武汉大学测绘学院GPS测量与数据处理复习资料

GPS测量与数据处理复习要点武汉大学测绘学院XX一、GPS网及其建立1、 GPS网：采用GPS技术建立的测量控制网，由GPS点和基线向量所构成。2、 GPS静态测量的特点：（1）测量精度高（2）选点灵活，无需造标，布网成本低（3）可全天候作业（4）观测时间短，作业效率高（5）观测、处理自动化（6）可获得三维坐标3、 GPS网的建立过程：（1）设计准备阶段：项目规划；技术设计；资料搜集整理；仪器检定和检验；踏勘、选点和埋石（2）测量实施/施工作业阶段：实地了解测区状况；卫星状况预报；确定作业方案；外业观测；数据传输备份；基线解算及其质量控制（3）数据处理：网平差及其质量控制；技术总结；成果验收。4、 几个基本概念：（1）观测时段：从测站上开始接受卫星信号起止停止观测间的连续工作时间段称为观测时段，简称时段，时段持续的时间称为时段长度。（2）同步观测：两台或两台以上的GPS接收机同时对同一组卫星信号进行观测。（3）基线向量：利用进行同步观测的GPS接收机所采集的观测数据计算出的接收机间的三维坐标差，简称为基线。（4）同步观测基线：利用同一时段的同步观测数据所确定出的基线向量被称为同步观测基线（5）闭合环：由多条基线向量首尾相连所构成的闭合图形（6）复测基线：在某两个测站间，由多个时段的同步观测数据所获得的多个基线向量结果称为复测基线（7）同步闭合环：三台或三台以上的GPS接收机进行同步观测所获得的基线向量所构成的闭合环，简称为同步环（8）独立基线向量:若一组基线向量中的任何一条基线向量都无法用该组中其他基线向量的线性组合来表示，则该组基线向量就是一组独立的基线向量（9）独立观测环：由独立观测基线所构成的闭合环即非同步观测环也称为异步环（独立观测环闭合差的大小可作为评定基线解算结果质量的有力指标）5、 GPS网的质量及质量控制：（1）质量=精度+可靠性+（成果适用性）（2）质量控制：质量检验（指标）和质量改善（措施）（3）影响GPS质量的因素：GPS基线向量的质量（依赖于观测数据和处理方法）；常规地面观测值的质量（观测方法）；起算数据的精度、数量和分布（网的设计及已有成果的质量）；GPS网的结构（网的设计和外业观测方案）；数据处理方法的完备性（数据处理软件及其解算方案）二、GPS处理的技术设计1、 技术设计的依据：GPS处理规范及规程；测量任务书或测量合同书；其他规范与规程2、 GPS网的精度和密度设计：用途/目的-GPS等级（AA、A、B、C、D、E）-精度密度设计。精度设计：相邻点基线长度的精度&=3+（bd）（单位为mm）密度：平均基线长度规定3、 GPS网的基准设计：位置基准；尺度基准；方位基准（各自可由哪些类型的值来改变）4、 GPS网的布网形式：（1）跟踪站式（A级网，连续观测，如IGS跟踪站）（2）会战式（B级网）（3）多基准站式（4）同步图形扩展式（类似于会战式）（5）单基准站式（星形网式）5、 GPS网的网形设计：（1）三角形网：以三角形作为基本图形所构成的GPS网成为三角形网。优点：几何强度好，抗粗差能力强，可靠性高。缺点：工作量大（2）多边形网：以多边形（n24）作为基本图形所构成的GPS网成为多边形网。优点：效率高，工作量较小。缺点：图形强度不如三角形网（3）附和导线网：以附和导线作为基本图形所构成的GPS网称为附和导线网。优点：效率高，工作量小。缺点：图形强度不如前两个（4）星形网：从一个已知点上分别于各待定点进行相对定位所组成的图形。优点：作业效率高。缺点：抗差能力极差。