GPS测量原理及应用：10 GPS基线解算

1GPS原理与应用

第十章：GPS基线解算主讲：主讲人：2内容提要概述基线的解算模式基线解算中的过程及结果基线解算的质量控制主讲人：31.概述主讲人：4GPS网及其布设GPS网采用GPS技术布设的测量控制网由点、基线向量构成，或许还会含有其它类型的观测量目的：确定点的坐标，消除几何上的不一致性主讲人：5GPS网的布设GPS布设时的逐步推进方式GPS网及其布设主讲人：6GPS测量数据处理的流程四个阶段数据传输格式转换（可选）基线处理网平差主讲人：72.基线的解算模式主讲人：8基线向量解GPS基线向量的含义同步观测数据解算出来的三维坐标差基线边长（左）与基线向量（右）基线边长与基线向量主讲人：9基线向量的表达方式空间直角坐标的坐标差大地坐标的坐标差站心地平坐标的坐标差基线向量解表达方式之间可以转换10同步观测基线间的误差相关性ABC提示：由于在计算AB、AC两条基线向量时，均用到了A点的观测数据，因而A点观测数据中的误差将同时对这些基线产生影响。主讲人：主讲人：11基线解算模式单基线解/基线模式多基线解/时段模式整体解/战役模式主讲人：12单基线解算模式单基线解/基线模式解算方法一次仅同时提取两台GPS接收机的同步观测数据进行基线解算。特点模型简单，参数较少，计算量小解算结果无法反映同步观测基线间的统计相关性无法充分利用观测数据之间的关联性适用范围一般工程应用主讲人：13单基线解/基线模式基线解结果基线向量估值基线向量估值的方差-协方差阵单基线解算模式主讲人：14多基线解/时段模式解算方法一次提取一个观测时段中所有进行同步观测的n台接收机所采集的同步观测数据，在一个单一解算过程中共同解求出所有n-1条相互函数独立的基线。特点数学模型严密，能反映出同步观测基线间的统计相关性数学模型和解算过程比较复杂，计算量较大适用范围对质量要求严格的应用多基线解算模式主讲人：15多基线解/时段模式基线选择方法：观测质量好的点作为基准点，选择基线较短的基线进行解算。射线法（左）和导线法（右）多基线解算模式主讲人：16多基线解/时段模式基线解结果基线向量估值基线向量估值的方差-协方差阵多基线解算模式主讲人：17整体解/战役模式解算方法一次提取项目整个观测过程中所有观测数据，在一个单一解算过程中同时对它们进行处理，得出所有独立基线特点数学模型严密，能反映出同步观测基线间的统计相关性避免了结果在几何上的不一致性数学模型和解算过程复杂，计算量大适用范围高精度定位、定轨整体解模式主讲人：183.基线解算的过程及结果19基线解算的基本流程①基线解算的处理流程（数据处理软件内部）数据预处理建立数学模型确定基线向量的浮动解确定整周未知数确定基线向量的固定解主讲人：20基线解算流程图软件处理输出结果合格不合格？GPS观测数据GPS广播星历精密星历（可选）测站坐标（可选）数据导入星历类型截止高度角周跳修复方法对流层折射处理方法电离层折射处理方法参与处理的卫星和观测值……处理控制参数设置基线结果质量检验RatioRDOPRMS同步环闭合差异步环闭合差重复基线较差GPS网无约束平差基线向量改正数主讲人：21基线解算的基本流程③数据预处理目的获得干净的观测值过程数据传输和解码数据标准化数据筛选和编辑接收机钟差估算差分观测值或线性组合观测值形成基线向量近似解估算周跳探测、修复或标记主讲人：22基线解算的基本流程④建立数学模型包括函数模型和随机模型通常为双差模型模型参数通常包括坐标（基线向量）整周模糊度天顶方向的对流层延迟也称为统计模型，它描述了观测量的统计特性，并通过一个先验的方差-协方差矩阵来表示。通过某种几何模型和物理模型联系起来的观测量与未知参数(自变量)之间的函数表达式

