第七章-GPS测量数据处理

1、第七章第七章 GPS测量数据处理测量数据处理 GPS接收机采集记录的是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接收机天线至卫星伪距、载波相位和卫星星历等数据。 其数据处理过程大致分为其数据处理过程大致分为: GPS测量数据的基线向量解算测量数据的基线向量解算; GPS基线向量网平差基线向量网平差; GPS网平差或与地面网联合平。网平差或与地面网联合平。 第七章第七章 GPS测量数据处理测量数据处理 目的：目的：将采集的数据经测量平差后规化到参考椭球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。面上并投影到所采用的平面上，

2、得到点的准确位置。 第七章第七章 GPS测量数据处理测量数据处理 数据传输数据传输 数据传输的同时进行数据分流，生成四个数据文件：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载波相位和伪距观测值文件; 星历参数文件星历参数文件; 电离层参数电离层参数; UTC参数文件、测站信息文件参数文件、测站信息文件. 第七章第七章 GPS测量数据处理测量数据处理 观测值文件是容量最大的文件。观测值文件是容量最大的文件。观测值记录中有对应的观测值记录中有对应的 卫星号，卫星高度角和方位角，卫星号，卫星高度角和方位角，CA码伪距，码伪距，L，、，、L2的相位观的相位观 测值，观测值

3、对应的历元时间，积分多普勒记数，信噪比等。测值，观测值对应的历元时间，积分多普勒记数，信噪比等。 星历参数文件星历参数文件包含所有被测卫星的轨道位置信息，根据这些信息包含所有被测卫星的轨道位置信息，根据这些信息 可以计算出任一时刻卫星的位置。可以计算出任一时刻卫星的位置。 电离层参数和电离层参数和UTC参数文件中参数文件中，电离层参数用于改正观测，电离层参数用于改正观测 值的电离层影响，值的电离层影响，UTC参数用于将参数用于将GPS时间修正为时间修正为UTC时间时间. 第七章第七章 GPS测量数据处理测量数据处理 测站信息文件测站信息文件包含测站名、测站号、测站的概略坐标、接收包含测站名、测

4、站号、测站的概略坐标、接收 机号、天线号、天线高、观测的起止时间、记录的数据量、初步定机号、天线号、天线高、观测的起止时间、记录的数据量、初步定 位成果等。位成果等。 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。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。数据文件标准化。 第七章第七章 GPS测量数据处理测量数据处理 数据预处理数据预处理 GPS数据预处理的目的是数据预处理的目的是: q 对数据进行

5、平滑滤波检验，剔除粗差；对数据进行平滑滤波检验，剔除粗差； q 统一数据文件格式并将各类数据文件加工成标准化文件统一数据文件格式并将各类数据文件加工成标准化文件(如如GPS卫卫 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 等等); q 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. 第七章第七章 GPS测量数据处理测量数据处理 基线向量的解算及网平差基线向量的解算及网平差 基线处理完成后应对其结果作以下分析和检核：基线处理完成后应对其结果作以下分析和检核： 观测值残差分

6、析。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论上，载波相位观测精度为1周，即对周，即对Ll波段信号观测误差只有波段信号观测误差只有 2mm。因而当偶然误差达因而当偶然误差达1cm时，应认为观测值质量存在系统误差时，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。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。 基线长度的精度。基线长度的精度。处理后基线长度中误差应在标称精度值内。处理后基线长度中误差应在标称精度值内。 多数双频接收机的基线长度标称精度为多数双频接收机的

7、基线长度标称精度为5lppmD(mm)，单频接收单频接收 机的基线长度标称精度为机的基线长度标称精度为102ppmD(mm)。 第七章第七章 GPS测量数据处理测量数据处理 对于对于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. 基线向量环闭合差的计算及检核。基线向量环闭合差的计算及检核。由同时段的若干

8、基线向量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 应能满足相应等级的精度要求。其闭合差值应小于相应等级的限差应能满足相应等级的精度要求。其闭合差值应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(以解以解 算的基线向量作为观测值进行无约束平差算的基线向量作为观测值进行无约束平差)，平差后求得各，平差后求得各GPS之之 间的相对坐标差值，加上基准点的坐标值，求得各间的相对坐标差值，加上基准点的坐标值，求得各GPS点的坐标