适用：GoandStop,RTK通过改进可以变为多基准站形式6、 GPS网的设计准则：（1）GPS网图形与GPS的精度和可靠性无关（2）GPS点的质量与其位置无关7、 提高GPS网质量的方法:提高可靠性的方法：（1）增加观测期数（2）保证一定的重复设站次数（3）保证每个测站至少与三条以上的独立基线相连（4）布网时要使网中所有最简异步环的边数不多于6条。提高精度的方法：（1）为提咼GPS网中各相邻点具有较咼的相对精度，对网中距离较近的点一定要进行同步观测，以获得她们之间的直接观测基线（2）在全面网之上建立框架网，以框架网作为整个GPS网的骨架（3）布网时要使网中所有最简异步环的边数不多于6条（4）引入高精度的激光测距边作为观测值进行联合平差（5）为提高GPS网的尺度精度，可在网中增设长时间、多时段的基线向量。se=—min-8、GPS网的设计指标：（1）GPS网的特征值：……（2）效率指标： Sd（理论最少B耳=—R观测时段/设计观测时段）越接近1越好（3）可靠性指标： bi（多余基线/独立基线总数）（3）精度指标：Q=（btPbH，tr（Q）作为衡量GPS网整体精度的指标，越小越好。三、GPS测量外业1、观测站的基本要求：（1）测站四周视野开阔，高度角150以上不允许有成片的障碍物（2）远离大功率的无线电信号发射源（3）测站应该远离房屋、围墙、广告牌、山坡及大面积的平静水面等信号反射物，一面产生多路径误差（4）充分利用原有的控制点的标石和观测墩（5）尽量使所选测站附近的小环境与周围的大环境保持一致（6）测站应位于地质条件良好、点位稳定、易于保护……。埋石包括埋设标石和建造观测墩2、 试测检验：（1）接收机内部噪声的测试：零基线法（需要功分器）和超短基线法（2）接收机天线相位中心偏差（PCO）及稳定性检测（PCV）：旋转天线法；相对定位法（3）接收机野外作业性能及不同测程精度指标3、 野外检定场：遵循原则：（1）有超短基线5〜10M、短基线1〜10KM、中等基线10〜50KM、长基线＞50KM（2）检定场地质条件好……（3）有强制对中装置，墩面上有正北方向（4）中长基线应该组成网形，以便进行环闭合差检验4、 同步图形的连接方式/扩展方式：（1）点连接：相邻的同步图形之间只通过一个公共点相连。优点：作业效率高，图形扩展快。缺点：图形强度差，如果连接点出问题，将影响到后面的同步图形（2）边连接：相邻的同步图形间有一条边相连。优点：较高的作业效率和较高的图形强度（3）网连接：相邻图形之间有三个以上的公共点相连。优点：图形强度最强。缺点：作业效率很低（4）混连式：实际的GPS作业中，有选择的灵活的采用几种方式作业称为混连式5、 迁站方案：（1）平推式/追鱼式，时间利用率高，成果可靠性高，作业强度大，协调难（2）翻转式。作业强度小，不易发现错误（3）伸缩式。长短边结合，精度可靠性高，调度复杂。四、GPS测量中的数据格式1、 RINEX:与接收机无关的数据格式，是一种在GPS测量应用中普遍采用的标准数据格式，该格式采用文本文件的形式存储数据，数据记录格式与接收机制造厂商和具体型号无关。2、 RINEX命名规则：ssssdddf.yyt（ssss表示测站号，ddd表示年积日，f表示一天内文件序号，yy年份，t文件类型）3、 文件类型：观测文件（O）,导航文件（N），气象文件（M）,GLONASS（G），GEO（G），钟文件（C）4、 SP3：标准产品第三号，是一种在卫星大地测量中广泛采用的数据格式，由美国国家大地测量委员会提出，专门用于储存GPS卫星的精密轨道数据。IGS星历采用这个格式。5、 RINEX中常用专业词汇：RINEXVERSION（RINEX版本）comment（注释）PGM（程序）makername（点名）makernumber（点号）REC（receiver接收机）ANT（antenna天线）approxposition（近似位置）wavelengthfact（波长因子）INTERVAL（时间间隔）

