1、1,GPS数据处理,兰州交通大学土木学院,2,GPS控制网的数据处理就是将采集的数据经测量平差后规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。 其过程大致可以分为观测数据的预处理、基线向量计算、基线向量网平差(无约束和约束)以及GPS网与地面网联合平差、评定精度等几个阶段。,3,数据处理流程： 数据传输数据预处理基线解算重复基线检验同步环检验异步环检验（以上为当天应完成的任务）重测与补测WGS-84中无约束平差网精度分析三维约束平差二维平差成果报告技术总结。,4,观测数据的预处理,5,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
2、加工成标准化文件； 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。,6,观测数据的预处理过程包括以下几个阶段： 1.预处理的准备工作 （1）数据传输 （2）数据分流，应自动将原始记录中的数据分为以下几个部分：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 （3）数据解码,7,2.数据预处理的内容 1) GPS卫星轨道方程的标准化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：,拟合计算时，时间t的单位需规格化，规格化时间T为：,8,2) 卫星钟差的标准化 来自广播星历的卫
3、星钟差具有多个数值，需要通过多项式拟合求得唯一的，平滑的钟差改正多项式。钟差的多项式形式为：,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。,9,3)观测值文件的标准化 （1）记录格式文件标准化 （2）采样密度标准化 （3）数据单位标准化,10,基线向量的解算,11,单基线平差模型 模型简单、易于编程实现 基线之间相关性被忽略 不易发现粗差,12,多基线（网络）平差模型 理论严密 基线之间相关性被考虑 模型复杂,13,具体处理中应注意以下几个问题：
4、（1）基线解算一般采用双差相位观测值，对于边长超过 30km的基线，解算时则可采用三差相位观测值。（2）卫星广播星历坐标值可作为基线解的起算数据。对于特大城市的首级控制网，也可采用其他精密星历作为基线解算的起算值。（3）基线解算中所需的起算点坐标，应按以下优先顺序采用: 国家 GPS A、B级网控制点或其他高级GPS网控制点已有的WGS-84坐标系坐标。 国家或城市较高等级控制点转到WGS-84坐标系后的坐标值。,14,不少于观测30分钟的单点定位结果的平差值提供的WGS-84系坐标。 （4）在采用多台接收机同步观测的一同步时段中，可采用单基线模式解算，也可以只选独立基线按多基线处理模式统一解
5、算。（5）同一等级的GPS网根据基线长度的不同可采用不同的数据处理模型。若基线长小于8km，需采用双差固定解；小于30km，可在双差固定解和双差浮点解中选择最优结果；大于30km时则可采用三差解作为基线解算结果。（6）在同步观测时间小于30分钟时的快速定位基线。应采用合格的双差固定解作为基线解算的最终结果。,15,双差基线模型,16,17,18,19,20,21,22,基线向量的解算结果分析基线解算后，可以通过RATIO(模糊度检验率指标) 、GDOP、RMS、单位权方差因子和数据删除率这几个质量指标来衡量基线解算的质量。,实质：反映观测值的质量，又称为参考方差 因子。越小越好。,1、单位权方
6、差因子,2、RMS - 均方根误差,实质：表明了观测值的质量，观测值质量越好，越小，反之，观测值质量越差，则越大，它不受观测条件（观测期间卫星分布图形）的好坏的影响。,25,3 、 RATIO(模糊度检验率指标) RATIO即整周模糊度分解后，次最小RMS与最小RMS的比值。即：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，也与观测条件的好坏有关。 RATIO是反映基线质量好坏的最关键值，通常情况下，要求RATIO值大于3。,26,4 、数据删除率 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
