GPS定位原理第九章.doc

第1节 概 述GPS接收机采集记录的是GPS接收机天线至卫星伪距、载波相位和卫星星历等数据如果采样间隔为20秒，则每20秒记录一组观测值，一台接收机连续观测一小时将有180组观测值观测值中有对4颗以上卫星的观测数据以及地面气象观测数据GPS数据处理要从原始的观测值出发得到最终的测量定位成果，其中数据处理过程大致分为GPS测量数据的基线向量解算、GPS基线向量网平差以及GPS网平差或与地面网联合平差等几个阶段数据处理的基本流程如图9-1所示图中第一步数据采集的是GPS接收机野外观测记录的原始观测数据,在进行野外观测记录的同时，用随机软件解算出测站点的位置和运动速度，以便提供导航服务数据传输到计算机中，由数据处理软件和基线解算软件（后处理软件）在计算机上进行预处理和基线解算GPS网平差包括GPS基线向量网平差、GPS网与地面网联合平差等内容整个数据处理过程可以建立数据库管理系统9.1.1 数据传输大多数的GPS接收机（如ASHTECH，TRIMBLE等型号），采集的数据记录在接收机的内存模块上数据传输是用专用电缆将接收机与计算机连接，并在后处理软件的菜单中选择传输数据选项后，便将观测数据传输至计算机。

数据传输的同时进行数据分流，生成四个数据文件：载波相位和伪距观测值文件、星历参数文件、电离层参数和UTC参数文件、测站信息文件经数据分流后生成的四个数据文件中，除测站文件外，其余均为二进制数据文件为下一步预处理的方便，必须将它们解译成直接识别的文件，将数据文件标准化9.1.2 预处理GPS数据预处理的目的是：①对数据进行平滑滤波检验，剔除粗差；②统一数据文件格式并将各类数据文件加工成标准化文件（如GPS卫星轨道方程的标准化，卫星时钟钟差标准化，观测值文件标准化等）；③找出整周跳变点并修复观测值(整周跳变的修复见5.3.3)；④对观测值进行各种模型改正 GPS卫星轨道方程的标准化数据处理中要多次进行卫星位置的计算，而GPS广播星历每小时有一组独立的星历参数，使得计算工作十分繁杂，需要将卫星轨道方程标准化，以便计算简便，节省内存空间GPS卫星轨道方程标准化一般采用以时间为变量的多项式进行拟合处理将已知的多组不同历元的星历参数所对应的卫星位置Pi(t)表达为时间t的多项式形式：利用拟合法求解多项式系数解出的系数ain记入标准化星历文件，用它们来计算任一时刻的卫星位置多项式的阶数n一般取8~10就足以保证米级轨道拟合精度。

拟合计算时，时间t的单位需规格化，规格化时间T为：式中Ti为对应于ti的规格化时间；t1和tm分别为观测时段开始和结束的时间很显然，对应于t1和tm，T1和Tm分别为-1和+1对任意时刻|ti|≤1需指出的是，拟合时引进了规格化的时间，则在实际轨道计算时也应使用规格化的时间 卫星钟差的标准化来自广播星历的卫星钟差（即卫星钟钟面时间与GPS系统标准时间之差Δts）是多组数值，需要通过多项式拟合求得唯一的，平滑的钟差改正多项式用于确定真正的信号发射时刻并计算该时刻的卫星轨道位置，同时也用于将各站对各卫星的时间基准统一起来以估算它们之间的相对钟差当多项式拟合精度优于0.2ns时，可精确探测整周跳变，估算整周未知数钟差的的多项式形式为：式中a0,a1,a2为星钟参数，t0为星钟参数的参考历元由多个参考历元的卫星钟差，利用最小二乘法原理求定多项式系数ai，再由(9-3)式计算任一时刻的钟差因为GPS时间定义区间为一个星期，即秒，故当t-t0>(t0属于下一GPS周)时t应减去，t-t0<-(t0属于上一GPS周)时t应加上 观测值文件的标准化观测值文件是容量最大的文件观测值记录中有对应的卫星号，卫星高度角和方位角，C/A码伪距，L1、L2的相位观测值，观测值对应的历元时间，积分多普勒记数，信噪比等。