TIMEOFFIRSTOBS（第一次观测的时间）五、GPS基线解算1、 基线向量：利用进行同步观测的GPS接收机所采集的同步观测数据计算出的接收机间的三维坐标差。2、 基线解算:利用2台或2台以上的GPS接收机所采集的同步观测数据形成的差分观测值,通过参数估计的方法来确定两两接收机之间的三维坐标差及其方差一协方差阵的过程。3、 基线解算的分类：（1）单基线解模式：在进行基线解算的过程中，一次仅同时提取2台GPS接收机的同步观测数据来解求他们之间的基线向量，当在该时段中有多台接收机进行了同步观测而需要解求多条基线时，这些基线是逐条在独立的解算过程中解求出来的。优点：模型简答，一次求解的参数较少，计算量小。缺点：解算结果无法反映同步观测基线之间的统计相关性；无法充分利用观测数据之间的关联性。适用：是一般的工程应用（2）多基线解模式/时段模式：在进行基线解算时，一次提取一个观测时段所有进行同步观测的n台接收机所采集的同步观测数据，在一个单一的解算过程中，共同求解出所有n-1条相互函数独立的基线。优点：数学模型严密，能在结果中反应观测基线向量之间的统计相关性。缺点：数学模型和结算过程都比较复杂，并且计算量也极大。适用：对质量要求严格的应用。（3）整体解/战役模式：在进行基线解算时，一次提取项目整个观测过程中的所有观测数据，在一个单一的解算过程中同时对它们进行处理，得到所有函数独立基线。优点：数学模型严密，能反应同步观测基线之间的统计相关性；避免结果在几何上的不一致。缺点：数学模型和解算过程复杂，计算量很大。适用：高精度定轨、定位软件用。4、 GPS基线解算软件操作过程：（1）导入观测数据（2）检查和修改外业输入数据（3）设定基线解算的控制参数（星历类型、截止高度角、周跳处理方法……）（4）基线解算（5）基线质量控制（精细化处理，实际是修改控制参数）（6）得到最终的基线解算结果。5、 软件内基线解算处理流程：（1）数据预处理（2）建立数学模型（模型参数一般包括坐标、整周未知数、天顶方向对流层延迟）（3）确定基线向量的浮动解（模糊度为实数）（4）确定整周模糊度（RATIO）（5）确定基线向量的固定解。:VtPV6、基线解算的质量控制：相对指标a）单位权方差/参考方差°rr:一定程度上反应了观测值的优劣。（2）观测值残差的RMS反应了观测值的优劣。（2）观测值残差的RMS：RMS”VTVn，RMS是个内符合精度,RMS小内符合精度高。反应了观测值与参数估值之间的符合度，一定程度上也反应了观测值的优劣。质量不好时RMS大反过来不成立，仅作为参考。（3）数据剔除率：基线解算时,如果观测值的改正数大于某个阈值时，认为含有粗差，需要删除。从某一方面反应了GPS原始观测数据的质量。（4）RATIO：RATIO^次最小最小，a为备选模糊度参数得到的单位权方差，RATIO工1，越大越好。反应了确定出来的整周未知数的可靠性。（5）RDOP=（tr（Q））"2指的是基线解算时待定参数的协因数阵的迹的平方根。RDOP值的大小与基线位置和卫星在空中的几何分布及运行轨迹有关。RDOP值反应了观测期间GPS卫星星座的状态对相对定位的影响，不受观测值质量的影响。半绝对指标（6）同步环闭合差：由同步观测基线所组成的闭合环的闭合差。