GPs课件第九章GPS测量数据处理

第九章GPS测量数据处理中国矿业大学环境与测绘学院王坚第九章GPS测量数据处理§9-1GPS测量数据处理概述§9-2GPS基线向量的解算§9-3GPS定位成果的坐标转换§9-4GPS基线向量网平差§9-5GPS高程9-1GPS测量数据处理概述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。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。1.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：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。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：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。2.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604800秒，故当t-t0302400(t0属于下一GPS周)时t应减去604800，t-t0-302400(t0属于上一GPS周)时t应加上604800。3.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。④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。9.2GPS基线向量的解算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.本节重点将讨论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引用，不作为必修内容。有兴趣的同学可自学，自学方式为：课后在网上通过与教师讨论的形式进行。故9.2.1双差观测模型部分（省略）。9.2.2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引用即：()()()()()1221212/()()()[(()()()()]22222012012kjjjkkDDtttttiiiiixjjkkkkkkkfcltmtntyNfcttttz（9-4）令：()jkkNtNN（9-5）()/(()()()())()20120112jjjkkkkLtfcttttDDt（9-6）误差方程式的形式为：2()/()()()()22222xkkkkkkVtfcltmtntyNLtz（9-7）式中：121()()()()TjnVtVtVtVt当两站同步观测的卫星数为jn时，误差方程式如下：2()()()()VtAtXBtNLt（9-8）式中：111()()()222222()()()222()/111()()()222100010()2222001121()()()()1ltmtntltmtntAtfcjjjnnnltmtntTBtXxyzTjnLtLtLtLtNN21TjnNN如果在基线两端对同一组卫星观测的历元数为nt，相应的误差方程式组为：2XVABLN（9-9）式中：()()()()()()1212()()()12()()()12TTAAtAtAtBBtBtBtntntTVVtVtVtntTLLtLtLtnt相应的法方程式：N△X+U=0(9-10)式中：2TTNABPABXXNTUABPL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：()()()21jjjttt（9-11）如果同一历元，还同步观测了另一颗卫星Sk，则同理可得：由矩阵表示为：()()()trtt（9-12）式中各量表示为：1212()()()()()kkjjTttttt1100()0011rt观测量单差的方差和协方差阵：()()()()TDtrtDtrt（9-13）由于：2()()DtEtE(t)：单位矩由此得：102()201()()()21Dtkkkttt（9-14）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设在观测站T1、T2，与历元t同步观测卫星Si、Sj、Sk,并取Si作为参考星，则：()()()()()()jjitttkkittt（9-15）由矩阵表示为：()()()trtt（9-16）式中各量表示为：Ttktjtit)()()()(101011)(tr观测量双差的方差和协方差阵:()()()()TDtrtDtrt（9-17）2()2()DtEt由于：由此得：212()212Dt（9-18）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双差，其间是相关的。由此可得到权阵:2111()23212Pt（9-19）当同步观测nj颗卫星时，相应的权阵为：1111111()22111jnjnPtjnjn（9-20）如果同步观测历元数为nt时，则相应双差的权阵为：()001()0200()PtPtPPtnt（9-21）9.2.3精度评定1.单位权中误差估值)229()2(0knPVVmT2.平差值的精度估计：未知数向量X中任一分量的精度估值为:)239(10xixipmm式中，Pxi由N-1中对角元素求得:xixixiQp1基线长212012212012212012ZzYyXxb，在012012012,,ZYX处展开后:(924)TbfX由协因数传播定律可得:TbbXQfQf基线长度b中误差估值为:)259(0bbbQmm基线长度相对中误差估值为:)269(10/6bmfbb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=0.0010466MY=0.0013094MZ=0.0016443MS=0.0009相关系数阵：dxdydzdx1.000000dy-0.5998171.000000dz-0.2216410.5455511.0000009.2.4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