GPS数据处理方法

核心技能训练GPS数据处理方法2019.11.16静态数据处理任务概述静态数据处理的流程是数据加载、数据预处理、基线向量解算、网平差、高程计算、成果输出。本任务根据数据处理流程进行介绍。先选择数据处理软件，然后根据数据处理流程进行数据处理。最后将成果输出。2023/5/92静态数据处理一、静态数据处理软件软件分类开发单位软件名高精度软件美国麻省理工学院（MIT）和SCRIPPS海洋研究所（SIO）GAMIT/GLOBK软件美国喷气动力实验室(JPL,JetPropulsionLaboratory)GIPSY软件瑞士伯尔尼大学Bernese软件商业软件Trimble导航公司GPSurvey、TGO、TTC徕卡仪器有限公司SKI、LGO索佳（SOKKIA）GSSP拓普康（Topcon）PinnacleNovatelGrafNav南方南方GPS数据处理软件中海达HD2003华测COMPASS武汉大学COSAGPS2023/5/93静态数据处理二、观测数据的预处理（1）数据传输（2）数据分流数据分流是在数据传输的同时进行的，首先将各类观测数据归放入不同的文件，然后通过解码将各项数据分类整理，剔除无效观测值和冗余信息，分别建立不同的数据文件，以便进一步加工和处理。（3）观测数据的平滑滤波检验剔除粗差，并进一步删除无效无用数据。（4）统一数据文件格式RINEX针对不同类型接收机的数据记录格式、项目和采样间隔。2023/5/94静态数据处理二、观测数据的预处理（5）卫星轨道的标准化统一不同来源卫星轨道信息的表达方式和平滑GPS卫星每小时发送的轨道参数，一般须采用多项式拟合法。（6）探测周跳、修复载波相位观测值如果能够检测出在何时发生了整周跳变，并能求出丢失的整周数，就可以对中断后的整周计数进行修正，恢复其正确计数。（7）对观测值进行必要改正对观测值进行电离层、对流层等各种模型改正。2023/5/95二、观测数据的预处理软件操作（1）新建项目单击“新建项目”命令，输入项目名称；设置项目存储路径。点击确认按钮。（2）导入数据单击“导入”命令，选择数据所在路径，选中所有静态数据打开。（3）编辑测站信息修改天线高等初始值。（4）查看/设置坐标系点击项目属性命令，查看坐标系参数，并修改中央子午线参数。2023/5/96静态数据处理1.周跳探测与修复周跳的概念2023/5/97t0:首次进行测相的时刻ti:后续各次测相的时刻载波相位测量——测定相位差整周计数（由接收机的计数器测出。）首次观测其余各次观测仅观测一次不能确定完整的观测值静态数据处理周跳的概念2023/5/98某种原因信号失锁异常任务5-4静态数据处理周跳的概念整周计数由于丢失了在失锁期间载波相位变化的整周数，使其后的相位观测值均含有同样的整周误差，这种现象称为整周跳变（周跳）。2023/5/99计数器计数中断累积计数丢失n周静态数据处理周跳的影响正常情况下，卫星在空间的运行轨迹是一条平滑的曲线，因而卫星至接收机的载波相位观测值的变化也是平滑而有规律的。周跳将破坏这种光滑性，使后继历元的载波相位观测值均含有系统性粗差。2023/5/910相位时间相位时间无周跳的相位观测值有周跳的相位观测值系统性粗差静态数据处理周跳的影响2023/5/911测距信号C/APL1L2码元宽度293m29.3m19cm24cm测距精度2.93m0.293m1.9mm2.4mm观测值产生周跳粗差测距精度高？静态数据处理周跳的影响未正确探测或修复基准站及流动站载波相位数据中的周跳会导致RTK流动站测量结果产生米级以上的粗差。静态GPS数据处理中周跳也会影响基线解算和网平差的质量。2023/5/912

基准站流动站基准站坐标（X0,Y0,Z0）

L1、L2(ρ’、INT、Fr(φ)

