差解算（待定参

13、数包括基线向量、整周模糊度等）是否存在劣值观测值或小周跳剔除或修复是否能否确定整周模糊度参数否是确定基线向量的固定解确定基线向量的浮动解Slide 34软件操作软件操作新建项目新建项目Slide 35软件操作软件操作基线解算设置基线解算设置Slide 36质量控制质量控制Slide 373 3、基线解算阶段的质量控制、基线解算阶段的质量控制质量控制的目的为后续的数据处理分析提供合格的基线向量结果质量控制的内容质量评定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。质量改善质量改善通过数据处理的手段，提高基线向量的质量。Slide 38质量控制的指标质量控制的指标(1)

14、单位权方差因子(2)观测值的RMS(3) RATIO(4)同步环闭合差(5)异步环闭合差(6)重复基线较差相对指标相对指标半相对，半相对，半绝对指标半绝对指标绝对指标绝对指标Slide 39（1 1）单位权方差因子）单位权方差因子fPVVT0定义定义又称为参考因子一定程度的反映了观测值质量的好坏观测值的权观测值的残差自由度Slide 40（2 2）观测值的）观测值的RMSRMS1nVVRMST定义定义一般认为，RMS越小越好一定程度的反映了观测值质量的好坏观测值的残差观测值数目Root Mean SquareSlide 41（3 3）RATIORATIO最小次最小RMSRMSRATIO/定义定

15、义反映了所确定的整周模糊度的可靠性，该值总大于1，越大越可靠该值取决于多种因素，即与观测质量有关，也与观测条件有关，如卫星几何分布，观测时间等等。Slide 42（4 4）同步环闭合差同步环闭合差v定义由同步基线所组成的闭合环的闭合差v特点-理论上，由于同步观测基线具有内在的联系，该值应总为0；-实践上，只要模型正确，数据处理无误，即使观测质量很差，也很小；-若超限，说明基线中至少一条错误-若合格，不能说明基线质量都合格ZYXZYX,限差规定限差规定p122Slide 43（5 5）异步环闭合差）异步环闭合差v定义由非同步（独立）的基线所组成的闭合环的闭合差v特点-满足限差要求时，说明组成异步

16、环的基线的质量都合格-不满足限差要求时，说明至少一条基线向量的质量不合格-要确定那些基线质量不合格，可以通过多个相邻的异步环或重复基线判断ZYXZYX,Slide 44（6 6）重复基线互差）重复基线互差v定义不同观测时段，对同一条观测基线的结果，即重复基线，这些结果之间的差异即重复基线互差v特点-满足限差要求时，说明组成基线的质量合格-不满足限差要求时，说明至少一条基线向量的质量不合格-要确定那些基线质量不合格，可以通过条重复基线判断Slide 45软件操作软件操作基线解算基线解算Slide 46影响基线解算结果的因素影响基线解算结果的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

17、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。Slide 47影响因素的判别影响因素的判别起点坐标不准确 ？观测时间太短 卫星可见视图周跳太多多路径效应严重对流层或电离层折射影响过大残差图残差图Slide 48卫星可见视图卫星可见视图Slide 49残差图反映的基线解算质量残差图反映的基线解算质量残差图就是根据观测值的残差绘制的一种图表。残差（周）时间0.000.100.10SV12-SV15残差（周）时间0.00100.002-100.00SV12-S

18、V15残差（周）时间0.001.001.00SV12-SV25T1（周）T2（周）Slide 50改善质量的方法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Slide 51软件操作软件操作质量控制质量控制Slide 52软件操作软件操作质量控制质量控制Slide 53软件操作软件操作质量控制质量控制Slide 544 4、基线解算的软件处理、基线解算的软件处理原始数据的读入外业输入数据的检查与修改设置基线解算的控制参数基线解算基线质量的检验结束Slide 55四、四、GPSGPS定位成果的坐标转换定位成果的坐标转