绝对指标（7）独立环闭合差：由相互独立的基线组成的闭合环的闭合差（8）复测基线较差：不同观测时段对同一基线进行的观测就是复测基线，这些观测结果之间的差异就是复测基线较差基线的精细化处理：7、影响基线解算结果的因素及处理方法：（1）基线解算时所设定的起点坐标不准确（导致_As基线向量偏差）br处理：使用准确度高的起点坐标或者所有基线起点坐标都由一个点衍生出来然后出现系统偏差引入系统参数解决（2）少数卫星的观测时间太短影响这些卫星的整周未知数无法确定。处理：删除（3）周跳探测、修复不正确，存在未探测或正确修复的周跳。处理：增加新的模糊度参数或者删除（4）在观测时段内，多路径效应比较严重,观测值的改正数普遍较大。处理：缩小编辑因子的方法来删除残差较大的观测值，另外可以删除较大的观测值（5）对流层或者电离层折射影响过大。处理：a、提高截止高度角b、采用模型进行改正c、使用无电离层观测值。其他：卫星轨道数据误差，数学模型误差（没有考虑地固潮、地球自转等问题）六、GPS网平差1、 GPS网平差的目的：（1）消除由观测量和已知条件中存在的误差所引起的GPS网在几何上的不一致。闭合条件，重复条件，符合条件。（2）改善GPS网质量，评定GPS网精度。得到诸如改正数、验后方差、单位权方差、相邻点距离中误差、点位中误差。（3）确定GPS网中点在指定参考系下的坐标以及其他所需要的参数的估值。通过引入起算数据，如已知点、已知边长、已知方向确定点在指定参考系下的坐标和其他的参数如转换参数。2、 网平差类型：（根据网平差时所采用的观测量和已知条件的类型和数量）（1）无约束平差/最小约束平差：观测值：GPS基线向量；约束条件：无或者只引入一个提供位置基准信息的起算点坐标；目的：判断是否存在粗差基线；调整各基线向量观测值的权；确定各点在地心坐标系下的相对位置关系。不影响尺度和方位发生变化。完全是观测值本身质量的真是反应（2）约束平差：观测量：GPS基线；约束条件：引入边长、方向或者两个以上的起算点的坐标，使GPS网的尺度和方位发生变化；目的：确定各点在指定坐标参考系中的坐标（3）联合平差：观测值：GPS基线和地面常规观测量如边长、角度、方向和高差；目的：确定各点在指定坐标参考系中的坐标。一般出现在工程应用中。根据进行平差时所采用坐标系的类型，GPS网平差分为三维平差和二维平差。3、 网平差的流程：（1）提取基线向量：选取独立基线；构成闭合环；选取质量好的基线；边长短的；边数少的。（2）三维无约束平差：流程：选取基线向量；形成数学模型；求解数学模型；确定是否存在粗差；如没有问题输出结果。目的：判断是否有粗差；调整权值（3）约束平差/联合平差：步骤：指定基准和坐标系统；指定起算数据；检验约束条件的质量；平差解算（4）质量分析和控制：指标：基线向量的改正数；相邻点的中误差和相对中误差，单位权方差的咒2检验。注：注意外部软件操作流程和内部软件处理流程描述的差异性，诸如第四、第五两条。还有无约束平差、约束平差、联合平差的步骤，基本都是利用观测值和已知权阵组成观测方差、限制条件方程形成数学模型；求解数学模型得到改正数、精度统计量、坐标参数、转换参数等；看是否需要修改数学模型进行再一次求解；输出结果。4、 网平差的原理和质量控制：列观测方程、限制条件方程加上P形成数学模型，采用间接平差方法V=Bx-1求解。质量控一般包括：单位权方差的咒2检验（约束平差的目的是判断起算数据是否与GPS观测成果相容）；残差检验；起算点检验。参照书上和平差课本。5、 釆用GPS技术建立独立坐标系：（1）原因：作业区域有可能位于标准投影带的边缘；作业区域的平均高程或者工程的关键区域的高程也有可能与国家大地基准的参考椭球面有较大的差异（2）