7、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。 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。,27,5、GDOP 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： GDOP 值的大小与基线位置、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，GDOP 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GDOP 值的大小与观测时间段有关。GDOP 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。,6、同步环闭合差定义：
8、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。实质：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。限值：,7、异步环闭合差定义：由独立基线所组成的闭合环称为异步闭合环，简称异步环异步环的闭合差称为异步环闭合差。实质：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格，要确定出哪些基线向量的
9、质量不合格，可以通过多个相邻的异步环或重复基线来进行。限值：,第八章 GPS数据处理,8、重复基线较（互）差定义：不同观测时段，对同一条基线的观测结果，就是所谓重复基线。这些观测结果之间的差异，就是重复基线较（互）差。实质：当重复基线较（互）差满足限差要求时，则表明这些基线向量的质量是合格的；否则，则表明这些基线向量中至少有一条基线向量的质量不合格，要确定出哪些基线向量的质量不合格，可以通过多重条件进行。限值：,31,影响GPS 基线解算结果因素的判别对于影响GPS 基线解算结果的因素，有些是较容易判别的，如卫星观测时间太短、周跳太多、多路径效应严重、对流层或电离层折射影响过大等，但对于另外一
10、些因素却不好判断了，如起点坐标不准确等。 1、基线起点坐标不准确的判别 对于由起点坐标不准确对基线解算质量造成的影响，目前还没有较容易的方法来加以判别。因此在实际工作中只有尽量提高起点坐标的准确度，以避免这种情况的发生。,32,2、卫星观测时间短的判别 关于卫星观测时间太短这类问题的判断比较简单，只要查看观测数据的记录文件中有关对与每个卫星的观测数据的数量就可以了。有些GPS后处理软件还输出了卫星的可见性图，这就更直观了。 3、周跳太多的判别 对于卫星观测值中周跳太多的情况，可以从基线解算后所获得的观测值残差上来分析。目前大部分的基线处理软件一般采用的是双差观测值，当在某测站对某颗卫星的观测值
11、中含有未修复的周跳时的，所有与此相关的双差观测值的残差都会出现显著的整数倍的增大。,33,4、多路径效应严重、对流层或电离层折射影响过大的判别：对于多路径效应、对流层或电离层折射影响的判别，我们也是通过观测值残差来进行的。不过与整周跳变不同的是，当多路径效应严重、对流层或电离层折射影响过大时，观测值残差不是象周跳未修复那样出现整数倍的增大，而只是出现非整数倍的增大。一般不超过1 周，但却又明显地大于正常观测值的残差。,几种典型的残差图,SV12存在周跳的残差图,第八章 GPS数据处理,SV25受不明影响的残差图,37,GPS网三维平差,38,GPS控制网是由相对定位所求得的基线向量而构成的空间
12、基线向量网。在GPS控制网的平差中，是以基线向量及协方差为基本观测量的。通常采用三维无约束平差、三维(二维)约束平差及三维(二维)联合平差三种平差模型。,39,一、 三维无约束平差 所谓三维无约束平差，就是GPS控制网中只有一个已知点坐标。三维无约束平差的主耍目的是考察GPS基线向量网本身的内符合精度以及考察基线向量之间有无明显的系统误差和粗差，其平差应不引入外部基准。或者引入外部基准，但并不会由其误差使控制网产生变形和改正。由于GPS基线向量本身提供了尺度基准和定向基准。故在GPS网平差时，只需提供一个位置基准。因此，网不会因为该基准误差而产生变形。所以是一种无约束平差。平差中引入基准的方法