主讲人：23基线解算的基本流程⑤确定基线向量的浮动解直接利用所建立的数学模型求解模糊度为实数主讲人：24基线解算的基本流程⑥确定整周未知数通常采用搜索算法，确定模糊度的整数值对所确定出的模糊度进行检验，若能通过下列检验，则将模糊度固定为整数值，否则不固定与实数模糊度的一致性最优整数值与次优整数值的可区分性（RATIO值）基线向量固定解与基线向量实数解的一致性主讲人：25基线解算的基本流程⑦确定基线向量的最终解若模糊度能固定成为整数值，则在数学模型中将模糊度固定，重新解算基线，得到基线向量固定解若模糊度无法固定成为整数值，则给出基线向量浮动解主讲人：26基线解的输出结果一般情况下，基线解算结果包括如下以文字或图形方式给出的内容:数据记录情况（起止时刻、历元间隔、观测卫星、历元数）；测站信息：位置（经度、纬度、高度）、所采用接收机的序列号、所采用天线的序列号、测站编号、天线高；每一测站在测量期间的卫星跟踪状况；气象数据（气压、温度、湿度）；基线解算控制参数设置（星历类型，截止高度角、解的类型、对流层折射的处理方法、电离层折射的处理方法、周跳处理方法等）；基线向量估值及其统计信息（基线分量、基线长度、基线分量的方差-协方差阵/协因数阵、观测值残差RMS、整周模糊度解方差的比值（RATIO值）、单位权方差因子（参考方差））观测值残差序列。主讲人：4.基线解算的质量控制主讲人：2728基线质量控制的目的和内容目的为后续的数据处理分析提供合格的基线向量结果。内容质量评定：通过一系列的指标，对基线向量结果的质量进行评估，发现质量差（不合格）的基线。质量改善：通过数据处理手段（基线精化处理），提高基线向量结果的质量。主讲人：29基线质量控制的目的和内容评定基线解算结果质量的指标有两类：一是基于测量规范的控制指标；二是基于统计学原理的参考指标；在工程应用中，控制指标必须满足，而参考指标则不作为判别质量是否合格的依据，仅供参考主讲人：30质量的控制指标①数据删除率定义：在基线解算时，如果观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，通常表明观测值的质量越差。根据GB/T18314-2009同一时段观测值的数据剔除率宜小于10%主讲人：31质量的控制指标②同步环闭合差定义：由同步观测基线所组成的闭合环的闭合差。特点理论上：由于同步观测基线间具有一定的内在联系，同步环闭合差在理论上应总是为0。实践中：只要数学模型正确、数据处理无误，即使观测值质量不好，同步环闭合差将非常小。实质若同步环闭合差超限，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若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。主讲人：32质量的控制指标③根据GB/T18314-2009，应对所有三边同步环进行检验，闭合差宜满足如下的要求：主讲人：33质量的控制指标④异步环闭合差定义：由相互独立的基线所组成的闭合环的闭合差。实质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判定。主讲人：34质量的控制指标⑤根据GB/T18314-2009，B、C、D、E级GPS网外业基线处理结果，其独立环或附合路线坐标闭合差应满足如下的要求：主讲人：35质量的控制指标⑥复测基线较差（重复基线互差）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，就是复测基线较差。实质复测基线较差满足限差要求时，则表明基线向量的质量是合格的。复测基线较差不满足限差要求时，则表明复测基线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，可以通过多条复测基线来判定。主讲人：36质量的控制指标⑦根据GB/T18314-2009，B级网基线外业预处理和C级以下各级GPS网基线处理，复测基线长度较差ds、两两比较应满足下式的规定：基线分量较差基线长度较差主讲人：37质量的控制指标⑧网无约束平差基线向量残差一项评定基线解算结果质量的重要控制指标；无约束平差基线分量改正数的绝对值应满足如下要求：若无约束平差基线分量改正数超出限差要求，则认为所对应基线向量或其附近的基线向量可能存在质量问题主讲人：38质量的控制指标⑨其它GB/T18314-2009还专门针对A和B级这样高等级的数据处理制订了专门的质量控制指标，主要包括：重复性检验各时段间的较差检验独立闭合环或附合路线坐标分量闭合差主讲人：39质量的控制指标⑩规范对基线测量中误差σ的要求在GB/T18314-2001中，σ由相应级别所规定的GPS网相邻点基线长度精度及实际平均边长计算在GB/T18314-2009中，σ由外业观测时所采用的GPS接收机的标称精度及实际平均边长计算主讲人：40质量的参考指标①单位权方差/参考方差（ReferenceVariance）定义实质一定程度地反映了观测值质量的优劣参考方差观测值的残差观测值的权自由度主讲人：41质量的参考指标②RATIO值定义实质反映了所确定出的整周未知数参数的可靠性，该值总大于等于1，值越大，可靠性越高。