GPS控制网的数据处理

1、第七章GPS控制网的数据处理一、教学目的掌握：GPS数据处理的基本过程，GPS的高程系统。理解：基线网独立平差的目的，GPS网与地面网的三维平差的意义。了解：GPS水准的应用。第一张幻灯片 强调本章的重 点、难点，在学 习过程中要格外 注意。二、教学内容1. 观测数据的预处理2. GPS基线向量的解算3. GPS基线向量网独立平差4. 坐标系统的转换5. GPS网与地面网的三维平差6. GPS网与地面网的二维平差7. GPS的高程计算三、教学重点和难点就本章主要内容 向同学们做简要 介绍。重点：GPS的高程系统，“几何法” GPS水准的定义及作用。难点：基线向量解算的平差方法。四、教学方法通过板书与多媒体相结合的办法形象地介绍GPS控制网的数据处理。参考 椭球面 坐标野外数据结合第3张幻灯片讲述数据处理的目的，并解释参考椭球和投影的概念。结合图片解 释数据处理过 程。数据处理目的:将采集的数据,经测量平差后，归化到参考椭球面 上并投影到所采用的平面上，得到点的准确位置。当前投影)/参考面V坐标第一节观测数据的预处理、概述GPS测量数据处理的基本过程可分为：数据采集、数据传输、预处理，

2、基线解算，网平差计算，坐标系统转换，与原有地面网的联合平差等基本 步骤，其过程如图7 1所示。1. GPS数据处理的特点(板书)详细解释数 据处理的4个特 点。(第6张片)(1) 海量的数据(2) 复杂的处理过程(3) 多样的数学模型(4) 自动化程度高2. 预处理的主要内容(板书)解释预处理的 流程和主要内 容。(第8张片)主要目的是对原始观测数据进行编辑、加工与整理，剔除粗差，删除 无效无用数据，分流出各种专用的信息文件，为下一步的平差计算做准备。(1) 数据传输(2) 数据分流达到的目 的：对数据处理 有初步的了解和 认识。(3) 观测数据的平滑滤波检验(4) 统一数据文件格式(5) 卫星轨道方程的标准化(6) 探测整周跳变、修复载波相位观测值(7) 对观测值进行电离层、对流层等各种模型改正二、预处理的准备工作1. 数据传输GPS接收机采集的数据可以记录在专用盒式磁带上，或接收机的内存 模块内。目前大多数GPS接收机采集的数据都是记录在内存模块内，以方 便外业观测。在进行数据预处理之前，首先要将观测数据从GPS接收机的 内存模块传输至计算机。2. 数据分流(板书)在进行数据传输的

3、同时，利用数据处理软件将原始记录中的各项观测 数据进行分类整理，剔除无效观测值和冗余信息，自动生成以下四个数据 文件。(1) 观测值文件(2) 星历参数文件(3) 电离层参数和UTC参数文件(4) 测站信息文件3. 数据解码经数据分流后生成的四个数据文件中，除测站信息文件外，其余均为 二进制数据文件。为便于分析研究，而且更重要的是为数据文件标准化做 准备，必须将它们解译成能直接识别的文件。三、数据预处理的内容详细讲述三个 标准化的主要内 容，对标准化的 具体方法要有所 认识。(第11张 片)GPS数据预处理的目的是：对数据进行平滑滤波检验，剔除粗差；统 一数据文件格式并将其加工成标准化文件，找出整周跳变点并进行修复， 确定整周未知数的初值；对观测值进行各种模型改正。此处我们仅讨论卫 星轨道方程标准化、星钟多项式标准化和观测值文件标准化问题。1. GPS卫星轨道方程的标准化从理论上讲，根据卫星星历数据就可以计算出观测时段内任一时刻任 一卫星的空间位置和速度。但是在实际观测时，由于星历来源不同，其数 据格式及相应的计算位置和速度的公式也不相同。另外，GPS广播星历每 小时更新一次，即每小时

4、就有一组独立的星历参数。当用相邻两组星历计 算同一时刻的卫星位置时，将会得出不同的结果，从而给两组独立轨道的 邻接点及其附近点处的整周跳变探测、修复和观测值残差分析带来许多不 确定性因素。因此，在实际平差之前采用以时间为变元的多项式拟合法， 建立一组标准化的轨道方程来覆盖整个观测时段，使观测时段的卫星轨道 标准化。2. 卫星钟差的标准化当星钟改正数来自广播星历时，若观测时段跨整点，则也会有两组或多 组星钟改正数，这就需要建立整个观测时段内连续、唯一且平滑的钟差改 正多项式。建立钟差改正多项式，主要是为了确定真正的信号发射时刻，以便计 算该时刻的卫星轨道位置。另外，还可以统一各站对卫星的时间基准，以 便估算它们之间的相对钟差。当多项式拟合的精度优于土0.2ns时，可精确 探测整周跳变，估算整周未知数。3. 观测值文件的标准化由于接收机不同，其数据记录格式也不相同，在轨道方程标准化后， 仍需对观测值文件标准化，才能同时输入主处理程序进行平差计算。观测值文件标准化主要有以下内容：(1) 记录格式标准化经数据解码分流等处理后，提供的观测值文件应是与接收机类型无关 的记录格式标准化的数据文件，即

