第九章_GPS测量数据处理(特别好)

1、第九章第九章GPSGPS测量数据处理测量数据处理Data ProcessSlide 2Outline概述概述数据准备数据准备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基线向量网，静态观测Time (0)Time (i)Slide 52、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 6 GPS

2、 GPS观测数据的分流和处理：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GPS网平差网平差Slide 74、软件介绍精密后处理软件 GAMITGAMIT、GIPSYGIPSY、BERNESBERNES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 8二、数据准备二、数据准备数据传输和数据分流数据传输和数据分流数据的预处理数据的预处理Slide 91 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

3、传输到计算机中文件格式本机格式：二进制文件RINEX格式：ASCII文件，通用格式Slide 10观测数据观测数据文件内容观测值文件：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Slide 112 2、预处理、预处理(9.1.2)(9.1.2) 对数据进行平滑滤波，对数据进行平滑滤波，剔除粗差剔除粗差，删除无效，删除无效无用数据；无用数据； 统一数据统一数据文件格式文件格式，将各类接收机的数据文，将各类接收机的数据文件加工成彼此兼容的标准化文件；件加工成彼此兼容的标准化文件； 诊断整诊断

4、整周跳周跳变点，发现并恢复整周跳变，使变点，发现并恢复整周跳变，使观测值复原；观测值复原；对观测值进行各种对观测值进行各种模型改正模型改正，最常见的是大，最常见的是大气折射模型改正。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 12* *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：用一多项式拟合观测时段内的星历数据),(.)(2210zyxitatataatPniniiiiSlide 13* *数据文件格式的统一数据文

5、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v方法：一般用一多项式拟合202010)()(ttattaatsSlide 14* *数据文件格式的统一数据文件格式的统一观测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 15三、基线解算三、基线解算(9.2)(9.2)基线解算的基线解算的原理原理基线解算的基线解算的质量控制质量控制基线解算的基线解算的影响因素分析影响因素分析Slide 161 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

6、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）结果基线向量（X, Y, Z）精度评定 R1 R223 Sj Sk 图2.3.18 站星双差Slide 17基线向量解基线向量解基线边长基线边长基线向量基线向量基线边长（左）与基线向量（右）基线边长（左）与基线向量（右）u基线边长与基线向量基线边长与基线向量TiiiiXYZ bTiiiiBLH bTiiiiNEU bSlide 18(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值)()()()()(1212121212kkjjikikiji

7、jikjNNNNttttt的几何距离、对卫星、：测站、kjttttikikijij21)()()()(2121 R1 R223 Sj Sk 图2.3.18 站星双差kjikijikijikjNttttt12221112)()()()()(222222222022)()()()()(dZtZzdYtYyXdtXxttiksiksiksikik222222222022)()()()()(dZtZzdYtYyXdtXxttijsijsijsijijkl2jl2km2jm2kn2jn2Slide 19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

8、采用站星双差观测值 R1 R223 Sj Sk 图2.3.18 站星双差线性化：kjjkjkjkikijikijikjNdZnndYmmdXllttttt1222222222202021112)()()()()()()()(kjikijikijikjNttttt12221112)()()()()(Slide 20直接解算基线向量直接解算基线向量)()()()()(1212121212kkjjikikijijikjNNNNtttttbijijijkjkjijlNzyxcbav121212121212121212) 1(bkb1k1k2k12k( (对于两个测站、一颗卫星对于两个测站、一颗卫星)

9、)p128bbkkkkjjjj)(2/(sec2/1)(2/(sec2/1020121202012129-109-11Slide 21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，)()()()(1121112112tLtXtAtVSlide 22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、m m颗卫星，颗卫星，n n

10、个历元：个历元：)()()()()()()()()()()()(12121221222122121121112112nnnntLtXtAtVtLtXtAtVtLtXtAtVPlBPBxBxvTT1)(LfmpvvT0验后单位权中误差：验后单位权中误差：平差值的协因数阵：平差值的协因数阵：1)(PBTxQSlide 23212212212)()()(zyxb基线长度精度评定基线长度精度评定)(10)(60121212ppmbmfQmmfQfQzyxfbbbbbbXXTbbT求基线向量长度的相对中误差：求基线向量长度的相对中误差：1200121200121200120212012212012212