9、。点的坐标。 第七章第七章 GPS测量数据处理测量数据处理 GPS基线向量的解算基线向量的解算 q 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。后的差分观测值进行相对定位的原理和方法。 q 在相对定位中常用双差观测值求解基线向量。在相对定位中常用双差观测值求解基线向量。 q 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。线向量的方法。 第七章第七章 GPS测量数据处理测量数据处理 GPS定位成果定

10、位成果:(包括单点定位的坐标以及相对定位中包括单点定位的坐标以及相对定位中 解算的基线向量解算的基线向量)属于属于WGS-84大地坐标系大地坐标系. 实用的测量成果实用的测量成果:往往是属于某一国家坐标系或地方往往是属于某一国家坐标系或地方 坐标系坐标系(或叫局部的、参考坐标系或叫局部的、参考坐标系). 参考坐标系与参考坐标系与WGS-84坐标系之间存在着平移和旋转关系。坐标系之间存在着平移和旋转关系。 第七章第七章 GPS测量数据处理测量数据处理 GPS定位结果的表示方法定位结果的表示方法 GPS定位有单点绝对定位和点间相对定位两种方法，定位定位有单点绝对定位和点间相对定位两种方法，定位 结

11、果的表示形式也随结果的性质不同而不同，但都以结果的表示形式也随结果的性质不同而不同，但都以 WGS-84坐标系作为参考体。坐标系作为参考体。 第七章第七章 GPS测量数据处理测量数据处理 单点定位单点定位:确定的是点在确定的是点在WGS-84坐标系中的位置。大坐标系中的位置。大 地测量中点的位置常用大地纬度地测量中点的位置常用大地纬度B，大地经度大地经度L和大地和大地 高高H表示，也常用三维直角坐标表示，也常用三维直角坐标X、Y、Z表示。表示。 相对定位相对定位:确定的是点之间的相对位置，因而可以用直确定的是点之间的相对位置，因而可以用直 角坐标差角坐标差X、 Y、 Z表示，也可以用大地坐标差

12、表示，也可以用大地坐标差 B、 L和和 H表示。表示。 第七章第七章 GPS测量数据处理测量数据处理 GPS定位成果的坐标转换定位成果的坐标转换 在同一坐标系统内在同一坐标系统内: (XYZ)与与(BLH)之间的转换见第二章之间的转换见第二章21中的公式中的公式 (23)和公式和公式(24)。 不同坐标系统之间的转换不同坐标系统之间的转换: 利用已知重合点的三维直角坐标进行坐标转换；利用已知重合点的三维直角坐标进行坐标转换； 利用已知重合点的三维大地坐标进行坐标转换；利用已知重合点的三维大地坐标进行坐标转换； 利用已知重合点的二维高斯平面坐标进行坐标转换；利用已知重合点的二维高斯平面坐标进行坐

13、标转换； 利用已知重合点的二维大地坐标进行坐标转换。利用已知重合点的二维大地坐标进行坐标转换。 第七章第七章 GPS测量数据处理测量数据处理 坐标转换问题坐标转换问题 坐标表示方法：坐标表示方法：经纬度和高程，空间直角坐标，平面坐经纬度和高程，空间直角坐标，平面坐 标和高程。标和高程。 WGS-84坐标是经纬度和高程坐标是经纬度和高程; 北京北京54坐标是平面坐标和高程。坐标是平面坐标和高程。 清楚转换的严密性问题，在同一个椭球里的转换都是严密清楚转换的严密性问题，在同一个椭球里的转换都是严密 的，而在不同的椭球之间的转换这时不严密的。的，而在不同的椭球之间的转换这时不严密的。(在在 WGS-