)

探测周跳并修复静态数据处理2023/5/913周跳的探测及修复就是如何从载波相位观测值的时间序列中寻找可能存在的系统性粗差并加以改正。相位时间相位时间无周跳的相位观测值有周跳的相位观测值周跳探测修复方法屏幕扫描法用手工编辑的方法逐点、逐段修复。高次差或多项式拟和法通过相位观测量求差有利于发现周跳。但难以检验只有几周的小周跳。在卫星间求差法每颗卫星的载波相位测量观测值中所受到的接收机振荡器的随机误差的影响相同，在卫星间求差后即可消除上述影响。2023/5/914周跳（应屏蔽）载波相位观测值周跳探测修复方法根据平差后的残差发现和修复整周跳变经过上述处理的观测值中还可能存在一些未被发现的小周跳。修复后的观测值中也可能引入1~2周的偏差。用这些观测值来进行平差计算，求得的各观测值的残差。正常情况下的残差数值一般均很小。有周跳的观测值上则会出现很大的残差，据此可以发现和修复周跳。用双频观测值修复周跳涉及到电离层折射的残差项，故又称电离层残差法。2023/5/9152.整周未知数N0的确定N(t0)：未知的整周未知数(ti)：相位差的小数部分，接收机记录绿色部分为整周计数，接收机记录N(t0)=4N(t0)=4N(t0)=4静态数据处理2023/5/916静态数据处理2.整周未知数N0的确定方法（1）经典静态相对定位法经典静态相对定位法，是将整周未知数N0作为特定参数与其它未知参数在平差计算中一并求解。根据整周未知数在平差计算中解算结果的取值，有整数解和实数解。实数解一般用于基线较长的相对定位中。2023/5/917静态数据处理2.整周未知数N0的确定方法（2）“动态”测量法当观测站之间的基线向量已知时，便可以根据基线端点两接收机的同步观测结果，应用静态相对定位的双差模型直接求解相应的整周未知数，这时观测时间可大为缩短，一般只需几分钟。2023/5/918静态数据处理2.整周未知数N0的确定方法（3）交换天线法（4）P码双频扩波技术特点：快速解算整周未知数（5）FARA技术快速解算法用于短基线（＜15km）的快速静态定位。2023/5/919静态数据处理三、基线向量解算基线解算的原理（1）基线解算的算法流程基线向量解算的基本数学模型有非差载波相位模型、单差载波相位模型、双差载波相位模型、三差载波相位模型四种。在平差计算求解观测站之间的基线向量时，一般取双差载波相位模型，即以双差观测值或其线性组合作为平差解算时的观测量，以测站间的基线向量坐标