11、012)()()(zbzybyxbxbbzzyyxxb平差值的平差值的函数函数基线向量基线向量改正数改正数基线长度基线长度改正数改正数基线向量基线向量基线长度基线长度Slide 24(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ijijijkjkjijlNzyxcbav121212121212121212) 1(Slide 25模糊度解算的意义模糊度解算的意义初始化初始化 影响最终基线解算的精度影响最终基线解算的

12、精度100 次试验2.2 km 基线双频相位数据7 颗卫星浮点解/实数解固定解/整数解Slide 26第一步是获得实数解（浮点解（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 第三步获得位置向量的整数解（固定解）（固定解）(3)(3)基线解算基线解算NCBXAXYNNXQNXCXmin1 NXQNXNXNNN)(1NXXCCCXNQQXNXXNNCNSlide 27实例实例min1 NXQNXNXNNN最小次最小PVVPVVRATIOTT/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Slide 28练习题练习题基线向量解算需要用到哪些数据？关于基线解算，试总结

13、一下规范对它的成果质量有哪些规定？固定解和浮动解有什么区别?GPSGPS测量数据处理测量数据处理TGOSlide 301、准备资料外业观测文件外业测量手簿整理（天线高）控制点资料Slide 312、TGO处理流程软 件 流 程坐标系统编辑建立项目数据导入基线解算质量控制网平差Slide 32第一步：坐标系统编辑TGO/功能/Coordinate System Manager，进入坐标管理器 Slide 33第二步：新建项目v新建项目，选择米制模板，命名，改变坐标系统；Slide 34第三步：导入数据v导入所有的数据，根据天线高纪录编辑点名，天线类型，量测方式，天线高Slide 35导入数据v对

14、于投影提示确认；显示网型；在视图中的点标记中选择名称 显示点名称Slide 36第四步：处理基线v设置基线解算的控制参数；v可按照默认的或修改：（1）高度角限制（2）编辑因子Slide 37基线处理小结v比率越大越好；比率越大越好；v参考变量和参考变量和RMSRMS越小越好越小越好v限差在限差在“基线处理形式基线处理形式”中设定中设定v处理所有的GPS基线，并查看处理质量Slide 38使用时间线编辑器Slide 39调整未通过的基线对于结果不好的基线：v打开“时间线”，根据卫星信号的连续性选择剔除部分观测值（有周跳）。Slide 40察看基线报告中的残差v选中一条基线，打开基线处理报告v查看

15、残差图，对于有比较大的残差的卫星，到时间线上去删除部分观测值。Slide 41检查闭合差v在“报告”“设置”闭合环报告：对于长基线选择比率，设置10v打开GPS闭合差报告，查看是否有失败的记录v如果有继续编辑基线Slide 42检查闭合差v选择重复基线，闭合环v报告导出基线向量vexcel手工检查是否合格。Slide 43*比较：TGO与中海达v流程上？v如果某些基线解算失败，在编辑卫星的时候功能强大（卫星时间图，残差值，信噪比）v输出重复基线，闭合差复杂（手工EXCEL）v规范的等级不明确Slide 44总结：基线解算阶段的质量控制总结：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

16、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 45质量控制的指标质量控制的指标(1)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相对指标无法确切判定质量合格与否半相对，半绝对可确切判定质量是否不合格，不可确切判定质量合格绝对指标可确切判定质量合格与否Slide 46（1 1）单位权方差因子）单位权方差因子fPVVT0定义定义又

17、称为参考因子/参考方差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 47（2 2）观测值的）观测值的RMS RMS 1nVVRMST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 Square 均方根均方根“RMS：单频0.03米,不能大于0.04米,双频0.02米，不能大于0.03”Slide 48（3 3）RATIORATIO定义定义反映了所确定的整周模糊度的可靠性，该值总大于1，越大越可靠最小次最小PVVPVVRATIOTT/“RATIO：应大于3,不能小于1.5米”Slide 49举例说明：举例说明：S

18、lide 50举例说明举例说明Slide 51（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p1225nWx 53nW 222zWyWxWW5nWy 5nWz 1B2B3BnBSlide 52规范要求规范要求全球定位系统（全球定位系统（GPS）测量规范（）测量规范（GB/T 18314 2001）Slide 53（5 5）异步环闭合差）异步环闭合差v定

19、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-要确定哪些基线质量不合格，可以通过多个相邻的异步环或重复基线判断ZYXZYX,Slide 54（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Slide 55规范要求规范要求全球定位系统（全球定位系统（GPS）测量规范（）测量规范（GB/T 18314 2001）Sli

20、de 56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 57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Slide 58卫星可见视图卫星可见视图Slide 59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.