14、84坐标和北京坐标和北京54坐标之间是不存在一套转换参数可以全国通坐标之间是不存在一套转换参数可以全国通 用的，在每个地方会不一样，因为它们是两个不同的椭球基准用的，在每个地方会不一样，因为它们是两个不同的椭球基准)。 第七章第七章 GPS测量数据处理测量数据处理 坐标转换坐标转换: 严密的是用七参数法，即严密的是用七参数法，即X平移，平移，Y平移，平移，Z平平 移，移，X旋转，旋转，Y旋转，旋转，Z旋转，尺度变化旋转，尺度变化K。 q 要求得七参数就需要在一个地区需要要求得七参数就需要在一个地区需要3个以上的已知点，个以上的已知点， q 如果区域范围不大，最远点间的距离不大于如果区域范围不大

15、，最远点间的距离不大于30Km(经验经验 值值)，这可以用，这可以用三参数三参数，即，即X平移，平移，Y平移，平移，Z平移，而将平移，而将 X旋转，旋转，Y旋转，旋转，Z旋转，尺度变化旋转，尺度变化K视为视为0，所以三参数，所以三参数 只是七参数的一种特例。只是七参数的一种特例。 第七章第七章 GPS测量数据处理测量数据处理 在一个椭球的不同坐标系中转换需要用到四在一个椭球的不同坐标系中转换需要用到四 参数转换，举个例子，在深圳既有北京参数转换，举个例子，在深圳既有北京54坐标坐标 又有深圳坐标，在这两种坐标之间转换就用到又有深圳坐标，在这两种坐标之间转换就用到 四参数，计算四参数需要两个已知

16、点。四参数，计算四参数需要两个已知点。 第七章第七章 GPS测量数据处理测量数据处理 实例：实例： 转换要求：转换要求： 现在举个例子说明：在珠江有一个测区，现在举个例子说明：在珠江有一个测区， 需要完成需要完成WGS-84坐标到珠江坐标系（坐标到珠江坐标系（54椭球）椭球） 的坐标转换，整个转换过程是这样的：的坐标转换，整个转换过程是这样的： 第七章第七章 GPS测量数据处理测量数据处理 基线向量网平差基线向量网平差 将不同时段观测的基线向量互相联结成网，称为将不同时段观测的基线向量互相联结成网，称为 GPS基线向量网基线向量网。GPS基线向量网的平差是以基线向量网的平差是以GPS基线基线

17、向量为观测值，以其方差阵之逆阵为权，进行平差计算，向量为观测值，以其方差阵之逆阵为权，进行平差计算， 消除许多图形闭合条件不符值，求定各消除许多图形闭合条件不符值，求定各GPS网点的坐标网点的坐标 并进行精度评定。并进行精度评定。 第七章第七章 GPS测量数据处理测量数据处理 GPS基线向量网的平差基线向量网的平差: 经典的自由网平差，又叫无约束平差经典的自由网平差，又叫无约束平差 平差时固定网中某一点的坐标，平差的主要目的是检验平差时固定网中某一点的坐标，平差的主要目的是检验 网本身的内部符合精度以及基线向量之间有无明显的系统网本身的内部符合精度以及基线向量之间有无明显的系统 误差和粗差，同

18、时为用误差和粗差，同时为用GPS大地高与公共点正高大地高与公共点正高(或正常高或正常高) 联合确定联合确定GPS网点的正高网点的正高(或正常高或正常高)提供平差处理后的大地提供平差处理后的大地 高程数据高程数据. 非自由网平差，又叫约束平差非自由网平差，又叫约束平差 平差时以国家大地坐标系或地方坐标系的某些点的坐标，平差时以国家大地坐标系或地方坐标系的某些点的坐标， 边长和方位角为约束条件，顾及边长和方位角为约束条件，顾及GPS网与地面网之间的转网与地面网之间的转 换参数进行平差计算换参数进行平差计算. 第七章第七章 GPS测量数据处理测量数据处理 GPS网与地面网联合平差网与地面网联合平差

19、即除了即除了GPS基线向量观测值和约束数据以外，还有基线向量观测值和约束数据以外，还有 地面常规测量值如边长、方向和高差等，将这些数据一地面常规测量值如边长、方向和高差等，将这些数据一 并进行平差。非自由网平差与联合平差一般是在国家坐并进行平差。非自由网平差与联合平差一般是在国家坐 标系或地方坐标。系内进行，平差完成后网点坐标已属标系或地方坐标。系内进行，平差完成后网点坐标已属 于国家坐标系或地方坐标系，因而这两种平差方法是解于国家坐标系或地方坐标系，因而这两种平差方法是解 决决GPS成果转换的有效手段。成果转换的有效手段。 第七章第七章 GPS测量数据处理测量数据处理 GPS基线向量网的无约

