第九章[1].GPS数据处理

181第九章GPS数据处理GPS接收机采集记录的是GPS接收机天线至卫星的伪距、载波相位和卫星星历等数据。如果采样间隔为15s，则每15s记录一组观测值，一台接收机连续观测一小时将有240组观测值。观测值中包含对4颗以上卫星的观测数据以及地面气象观测数据等。GPS数据处理就是从原始观测值出发得到最终的测量定位成果，其数据处理过程大致可划分为数据传输、格式转换(可选)、基线解算和网平差以及GPS网与地面网联合平差等几个阶段四个阶段。GPS测量数据处理的流程如图9-1所示。图9-1GPS测量数据处理流程第一节数据预处理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)；找出整周跳变点并修复观测值；对观测值进行各种模型改正。1GPS卫星轨道方程的标准化数据处理中要多次进行位置的计算，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。因此，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星历参数所对应卫星位置Pi(t)表达成时间t的多项式形式niniiitatataatP2210i)((9-1)利用拟合法求解多项式系数。解出的系数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。开始数据传输原始观测数据数据传输软件(功能模块)格式转换标推格式数据格式转换软件(功能模块)基线解算基线解算软件(功能模块)GPS基线向量解基线质量合格GPS基线向量网平差GPS网平差软件(功能模块)GPS点坐标基准转换参数及精度结束NY182拟合计算时，时间t的单位需规格化，规格化时间T为)()](2[11itttttTmmi(9-2)式中:Ti为对应于ti的规格化时间；tl和tm分别为观测时段开始和结束的时间。显然，对应于tl和tm的T1及T2分别为-1和+1。对任意时刻ti有1iT。需要指出的是，如果拟合时引进了规格化的时间，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标准时间系统之差ts)是多个数值，需要通过多项式拟合求得惟一的、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。当多项式拟合的精度优于±0.2ns时，可精确探测整周跳变，估算整周末知数。钟差的多项式形式为202010s)()(tttattaa(9-3)式中，ao，al，a2为星钟参数；t0为卫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，再由公式(9—3)计算任一时刻的钟差。因为GPS时间定义区间为一个星期，即604800s，故当t—t0＞302400(t0属于下一个GPS周)时，t应减去604800；t—t0＜—302400(t0属于上一个GPS周)时，t应加上6048000。3观测值文件的标准化不同的接收机提供的数据记录格式不同。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15s记录一次，有的则20s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大标准值。采样密度标准化后，数据量将成倍地减少，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。第二节GPS基线向量的解算在第三章GPS定位原理中，我们论述了利用载波相位观测值进行单点定位以及在观测值间求差，并利用求差后的差分观测值进行相对定位的原理和方法。在相对定位中常用双差观测值求解基线向量。本节将讨论利用载波相位观测值的双差观测值求解基线向量的方法。1GPS基线解算的基本原理1831.1观测值基线解算一般采用差分观测值，较为常用的差分观测值为双差观测值，即由两个测站的原始观测值分别在测站和卫星间求差后所得到的观测值。若在某一历元中，对k颗卫星数进行了同步观测，则可以得到k-1个双差观测值；若在整个同步观测时段内同步观测卫星的总数为l则整周未知数的数量为l-1。在进行基线解算时，双差观测值中电离层延迟和对流层延迟一般已消除。因此，基线解算时一般只有两类参数，一类是测站的坐标参数1,3CX，数量为31；另一类是整周未知数参数1,1mNX（m为同步观测的卫星数），数量为1m。1.2基线解算（平差）基线解算的过程实际上主要是一个平差的过程，平差所采用的观测值主要是双差观测值。在基线解算时，平差要分三个阶段进行，第一阶段进行初始平差，解算出整周未知数参数2和基线向量的实数解（浮动解）；在第二阶段，将整周未知数固定成整数；在第三阶段，将确定了的整周未知数作为已知值，仅将待定的测站坐标作为未知参数，再次进行平差解算，解求出基线向量的最终解-整数解（固定解）。1.3初始平差根据双差观测值的观测方程，组成误差方程后，然后组成法方程后，求解待定的未知参数其精度信息，其结果为：（1）待定参数：NCXXX(9-4)（2）待定参数的协因数阵：NNCNNCCCXXXXXXXXQQQQQ(9-5)（3）单位权中误差：(9-6)通过初始平差，所解算出的整周未知数参数NX本应为整数，但由于观测值误差、随机模型和函数模型不完善等原因，使得其结果为实数，因此，此时与实数的整周未知数参数对应的基线解被称作基线向量的实数解或浮动解。