21、000.100.10SV12-SV15残差（周）时间0.00100.002-100.00SV12-SV15残差（周）时间0.001.001.00SV12-SV25T1（周）T2（周）Slide 60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 61基线解算基线解算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网平差网平差三差三差基线解算基线解算质量评定质量评定ijijijkjkjijlNzyxcbav121212121212121212) 1(RatioRatio重复基线

22、重复基线同步环同步环异步环异步环RMSRMS调整参数；调整参数；删除低质量观测删除低质量观测yesnoSlide 62练习与思考练习与思考基线解算是在什么坐标系下进行的？GPS测量以后能得到控制点的WGS-84精确坐标吗？同一条基线在WGS-84坐标系下和在北京54坐标系下的基线向量一样吗？Slide 63四、四、GPSGPS定位成果的坐标转换定位成果的坐标转换P132TiiiiXYZ bTiiiiBLH bTiiiiNEU bSlide 64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 65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

23、系平面直角坐标系基准一基准一基准二基准二Slide 66七参数模型七参数模型坐标转换坐标转换AAAAAAxyzBBBBBBZZYYXXRRRmZZYYXX000000)()()()1 (基线转换。基线转换。P20P133，134AAAxyzZYXBBBZYXRRRmTTTZYX)()()()1 (AAAxyzZYXBBBZYXRRRmTTTZYX000000)()()()1 (坐标转换坐标转换Slide 67实际中使用七参数的问题实际中使用七参数的问题TiiiiXYZ b七参数模型七参数模型转换参数转换参数公共点公共点),(ZYX),(HLB),(HyxSlide 68三维问题转化为二维问题三

24、维问题转化为二维问题TiiiiXYZ byxbHLBZYX,yxLB,二维基线向量二维基线向量三维基线向量三维基线向量P134135136Slide 69说明说明P134， P135， P136，利用一个公共点将利用一个公共点将GPSGPS网平移到地面网；网平移到地面网；利用一条公共基线旋转；利用一条公共基线旋转；利用地方椭球参数计算大地坐标、平面坐标利用地方椭球参数计算大地坐标、平面坐标, ,投影成二维坐标；投影成二维坐标； 9-41 9-47 9-50Slide 70结论结论: :二维平差二维平差/ /坐标转换坐标转换利用公共点求两个坐标系下的转换mxyyxyxyxttttts/尺度差尺度

25、差残余的定向差残余的定向差转换后的转换后的GPS基线向量基线向量地面坐标系下地面坐标系下的基线向量的基线向量（待求）（待求） 9-79Slide 71软件处理中的解决软件处理中的解决TiiiiXYZ byxb引入已知点引入已知点得到各点的坐标得到各点的坐标地方坐标系的参数地方坐标系的参数Slide 72五、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 731 1、概述、概述数据处理基线解算基线解算网平差网平差ZYX,ZYX,原始观测值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GPS网几何

26、上的不一致性闭合条件 重复条件 附合条件评定GPS网的内符合精度确定点在指定参照系下的坐标引入位置基准引入其它的起算条件Slide 742 2、网平差的分类、网平差的分类根据平差的维数根据平差的维数三维平差：在三维空间中进行二维平差：在二维平面上进行根据参与平差的观测值和约束条件根据参与平差的观测值和约束条件自由网平差:观测值全为GPS观测值，已知条件不使网产生由非观测量所引其的变形约束平差:观测值全为GPS观测值；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GPS观测值已外，还包括其它常规几何观测值Slide 75TGO第五步：自由网平差v选择基准v编辑平差样式，修改天线高

27、度误差0.002，对中误差0.001v进行平差v平差结束后，查看平差报告是否通过Slide 76TGO第六步：约束平差n在平差平差/ /基准基准选择当地投影基准当地投影基准。n选择平差选择平差/ /观测值，输入已知点坐标观测值，输入已知点坐标。Slide 77TGO进行约束平差进行约束平差进行平差，通过结果报告看未知点坐标，及坐标误差分量、 边长相对中误差等。Slide 78中海达软件中海达软件Slide 79GPS中的网平差过程中的网平差过程三维自由网三维自由网平差平差二维约二维约束平差束平差基线解算基线解算坐标结果坐标结果检测观测的精度检测观测的精度引入起算数据引入起算数据Slide 80