为主要未知量，建立误差方程式、法方程求解基线向量。2023/5/920静态数据处理三、基线向量解算基线解算的原理（2）基线解算的软件操作流程单击“处理GPS基线”命令，软件自动进行基线处理。2023/5/921静态数据处理三、基线向量解算基线解算的原理（2）基线解算的软件操作流程处理完毕可以看到解类型、Ratio（比率）、误差、X、Y、Z、距离。①解类型：解的类型由整数解（固定解）、实数解（浮动解）、无电离层影响固定解、无电离层影响浮动解。对于小于10km的短基线而言，整数解的解算类型较好。②Ratio（比率）：用于评价最好与次好基线解间的差异关系（仅用于固定解），一般要求大于3，越大越好。③误差：是根据卫星距离观测值的测量噪声来表示的解的质量，它与卫星的几何位置无关。误差越小越好。一般不超过0.01m。④X、Y、Z：基线的三轴分量。⑤距离：基线的斜距。2023/5/922静态数据处理三、基线向量解算1.残差分析平差处理时，若存在系统误差和粗差，其结果将有偏差。正常情况下L1波段信号观测误差只有2mm。当偶然误差达1cm时，应认为观测值质量存在较严重的问题。当系统误差达分米级时，应认为所用数学模型有误。当残差分布中出现突然的跳跃或尖峰时，则表明整周跳变处理失败。2023/5/923静态数据处理三、基线向量解算2.处理基线结果的精度（1）验后单位权方差检验采用χ2检验法对验后单位权方差进行检验，判断是否与理论值相近。（2）基线长度的精度当基线长度超过20km后，双频接收机的数据通过差分处理消除电离层延迟的影响，优于单频接收机。（3）双差固定解与双差实数解之间的差值通常要求两者之间的基线向量坐标差小于5cm。当双差固定解与实数解的向量坐标差达到分米级时，则处理结果可能有误。2023/5/924静态数据处理三、基线向量解算3.粗差检测与粗差定位对GPS基线向量观测值的粗差检验和模型误差辨识，一般是利用由基线向量构成的多边形闭合差进行。当经过检验，认为GPS网中还存在粗差时，往往还需要确定粗差源来自哪些观测组，该过程称为粗差定位。软件会自动生成所有可能的闭合环，并作出GPS基线向量环闭合差报告。阅读失败闭合环的细节，判断共同的不良基线或误差较大的基线。2023/5/925静态数据处理三、基线向量解算改善基线质量的方法①卫星观测时间短的应对方法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，不让它们参加基线解算。②周跳太多的的应对方法若多颗卫星在相同的时间段内经常发生周跳时，则可采用删除周跳严重的时间段的方法。若只是个别卫星经常发生周跳，则可采用删除经常发生周跳的卫星的观测值的方法。2023/5/926静态数据处理三、基线向量解算改善基线质量的方法③多路径效应严重由于多路径效应往往造成观测值残差较大，因此可以通过缩小编辑因子的方法来剔除残差较大的观测值。可以采用删除多路径效应严重的时间段或卫星的方法。④对流层或电离层折射影响过大的应对方法提高或降低采样间隔和截止高度角。分别采用模型对对流层和电离层延迟进行改正。⑤基线起点坐标不准确的应对方法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起点。2023/5/927静态数据处理四、GPS网平差GPS网平差的目的①消除由观测值和已知条件中所存在的误差而引起的GPS网在几何条件上的不一致。②改善GPS网的质量，评定GPS网精度。③确定GPS网中点在指定参考系下的坐标以及其他所需参数的估值。2023/5/928静态数据处理四、GPS网平差1.基线向量网的独立平差目前广泛采用的平差方法，主要有经典自由网平差和亏秩自由网平差。经典自由网平差广泛应用于城市与矿山等区域性控制网的平差，而亏秩自由网主要应用于工程变形和地壳运动等监测网的数据处理。2.GPS网与地面网的三维平差GPS定位数据与地面测量数据的三维平差是GPS技术应用中的一个关键问题。2023/5/929静态数据处理四、GPS网平差2.GPS网与地面网的三维平差三维平差通常可在地面网和GPS网单独平差的基础上进行。地面测量数据仅提供定位、定向和尺度基准，如固定点坐标、固定方向和固定边长。（三维约束平差）反之，地面测量数据除了提供定位、定向和尺度基准外，还包含有常规观测量时，这种平差形式称为GPS网与地面网的三维联合平差。2023/5/930静态数据处理四、GPS网平差2.GPS网与地面网的三维平差三维约束平差和三维联合平差，原则上可以在空间直角坐标系统中进行，也可以在三维大地坐标系统中进行。