13、一般为： 取网中任意一点的伪距定位坐标作为网的位置基准。,40,41,42,假定某一点的伪距观测值作为固定位置，设第K点为固定点，则基准方程为：,则误差方程可写成如下矩阵形式：,43,法方程可写成如下矩阵形式：,令 法方程可改写成如下矩阵形式：,求得最终的平差值如下：,44,后验单位权中误差为：,坐标未知数的方差估计值：,45,1、基线向量观测方程： WGS84坐标系与国家大地坐标系之间向量的坐标转换关系式为：,二、三维约束平差,所谓三维约束平差，就是以国家大地坐标系或地方坐标系的某些点的固定坐标、固定边长及固定方位为网的基准，将其作为平差中的约束条件，并在平差计算中考虑GPS网与地面网之间的
14、转换参数。,46,考虑转换参数后的GPS基线向量观测误差方程为,有时需要将空间直角坐标系转换为大地坐标系（以经纬度表示），因此应确立二者之间的关系,47,48,2：约束条件方程,1）对于已知点的坐标，其坐标约束条件为,2）对于地面已知的高精度测边值,49,3）对于地面已知的大地方位角,3：三维约束平差法方程的组成及解算,误差方程为：,约束方程为：,法方程为：,求得联系数K和未知数dB,50,平差后未知数的协议数阵为：,后验单位权方差估值为：,51,三、GPS网与地面网的联合平差,1）距离观测值的误差方程,2）方向观测值ij的误差方程：,52,3）方位观测值的误差方程,4）水准测量观测值的误差方
15、程,53,GPS控制网三维平差的主要流程,54,55,GPS基线向量网的二维平差,56,实际应用中以国家（或地方）坐标系的一个已知点和一个已知基线的方向作为起算数据，平差时将GPS基线向量观测值及其方差阵转换到国家（或地方）坐标系的二维平面（或球面）上，然后在国家（或地方）坐标系中进行二维约束平差。转换后的GPS基线向量网与地面网在一个起算点上位置重合，在一条空间基线方向上重合。这种转换方法避免了三维基线网转换成二维向量时地面网大地高不准确引起的尺度误差和变形，保证GPS网转换后整体及相对几何关系的不变性。转换后，二维基线向量网与地面网之间只存在尺度差和残余的定向差，因而进行二维约束平差时只要
16、考虑两网之间的尺度差参数和残余定向差参数。,57,1、GPS基线向量网的二维投影变换,基线向量网变换成地面网,58,设常规地面测量控制网的原点在国家大地坐标系中的大地坐标为（B0、L0、H0），（H0=h0+0），于是可求得该点在国家大地坐标系中的直角坐标（X0、Y0、Z0）。,其中，a、e2为国家大地坐标系参考椭球的长半径和第一偏心率。,59,再设GPS网中原点的三维直角坐标为(X0、Y0、Z0)，于是可求得GPS网平移至地面测量控制网原点的平移参数为 :,GPS网中各点坐标经下式变换就得到了在国家大地坐标系中的三维直角坐标 :,60,二维GPS网在国家大地坐标系内的投影变换（1/3）,为使
17、GPS网与地面测量控制网在起始方位上一致，可利用大地测量学中的赫里斯托夫第一微分公式，即使同一椭球面上的网互相匹配。公式如下:,其中：dB0、dL0为两网在原点上的纬、经度差；,Ds/s为两网在尺度上的差；,dA0为两网在起始方位上的差；,P1、P3、P4、Q1、Q3、Q4为微分公式的系数,61,GPS网经平移变换后，已在原点上与地面网完全重合，因此有:,在进行二维投影变换时，通常不确知两网在尺度上的差异（这一问题留待GPS网与地面网的约束平差时论述），因而可设 :,需要计算两网在起始方位上的偏差。为此，须计算地面网原点至起始方位点的大地方位角A0和GPS网在相应方位上的大地方位角A0差值:,62,这样，赫里斯托夫第一类微分公式就简化成:,最后得GPS网各点在国家大地坐标系内与此地面网点原点一致、起始方位一致的坐标为 :,在利用高斯正算公式或其它平面投影变换公式可得GPS各点在国家平面坐标系内的坐标X1和Y1。,63,2、GPS基线向量网的二维平差,A. GPS基线向量观测值的误差方程式,式中：x、y和dx、dy分别为转换后的二维基线向量观测值和待定点坐标改正数，d和d分别为尺度差和残余定向差数，当i点或j点为固定点时，相应的改正数为0。,64,B. 约束条件方程,(1) 边长约束条件,式中 :,65,(2)坐标方位角约束条件,式中:,66,结 束,