19、换P132TiiiiXYZ bTiiiiBLH bTiiiiNEU b坐标系统的区别坐标系统的区别基准的区别基准的区别Slide 56转换的区别转换的区别坐标系变换坐标系变换基准转换基准转换Slide 57基准的转换基准的转换空间直角坐标系大地坐标系平面直角坐标系空间直角坐标系大地坐标系平面直角坐标系基准一基准一基准二基准二Slide 58基准的转换基准的转换BAXBAXBAXXXTYYTZZT1,BABABABAAABXXYmYZZSSmSSSA B其中，分别为 , 两个坐标系下的单位长度321123()()()100()0cossin0sincoscos0sin()010sin0cosco

20、ssin0()sincos0001BABZYXABAXxxxxYYYYYZZZZZXXYYZZ RRRRRR其中，Slide 59七参数模型七参数模型(1) ()()()(1) ( )BXABYZYXABZAXAYAZAXTXYTm RRRYZTZTXTm RYTZSlide 60参数的计算参数的计算(1) ()()()(1) ( )BXABYZYXABZAXAYAZAXTXYTm RRRYZTZTXTm RYTZSlide 61问题问题Slide 62三维问题转化为二维问题三维问题转化为二维问题TiiiiXYZ byxbHLBZYX,yxHLB,二维基线向量二维基线向量三维基线向量三维基线向

21、量Slide 63投影时使用的椭球投影时使用的椭球WGS 84WGS 84椭球参数椭球参数克氏椭球参数克氏椭球参数地方独立椭球地方独立椭球P18Slide 64软件操作软件操作坐标系统的建立坐标系统的建立Slide 65五、五、GPSGPS定位数据处理的网平差定位数据处理的网平差概述GPS网平差的分类无约束平差约束平差联合平差GPS网平差的处理过程Slide 661 1、概述、概述数据处理基线解算网平差ZYX,ZYX,原始观测值网平差需要解决的问题：网平差需要解决的问题：消除消除GPS网几何上的不一致性网几何上的不一致性闭合条件闭合条件重复条件重复条件符合条件符合条件评定评定GPS网的内符合精

22、度网的内符合精度确定点在指定参照系下的坐标确定点在指定参照系下的坐标引入位置基准引入位置基准引入其它的起算条件引入其它的起算条件Slide 67单基线向量精度信息整网的基线网平差的观测值网平差的观测值),(iiiiZYXBiiiiiiiiiiiiiiiiiiiZZYZXZZYYYXYZXYXXXBDniBBBBDDDD00000000000021nBBBB21Slide 68网平差的误差方程网平差的误差方程ijijijijijijZZZYYYXXX观测方程误差方程000000100010001100010001jiijjiijjiijZYXZYXZYXZZZYYYXXXddddddvvvjjj

23、iiiijijijSlide 692 2、网平差的分类、网平差的分类根据平差的维数三维平差二维平差根据参与平差的观测值和约束条件自由网平差约束平差联合平差Slide 70二维平差和三维平差二维平差和三维平差根据平差的维数三维平差：在三维空间中进行在三维空间中进行二维平差：在二维平面上进行在二维平面上进行Slide 71自由网平差、约束平差、联合平差自由网平差、约束平差、联合平差自由网平差（无约束平差）：观测值全为观测值全为GPS观测值，观测值，已知条件不使网产生由非观测量所引其的变形已知条件不使网产生由非观测量所引其的变形约束平差：观测值全为观测值全为GPS观测值；观测值；已知条件使网产生由非

24、观测量所引其的变形已知条件使网产生由非观测量所引其的变形联合平差：观测观测值除了观测观测值除了GPS观测值已外，还包括其它常规几何观测值观测值已外，还包括其它常规几何观测值Slide 72GPS中的网平差过程中的网平差过程三维自由网平差三维自由网平差二维约束二维约束平差平差基线解算基线解算坐标结果坐标结果检测网自身的精度检测网自身的精度实现坐标转换实现坐标转换Slide 73具体流程具体流程Slide 743 3、三维无约束平差、三维无约束平差定义 平差在平差在WGS-84三维空间直角坐标系下进行，平差时不引三维空间直角坐标系下进行，平差时不引入使得入使得GPS网产生由非观测量所引起的变形的外