5、各种GPS接收机输出的数据文件应在存 取方式、记录类型，记录长度都采用同一记录格式。(2) 记录格式与项目标准化标准化文件中的记录类型数量、类型代码、每一种类型的记录及数据 项个数都应采用同一记录格式。(3) 采样密度标准化由于各接收机的数据记录采样间隔可能不同，因此，标准化后应将数 据采样间隔统一成一标准长度。为此应满足以下两个条件：一是标准长度 应大于或等于外业采样间隔最长的标准值；二是标准长度是任一测站任一 接收机采样间隔的整数倍。采样密度标准化后，数据量将成倍减少，故也 称数据压缩。数据压缩工作应在整周跳变修复完成后进行。数据压缩后应等价于被 压缩区间内的全部数据，在GPS观测数据压缩中常用多项式拟合法，并保 持各压缩数据间的误差独立。(4) 数据单位标准化在进行观测值文件标准化时，用户一定要遵循所用处理软件的有关数 据文件的技术标准，才能进行正常处理并获得可靠的结果。为了不损害观测值的原始性，对观测值施加的各种模型改正，不应并 入观测值内，如大气折射改正等应独立计算，并在最后处理中将改正后的 观测值用于计算误差方程的自由项，以便分析模型误差讲解什么是 基线向量和基线 长度。（

6、板书给出 定义）结合14-22 幻灯片讲解误差 方程的列立、法 方程的组成与解 算以及精度评定第二节GPS基线向量的解算GPS相对定位的结果确定测站点间的相对位置关系。这种相对位置关 系通常用空间直角坐标差（ j, j & 或大地坐标差 （巴，七，国司）表示。我们称这种点位间的相对位置量为基线向量， 对应于两点间的长度称为基线长度。为了通过平差计算求解观测站之间的基线向量，一般均取相位观测值 的线性组合，即差分模型。这里以双差观测值作为平差解算时的观测量，以测站间的基线向量坐标b = （Ax，Ay，&）t为主要未知量，建立误差 方程式、法方程求解基线向量。解算结果分析GPS观测值由于受到GPS卫星信号的发射、传播和接收的误差影响，其中包含有各种误差。这些误差一般可以采用适当的作业模式或通过 附加模型改正等方法加以消除或减弱，经过基线解算后，在基线向量观测 值中仍可能存在某些系统误差或粗差。故在基线处理完成后应对其结果进 行下列分析。讲解如何对 基线的处理结果 进行分析，以及 分析所包括的内 容。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。理论上，载 波相位观测精度为

7、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。观测残差分布合理与否主要体现在平差后的单位权中误差估值上，根 据基线长度一般要求在0.05周以下，否则表明观测值中存在某些系统误差 或粗差。2. 处理基线结果的精度（1）验后单位权方差检验。采用X 2检验法对验后单位权方差进行 检验，是否与理论值相近。（2）基线长度的精度。要求处理后基线长度中误差应符合标称精度， 目前大多数商用软件的基线长度标称精度公式为510 mm+12X10-6- s。（3）双差固定解与双差实数解之间的差值。理论上整周未知数N为一 整数，但其平差值为一实数，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，这样的结果称为双差固定解。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。基线长度较长时，以双差实数解为最佳。3. 粗差检测对GPS基线向量观测值的粗差检验和模型误差

8、辨识，一般是利用由基 线向量构成的多边形闭合差进行。4. 粗差定位当经过检验，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。应为每个基线向量观测值匕都 是由三维坐标差构成的相关观测值，而各基线向量之间一般认为是独立的。 因此，从模式识别技术的观点看，粗差定位实质上是分析粗差向量落在哪 些基线向量L1的系数矩阵&所形成的特征子空间内的概率问题。由基线网平差的 目的，引伸出平 差的主要方法。 重点介绍经典自 由网平差方法。（26-31 片）第三节GPS基线向量网独立平差GPS基线网平差的目的就是为了消除基线网中各类图形闭合条件的不 符值，并建立网的基准，即网的位置、方向和尺度基准。基线向量本身已 经确定了方向和尺度基准，与网的平差方法无关，而网的位置基准则与平 差的方法密切相关。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。经典自由网平差是仅具有必要起始数据的平差方法， 例如取GPS网中任一点的伪距定位坐标，作为GPS网点坐标的起算数据。 亏秩自由网平差是一种不需必要起始数据的平差方法，有自由网伪逆和拟 稳平差两种。它是在最小范

9、数条件下，基线网的位置基准由网点坐标近似 值的平均值（称为重心坐标）所规定。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。第四节坐标系统的转换GPS定位系统采用的是WGS-84大地坐标系，属于协议地心坐标系，而 实用的测量成果是属于某一国家坐标系或地方坐标系，为参心坐标系。由 于两者的原点位置与坐标轴的指向不同，存在着平移和旋转的关系，因此 必须解决GPS定位成果的坐标转换问题。了解三维平 差的基本概念， 以及平差未知数 选取的几种形 式。第五节GPS网与地面网的三维平差、概述建立的GPS定位网的几种形式；（1）将已有的国家控制点作为固定点，应用GPS技术加密控制网。(2) 考虑与已有的测量成果的衔接，应用GPS技术建立新的定位网。(3) 对原有的地面控制网进行改造和扩充。了解平差方程的 列立，以及所采 用的数学模型。(板书)GPS网与地面网的三维平差，一般来说，可依两网的原始观测量为根 据，也可依两网单独平差的结果为根据。考虑到以两网原始观测量为根据 的联合平差，数据处理量比较庞大，处理过程较为复杂，同时也考虑到现 有地面网都已完成了平差计算。所以，为了简化计算和充分利用原有成果， 三维平差通常可在地面网和GPS网单独平差的基础上进行。这时，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，这种平差形式称为GPS网在地面坐标系中的三维约束平差。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。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

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