20、束平差基线向量网的无约束平差 GPS基线向量网无约束平差常用的是三维无约束平差法。基线向量网无约束平差常用的是三维无约束平差法。 引入位置基准的方法有引入位置基准的方法有: q 网中有高级的网中有高级的GPS点时，将高级点时，将高级GPS点的坐标点的坐标(属属WGS-84坐标系坐标系) 作为网平差时的位置基准；作为网平差时的位置基准； q 网中无高级网中无高级GPS点时，取网中任一点的伪距定位坐标作为固定网点时，取网中任一点的伪距定位坐标作为固定网 点坐标的起算数据；点坐标的起算数据； q 引入合适的近似坐标系统下的亏秩自由网基准。引入合适的近似坐标系统下的亏秩自由网基准。 第七章第七章 GP

21、S测量数据处理测量数据处理 第七章第七章 GPS测量数据处理测量数据处理 需要注意的是需要注意的是: q 无论是取一个点的单点定位值作为位置基准，还是按秩亏平差由无论是取一个点的单点定位值作为位置基准，还是按秩亏平差由 式取重心基准，因式取重心基准，因GPS单点定位值的精度不高，所以，经单点定位值的精度不高，所以，经GPS网网 平差后，各个平差后，各个GPS点在点在WGS-84坐标系中的坐标值精度也较低坐标系中的坐标值精度也较低. q 但是，它们相对于网的位置基准，则具有相当高的精度；平差中但是，它们相对于网的位置基准，则具有相当高的精度；平差中 求得的点位精度，也就是各个求得的点位精度，也就

22、是各个GPS点相对于点相对于GPS网位置基准的精网位置基准的精 度度. q 从这个意义上说，该从这个意义上说，该GPS网中各点的坐标并不属于真正的网中各点的坐标并不属于真正的WGS- 84坐标系，而只是属于一种独立的坐标系统，当然，这个独立坐坐标系，而只是属于一种独立的坐标系统，当然，这个独立坐 标系相应的椭球几何参数与标系相应的椭球几何参数与WGS-84坐标系相同坐标系相同. 第七章第七章 GPS测量数据处理测量数据处理 GPS基线向量网的约束平差基线向量网的约束平差 目的目的:是求定是求定GPS点在国家坐标系中的坐标值。因此，平点在国家坐标系中的坐标值。因此，平 差中一般都含有一些地面数据

23、。差中一般都含有一些地面数据。 也就是说，也就是说，GPS网在国家坐标系中进行三维平差，实际上网在国家坐标系中进行三维平差，实际上 是是GPS与地面数据的联合平差联合平差中与地面数据的联合平差联合平差中GPS测量数测量数 据，仍然是据，仍然是GPS基线向量观测值而地面数据有两种，一基线向量观测值而地面数据有两种，一 种是地面起算数据；一种是地面常规测量所得的观测数种是地面起算数据；一种是地面常规测量所得的观测数 据据 第七章第七章 GPS测量数据处理测量数据处理 地面起算数据有：地面起算数据有： 1某些点在国家坐标系中的大地纬度和大地经度得到。一般是由已某些点在国家坐标系中的大地纬度和大地经度

24、得到。一般是由已 知的高斯平面坐标反算知的高斯平面坐标反算. 2某些点在国家坐标系中的大地高，因为一般是已知一些点的正常某些点在国家坐标系中的大地高，因为一般是已知一些点的正常 高高(或正高或正高)，需要加上相应的高程异常，需要加上相应的高程异常(或大地水准面差距或大地水准面差距)才得到才得到 大地高。所以，这些点的大地高往往不能都作为固定值，而只取一大地高。所以，这些点的大地高往往不能都作为固定值，而只取一 个点的大地高作为起算数据；且已知大地高的个点的大地高作为起算数据；且已知大地高的GPS点不一定与已知点不一定与已知 大地纬度和大地经度的点重合大地纬度和大地经度的点重合 3某些点间的已知