25、部约束条件网产生由非观测量所引起的变形的外部约束条件作用 评定评定GPS网的网的内部符合精度内部符合精度，发现和剔除，发现和剔除GPS观测值中可观测值中可能存在的粗差能存在的粗差 得到得到GPS网中各个点在网中各个点在WGS-84系下经过了平差处理的系下经过了平差处理的三三维空间直角坐标维空间直角坐标 为将来可能进行的高程拟合，提供经过了平差处理后的为将来可能进行的高程拟合，提供经过了平差处理后的大地高数据大地高数据Slide 75三维无约束平差的原理三维无约束平差的原理观测值未知数QZYXijijij),(iiiZYX,000000111111jiijjiijjiijZYXZYXZYXZZZ

26、YYYXXXddddddvvvjjjiiiijijijijjiijLEdXEdXVijPSlide 76平差中引入基准平差中引入基准 设网中点数为n，m为独立基线数PAANLXAVT基准选取的途径： (1)长时间单点定位 (2)已知的高级GPS点 (3)秩亏自由网平差EEEEGT.100.100010.010001.0010000iiiiiiiiiZYXZYXdZdYdX0dBGT不存在1NSlide 77统计假设检验统计假设检验22/12022/PVVPVVTT观测质量模型质量约束条件的相容性（约束平差中）先验的单位权方差平差前预先设定，通常设定为1检验2目的目的Slide 78质量控制指标

27、质量控制指标GPS基线向量的残差基线向量的残差规范中规定在无约束平差中，基线分量的改正数绝对值应满足下式:ZYXVVV,333ZYXVVVSlide 79软件操作软件操作自由网平差自由网平差Slide 80质量控制质量控制自由网平差自由网平差Slide 814 4、约束平差、约束平差在国家（地方）大地坐标系中进行约束条件：固定坐标、固定大地方位角和固定空间弦长分为二维约束平差和三维约束平差Slide 82（1 1）三维约束平差）三维约束平差作用：基准转换;平差观测方程约束条件固定点/固定大地方位角/固定弦长lBZXXTS0WdBCSlide 83误差方程误差方程)(,()1 (),()1 (0

28、iSjSZYXiSjSiiSiTZYXiSXXRkXXXXRkXX的坐标近似值的改正数：地面网点数：为基线向量平差改正设jiYXVjTiTij,:ijjiijjiijjiZYXijijijijijijijijijjTjTjTiTiTiTZYXZZZYYYXXXXYXZYZkZYXZYXZYXVVVijijij000000000000000000Slide 84用大地坐标作未知数用大地坐标作未知数ijijijjjiiijiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiLRkXBABAVBBHMLBLBHNLBHMLBLBHNLBHMABX 000000000000000000000000

29、0cos0cos)(sincoscoscos)(sinsin)(coscossincos)(cossin)(Slide 85约束条件方程：固定点约束条件方程：固定点TkB000设k点为固定点，则其坐标约束条件为：Slide 86约束条件方程：固定边长约束条件方程：固定边长222)()()(ikikikikZYXD设已知两点在地面网中的空间边长：00)(0000wXCXCDDZYXDZDYDXkikiikikikikikikikikikikikikSlide 87约束条件方程：固定方位角约束条件方程：固定方位角).(coscossincoscos)sin(cos)(jjkjjkjkkjjjjikHNLLBBBBLLBHNarctg设已知两点在地面网中的坐标方位角：0wXFXFkikiikSlide 88法方程法方程0wXFXFkikiikSlide 89（2 2）二维约束平差）二维约束平差原因原因： 约束条件：固定坐标BJ54/80 观测值： WGS