为了获得较好的基线解算结果，必须准确地确定出整周未知数的整数值。1.4整周未知数的确定确定整周未知数的整数值的方法有很多种，目前所采用的方法基本上是以下面将要介绍的搜索法为基础的。搜索法的具体步骤如下：(1)根据初始平差的结果NX和NNXXD3，分别以NX中的每一个整周未知数为中心，以它们中误差的若干倍4为搜索半径，确定出每一个整周未知数的一组备选整数值。(2)从上面所确定出的每一个整周未知数的备选整数值中一次选取一个，组成整周未知数的备选组，并分别以它们作为已知值，代入原基线解算方程，确定出相应的基线解：1在基线解算时将基线的一个端点的坐标作为已知值固定，解求另一个点。固定的点称为起点，待求的点称为终点。2此时所解求出的整周未知数为实数。3NNNNXXXXQD20。4可根据一定的置信水平来加以确定。nPVVT0ˆ184iCiXXiCiCXXiQQ(9-7)i0ˆ(3)从所解算出的所有基线向量中选出产生单位权中误差最小那个基线向量结果，作为最终的解算结果，这就是所谓的基线向量整数解（或称固定解）。iCiXXiCiCXXiQQ(9-8)i0ˆ不过当出现以下情况时，则认为整周未知数无法确定，而无法求出该基线向量的整数解。T最小次最小00ˆˆ(9-9)21;,ffFT(9-10)21;,ffF是置信水平为1时的F分布的接受域，其自由度为f和f。其中：最小次最小00ˆˆ称为RATIO值；i0ˆ也被称为RMS；)(Qtr称为RDOP值。1.5确定基线向量的固定解当确定了整周未知数的整数值后，与之相对应的基线向量就是基线向量的整数解。2GPS基线解算的分类2.1单基线解算2.1.1定义当有m台GPS接收机进行了一个时段的同步观测后，每两台接收机之间就可以形成一条基线向量，共有)1(21mm条同步观测基线，其中最多可以选出相互独立的1m条同步观测基线，至于这1m条独立基线如何选取，只要保证所选的1m条独立基线不构成闭和环就可以了。这也是说，凡是构成了闭和环的同步基线是函数相关的，同步观测所获得的独立基线虽然不具有函数相关的特性，但它们却是误差相关的，实际上所有的同步观测基线间都是误差相关的。所谓单基线解算，就是在基线解算时不顾及同步观测基线间的误差相关性，对每条基线单独进行解算。2.1.2特点185单基线解算的算法简单，但由于其解算结果无法反映同步基线间的误差相关的特性，不利于后面的网平差处理，一般只用在普通等级GPS网的测设中。2.2多基线解算2.2.1定义与单基线解算不同的是，多基线解算顾及了同步观测基线间的误差相关性，在基线解算时对所有同步观测的独立基线一并解算。2.2.2特点多基线解由于在基线解算时顾及了同步观测基线间的误差相关特性，因此，在理论上是严密的。3基线解算阶段的质量控制3.1质量控制指标3.1.1单位权方差因子(1)定义(9-11)其中：为观测值的残差；P为观测值的权；n为观测值的总数。(2)实质单位权方差因子又称为参考因子。3.1.2数据删除率(1)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。(2)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，说明观测值的质量越差。3.1.3RATIO(1)定义最小次最小RMSRMSRATIO(9-12)显然，0.1RATIO(2)实质RATIO反映了所确定出的整周未知数参数的可靠性，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5的好坏有关。3.1.4RDOP(1)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21))((QtrRDOP(9-13)5在GPS测量中的观测条件指的是卫星星座的几何图形和运行轨迹。0ˆVnPVVT02ˆ)(Qtr186RDOP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，而观测条件又是时间的函数，因此，实际上对与某条基线向量来讲，其RDOP值的大小与观测时间段有关。(2)实质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。3.1.5RMS(1)定义RMS即均方根误差（RootMeanSquare），即：1nPVVRMST(9-14)其中：V为观测值的残差；P为观测值的权；n为观测值的总数。(2)实质RMS表明了观测值的质量，观测值质量越好，RMS越小，反之，观测值质量越差，则RMS越大，它不受观测条件（观测期间卫星分布图形）好坏的影响。依照数理统计的理论观测值误差落在1.96倍RMS的范围内的概率是95%。3.1.6同步环闭合差(1)定义同步环闭合差是由同步观测基线所组成的闭合环的闭合差6。(2)特点及作用由于同步观测基线间具有一定的内在联系，从而使得同步环闭合差在理论上应总是为0的，如果同步环闭合差超限，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，但反过来，如果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。3.1.7异步环闭合差(1)定义不是完全由同步观测基线所组成的闭合环称为异步环，异步环的闭合差称为异步环闭合差。(2)特点及作用当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