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（卫星星座的几何图形的分布和变化）的好坏有关。参考方差主讲人：42质量的参考指标③RDOP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的平方根，即实质：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，当基线位置确定后，RDOP值就只与观测条件有关了。所谓观测条件就是指在观测期间的卫星星座及其变化，卫星数量越多，分布越均匀，同一卫星的位置变化越大，观测条件越好。RDOP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。主讲人：43质量的参考指标④观测值残差的RMS定义：观测值残差的RMS（RootMeanSquare/均方根）实质反映了观测值与参数估值（计算值）间的符合程度，即为内部精度指标，RMS小，内符合精度高，RMS大，内符合精度差结果质量不好时，RMS会比较大，反之却不一定成立RMS的大小并不能最终确定成果的质量，可作为参考一般认为，RMS越小越好观测值的均方根误差观测值的残差观测值的数量主讲人：44影响基线质量的因素①基线解算时所设定的起点坐标不准确影响方式：导致基线向量出现尺度和方向上的偏差影响程度：判别：无明确方法起点坐标的偏差卫星至基线中点距离基线向量的偏差基线长度主讲人：45影响基线质量的因素②少数卫星的观测时间太短影响方式：导致与该卫星有关的整周未知数固定困难影响程度：对于基线解算来讲，对于参与计算的卫星，如果与其相关的整周未知数没有准确确定的话，就将严重影响整个基线解算结果的质量判别：通过卫星可见性图卫星可见性图主讲人：46影响基线质量的因素③在整个观测时段中，有个别卫星或个别时间段周跳太多，致使周跳修复不完善影响方式：导致整周未知数固定困难影响程度：严重影响基线向量的质量判别：通过残差图（残差跳跃）上面3幅双差残差图表明SV12存在周跳主讲人：47影响基线质量的因素④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影响方式：导致基线向量质量下降，严重时导致整周未知数固定困难影响程度随多路径效应的严重程度，对基线质量的影响将有所不同多路径效应对基线向量的水平方向影响较大判别方法：通过残差图（残差中部分区间成系统性变化，且呈现周日特征）受多路径效应或大气折射影响的残差图主讲人：48影响基线质量的因素⑤对流层折射影响或电离层折射影响较大影响方式：导致基线向量质量下降，严重时导致整周未知数固定困难影响程度随大气折射影响的严重程度，对基线质量的影响将有所不同大气折射影响对基线向量的垂直方向影响较大判别方法：通过残差图（残差中部分区间成系统性变化，但无周日特征）其它因素卫星轨道误差较大数学模型问题：地球潮汐、地球自转、卫星姿态及天线相位中心问题等主讲人：49基线的精化处理方法①基本起算点衍生点衍生点衍生点衍生点要解决基线起点坐标不准确的问题，可以在进行基线解算时，使用坐标准确度较高的点作为基线解算的起点，较为准确的起点坐标可以通过进行较长时间的单点定位或通过与WGS-84坐标较准确的点联测得到；也可以采用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，然后，再在GPS网平差处理时，引入系统参数的方法加以解决。主讲人：50基线的精化处理方法②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