不同的接收机提供的数据记录有不同的格式例如观测时刻这个记录，可能采用接收机参考历元，也可能是经过改正归算至GPS标准时间在进行平差（基线向量的解算）之前，观测值文件必须规格化、标准化具体项目包括：①　记录格式标准化各种接收机输出的数据文件应在记录类型、记录长度和存取方式方面采用同一记录格式②　记录项目标准化每一种记录应包含相同的数据项如果某些数据项缺项，则应以特定数据如“0”或空格填上③　采样密度标准化各接收机的数据记录采样间隔可能不同，如有的接收机每15秒钟记录一次，有的则20秒钟记录一次标准化后应将数据采样间隔统一成一个标准长度标准长度应大于或等于外业采样间隔的最长的标准值采样密度标准化后，数据量将成倍数地减少，所以这种标准化过程也称为数据压缩数据压缩应在周跳修复后进行数据压缩常用多项式拟合法压缩后的数据应等价于被压缩区间内的全部数据，且保持各压缩数据的误差独立 数据单位的标准化数据文件中，同一数据项的量纲和单位应是统一的，例如，载波相位观测值统一以周为单位第2节 GPS基线向量的解算9.2.1 法方程的组成及解算1、方程式的组成在第五章中我们着重讨论了由双差观测值列出误差方程式，然后利用最小二乘平差原理求解基线向量的方法。

由于未知数个数和误差方程个数很多，平差解算的工作量很大本节将重点讨论9.2.2节法方程的组成及解算，双差观测值模型直接从第五章（5-51）式引用即：P为双差观测量权矩阵2、 权的确定在上面的法方程式中权P应如何确定?各观测量是相互独立还是相关？是我们必须关注的问题下面我们从单差观测量的相关性讨论出发，给出双差观测量的权的确定方法1）单差观测量的相关性 由单差的定义可知：观测站T1、T2，与历元t同步观测卫星Sj的观测量之差为：从上面的协方差阵可知，两观测站同步观测两颗不同卫星的单差，其间是不相关的这一结论可推广到一般情况2）双差观测量的相关性9.2.3 精度评定1.单位权中误差估值下面给出某一基线向量解算结果：基线端点号：01～05基线向量值：ΔX=-11675.629,ΔY=-2505.650,ΔZ=-3791.074,S=12584.391向量标准差：MX=0. MY=0. MZ=0. MS=0.0009相关系数阵： dx dy dzdx 1.dy -0. 1.dz -0. 0. 1.9.2.4 基线向量解算结果分析基线向量的解算是一个复杂的平差计算过程实际处理时要顾及时段中信号间断引起的数据剔除、劣质观测数据的发现及剔除、星座变化引起的整周未知参数的增加，进一步消除传播延迟改正以及对接收机钟差重新评估等问题。

基线处理完成后应对其结果作以下分析和检核：1 观测值残差分析平差处理时假定观测值仅存在偶然误差理论上，载波相位观测精度为1%周，即对L1波段信号观测误差只有2mm因而当偶然误差达1cm时，应认为观测值质量存在系统误差或粗差当残差分布中出现突然的跳变时，表明周跳未处理成功2 基线向量环闭合差的计算及检核由同时段的若干基线向量组成的同步环和不同时段的若干基线向量组成的异步环，其闭合差应能滞相应等级的精度要求其闭合差值就小于相应等级的限差值基线向量检核合格后，便可进行基线向量网的平差计算（以解算的基线向量作为观测值进行无约束平差）平差后求得各GPS之间的相对坐标差值，加上基准点的坐标值，求得各GPS点的坐标3.基线长度的精度基线处理后基线长度中误差应在标称精度值内多数接收机的基线长度标称精度为5～101～2ppmD（mm）.对于20km以内的短基线，单频数据通过差分处理可有效地消除电离层影响，从而确保相对定位结果的精度当基线长度增长时，双频接收机消除电离层的影响将明显优于单频接收机数据的处理结果4.双差固定解与双差实数解理论上整周未知数N是一整数，但平差解算得的是一实数，称为双差实数解将实数确定为整数在进一步平差时不作为未知数求解时，这样的结果称为双差固定解。

短基线情况下可以精确确定整周未知数，因而其解算结果优于实数解，但两者之间的基线向量坐标应符合良好（通常要求其差小于5cm）当双差固定解与实数解的向量坐标差达分米级时，则处理结果可能有疑，其中原因多为观测值质量不佳基线长度较长时，通常以双差实数解为佳。