以GPS网的空间直角坐标作为未知参数时，不利于将GPS网的平面与高程分别处理。以大地坐标作为未知参数时，虽然在大地坐标系中两网的基准转换模型比较复杂，但是便于将GPS网的平面与高程分开处理。2023/5/931GPS网平差【案例分析】首先进行基线向量网的独立平差缺省状态下的基线向量网独立平差在WGS-84坐标系下进行。单击“平差”命令，软件自动平差。在平差完成后，需要进行单位权方差估值的检验。理论上来讲，它应与平差前的先验单位权方差一致，判断它们是否一致要采用χ2检验。若网平差报告中显示的χ2检验未通过，通常须调整协方差比例系数后再次进行独立平差，直到χ2检验通过。2023/5/932GPS网平差【案例分析】然后进行三维约束平差对于平面坐标，固定至少2个点。再点击“平差”命令，进行网的约束平差。网的自由平差通过后，应选择相应的平差基准，输入联测的已知点坐标，完成GPS观测值转换为当地坐标。投影基准要在坐标系统管理器中事先创建或选定。看结果是否通过，若通过则看报告中未知点坐标，及坐标误差分量、边长相对中误差等。2023/5/933GPS网平差【案例分析】平差报告中涉及的术语参考因子：体现平差的先验（预平差）误差与后验（后平差）误差的匹配程度。参考因子应该约等于1.0。x2检验：体现平差网的拟合程度。如果参考因子接近于1.0、自由度可以接受，那么网就在数学上拟合、x2检验通过。自由度：体现网的冗余量。数值越大，平差中冗余越多。标准残差柱状图：柱状图以图形方式显示了最近平差的观测值标准化残差的频率分布。平差观测值统计：列出了每个观测值的标准化残差。2023/5/934静态数据处理五、GPS的高程计算我国的高程基准（1）1956年黄海高程系水准原点设在观象山，采用1950～1956年7年的验潮结果计算的黄海平均海水面，推得水准原点高程为72.289m。（2）1985国家高程基准水准原点同1956年黄海高程系，采用1952～1979年共28年的验潮结果，并顾及了海平面18.6年的周期变化及重力异常改正，计算的黄海平均海水面，推得水准原点高程为72.260m。2023/5/935静态数据处理1.高程系统以大地水准面为基准的正高系统目前是国际通用的高程基准面，但正高系统很少在我国使用。以似大地水准面为基准的正常高系统地面上某点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离称为该点的正常高。以WGS-84椭球面为基准的GPS大地高系统由GPS相对定位得到的基线向量通过GPS网平差得到的高程H，其基准面也并非大地水准面，而是WGS-84椭球面。地面上某点到通过该点的WGS-84椭球面的法线与WGS-84椭球面的交点之间的距离称为该点的GPS大地高。2023/5/936静态数据处理GPS大地高与正常高如果用GPS定位的方式测量各点的高程，得到的大地高H与我国现行使用的正常高Hr显然不在同一基准面上。联系大地高和正常高的一个几何量是高程异常ξ。大地高H、正常高Hr和高程异常ξ的关系式。若知道某点的高程异常值，则可很方便地将该点的GPS大地高H转化为正常高Hr。2023/5/937静态数据处理2.拟合法确定正常高程——GPS几何水准设GPS基线向量网经三维无约束平差后，求得各点的大地高平差值为Hi，已知网内总点数为n，网中有m个用于拟合计算的GPS点，同时有已知的正常高程Hri

。则可确定这些点的高程异常ξi为则测区内的高程异常值ξi可用一多项式来拟合，即

B——大地纬度

L——大地经度2023/5/938静态数据处理2.拟合法确定正常高程——GPS几何水准多项式拟合法确定GPS点的正常高程值是近似的，在较理想的情况下可达到或优于四等水准测量的精度。3.利用重力场模型确定正常高程——重力高程用重力资料求定点的高程异常，再结合GPS大地高求出点的正常高的法。可引入EGM96重力模型推算正常高。4.将重力场模型和GPS水准相结合——移去恢复法先按重力场模型计算地面点P的高程异常

ξP，在GPS网中再联测部分点的几何水准，也可求出这些点的高程异常ξi，即可求出联测点的两种高程异常差Δξ

。根据联测点平面坐标和Δξ

，按曲面拟合方法推求其他点的Δξi

，从而求出点的正常高。2023/5/939高程拟合计算【案例分析】2023/5/940静态数据处理5.提高GPS水准精度的措施（1）提高大地高（差）测定的精度①提高局部GPS