25、空间距离，因为这些空间距离一般也含有误差，某些点间的已知空间距离，因为这些空间距离一般也含有误差， 所以也可以当作距离观测值。所以也可以当作距离观测值。 4某些点间在国家坐标系中的大地方位角，通常是为了确定网的方某些点间在国家坐标系中的大地方位角，通常是为了确定网的方 位基准而给定的位基准而给定的. 第七章第七章 GPS测量数据处理测量数据处理 地面观测数据主要有：地面观测数据主要有： 1空间距离观测值，一般是由电磁波测距仪观测得空间距离观测值，一般是由电磁波测距仪观测得.需要需要 注意的是，应将观测结果归算为两点的标石中心之间的注意的是，应将观测结果归算为两点的标石中心之间的 空间距离，而不

26、是直接测得的斜距，也不是两点间的平空间距离，而不是直接测得的斜距，也不是两点间的平 面距离。面距离。 2椭球面上的方向观测值椭球面上的方向观测值，即不加方向改化的方向观测即不加方向改化的方向观测 值。值。 第七章第七章 GPS测量数据处理测量数据处理 三维约束平差三维约束平差 GPS基线向量网的三维约束平差可以在国家基线向量网的三维约束平差可以在国家(或地方或地方)大地大地 坐标系中进行，约束条件是地面网点的固定坐标，固定坐标系中进行，约束条件是地面网点的固定坐标，固定 大地方位角和固定空间弦长，平差结束后同时完成了坐大地方位角和固定空间弦长，平差结束后同时完成了坐 标系统的转换标系统的转换.

27、 第七章第七章 GPS测量数据处理测量数据处理 二维约束平差二维约束平差 当应用当应用GPS定位的目的主要是为了得到定位的目的主要是为了得到GPS点的水平位置点的水平位置 时，也可以采用时，也可以采用GPS网的二维平差方法。网的二维平差方法。 要点要点: 首先将三维的首先将三维的GPS基线向量变换为地面坐标系统中基线向量变换为地面坐标系统中 的二维高斯平面坐标差，并称之为二维的二维高斯平面坐标差，并称之为二维GPS基线向量。基线向量。 然后在平面坐标系中对然后在平面坐标系中对GPS网进行二维平差，求得网进行二维平差，求得GPS 点在地面坐标系中的平面坐标点在地面坐标系中的平面坐标 第七章第七章

28、 GPS测量数据处理测量数据处理 二维约束平差二维约束平差 实际应用中以国家实际应用中以国家(或地方或地方)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基线向量观测值及其方差阵转换到国家(或地方或地方)坐坐 标系的二维平面标系的二维平面(或球面或球面)上，然后在国家上，然后在国家(或地方或地方)坐标系中进行二维约束平坐标系中进行二维约束平 差。转换后的差。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

29、上重合。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基线向量时地面网大地高不准确这种转换方法避免了三维基线网转换成二维基线向量时地面网大地高不准确 引起的尺度误差和变形，保证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。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考虑两网之间的尺度差参数和残余定向差参数。而进行二维约束平差时只要考虑两网之间的尺度差参数和残余定向差参数。 第七章第七章 GPS测量数据处理测量数据

30、处理 GPS基线向量网与地面网联合平差基线向量网与地面网联合平差 当地面网除了已知数据当地面网除了已知数据(已知点坐标，已知边长和已知方位角已知点坐标，已知边长和已知方位角)以以 外，还有常规观测值外，还有常规观测值(如方向、边长等如方向、边长等)，则将，则将GPS基线向基线向 量观测值与地面网的已知数据和常规观测值一起进行的量观测值与地面网的已知数据和常规观测值一起进行的 平差叫做平差叫做GPS基线向量网与地面网联合平差基线向量网与地面网联合平差。 联合平差可以两网的原始观测量为根据，也可以两网单联合平差可以两网的原始观测量为根据，也可以两网单 独平差的结果为根据。平差时，引入坐标系统的转换参独平差的结果为根据。平差时，引入坐标系统的转换参 数，平差的同时