28、3 3、三维无约束平差、三维无约束平差定义定义： 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作用作用： 评定GPS网的内部符合精度，发现和剔除GPS观测值中可能存在的粗差Slide 81)()()()()()(000000ijijijijijijZiZjZijYiYjYijXiXjXijdZdZvZdYdYvYdXdXvX网平差的误差方程网平差的误差方程ijijijijijijZZZYYYXXX观测方程观测方程误差方程误差方程ijjiijLEdXEdXV000000100010001100010001jiijjiijjiijZY

29、XZYXZYXZZZYYYXXXddddddvvvjjjiiiijijij9-51ijPSlide 82* *三维平差中引入基准三维平差中引入基准 如果不引入起算基准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 83* *平差以后：统计假设检验平差以后：统计假设检验22/12022/PVVPVVTT验后单位权方差和先验单位权方差的一致性！观测定权和模型是否恰当先验的单位权方差平差前预先设定，通常设定为

30、1检验2目的：目的：Slide 84* *其他的质量控制指标其他的质量控制指标GPS基线向量的残差（改正数）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,333ZYXVVV000000100010001100010001jiijjiijjiijZYXZYXZYXZZZYYYXXXddddddvvvjjjiiiijijijSlide 85TGO第五步：自由网平差v修改加权策略，或者禁止粗差基线，再进行平差v直到通过Slide 864 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Sli

31、de 87（1 1）三维约束平差）三维约束平差约束条件是什么？观测值是什么？未知数是什么？观测方程是什么？地面坐标系下地面坐标系下的长度、方位的长度、方位WGS-84坐标坐标系下的基线向系下的基线向量量地方坐标系下地方坐标系下的基线向量的基线向量/坐坐标标Slide 88误差方程误差方程jDZYXjGiDZYXiGXRkXXXRkXX),()1 (),()1 (00地方坐标系的地方坐标系的坐标坐标基线向量基线向量WGS-84)(,()1 (iDjDZYXijGXXRkXijijijjiijLRkXXXV0Slide 89约束条件方程：固定点约束条件方程：固定点TkB000设设k k点为固定点，

32、点为固定点，点在它在地面网中的坐点在它在地面网中的坐标标则其坐标约束条件为：则其坐标约束条件为：Slide 90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：设已知两点在地面网中的空间边长：0000ikikikikikikikikikikikDZYXDZDYDXDSlide 91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大地方位角设已知两点在地面网中的大地方位角：Slide

33、92（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-84 H不精确，影响平差结果高程异常解决解决 以国家（地方）坐标系中的一个已知点和一个已知 基线方向作为起算数据，将基线向量观测值转换到二维平面（或球面）上，然后进行二维约束平差，平差时仅存在尺度差和定向误差 P135， P136，Slide 93说明说明P134， P135， P136，利用一个公共点将利用一个公共点将GPSGPS网平移到地面网；网平移到地面网；利用一条公共基线旋转；利用一条公共基线旋转；利用地方椭球参数计算大地坐标、平面坐标；利用地方椭球参数计算大地坐标、平面坐标； 9-

34、41 9-47 9-50Slide 94二维约束平差原理二维约束平差原理观测方程：约束条件：边长，方位角LSYXXTS尺度差尺度差残余的定向差残余的定向差转换后的转换后的GPS基线向量基线向量地面坐标系下地面坐标系下的基线向量的基线向量（待求）（待求）mxyyxyxyxttttts/Slide 955 5、GPS网平差的过程网平差的过程提取基线向量三维无约束平差质量分析与控制约束平差/联合平差质量分析与控制三维自由网三维自由网平差平差二维约二维约束平差束平差基线解算基线解算坐标结果坐标结果Slide 96练习题练习题1 1、约束平差和无约束平差有什么区别？、约束平差和无约束平差有什么区别？2 2、三维平差和二维平差有什么区别？、三维平差和二维平差有什么区别？3 3 、基线解算是在、基线解算是在_坐标系下进行的。三维无约束坐标系下进行的。三维无约束平差是在平差是在_坐标系下进行的。二维约束平差是坐标系下进行的。二维约束平差是在在_坐标系下进行的。坐标系下进行的。4 4、无约束平差通过而约束平差未通过，说明、无约束平差通过而约束平差未通过，说明 ？A A已知数据误差大观测数据误差大星历数已知数据误差大观测数据误差大星历数据误差大。据误差大。5 5 、GPSGPS网实施坐标系统转换后的质量取决于两个主