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GPS控制测量数据处理

来源:科学揭秘 > 作者:小慧 时间:2019-04-26 20:27:01

GPS测量数据处理要从原始的观测值出发,到获得最终的测量定位成果,其数据处理过程大致分为:数据传输、数据预处理、基线向量解算、基线向量解算结果分析、无约束平差、约束平差等几个阶段。这些处理工作均可由后处理软件自动完成,只需启动程序后,选择相应的菜单命令。

1.数据传输

大多数的GPS接收机,采集的数据都记录在接收机的内存模块上。数据传输使用专用电缆(随机附件)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,便可将观测数据传输至计算机。数据在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(有的机型无此文件)。

2.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;探测周跳并修复观测值;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广播星历每一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,以简便计算,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拟合处理。拟合时引进了规格化时间,故计算实际轨道时也应使用规格化时间。

(2)卫星钟差的标准化

来自广播星历的卫星钟差(即卫星钟面时间与GPS系统的标准时间之差vta)是多个数值,需要通过多项式拟合求得唯一的、平滑的钟差改正多项式。用于确定真正的信号发射时刻并计算该时刻的卫星在轨位置;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,可精确探测周跳,估算整周未知数。

(3)观测值文件的标准化

在进行基线向量解算之前,观测值文件必须规格化、标准化。具体包括以下几方面。

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相同的记录格式。

2)记录项目标准化:每一种记录应包含相同数据项。如果某些数据缺项,则应以特定数据如“0”或空格填上。

3)采样密度标准化:各接收机的数据采样间隔可能不同,如有的15s,有的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长的标准值。

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。

3.基线向量解算及结果分析

(1)基线向量解算

GPS相对定位的目的是确定测站点之间的相对位置关系。这种相对位置关系通常用空间直角坐标差(△x,△y,△z)或大地坐标差(△B,△L,△H)表示。我们称这种点位间的相对位置量为基线向量,点位间的长度为基线长度。

测站之间基线向量的解算,一般均取载波相位观测值的(二次)差分模型作为观测量,以测站间的基线向量为未知数,建立误差方程式,组成法方程求解基线向量,并评定其精度。平差计算的全过程均由后处理软件自动完成。

(2)基线向量解算结果分析

基线处理完成后,应对其结果作如下分析。

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,当存在系统误差或粗差时,处理结果将有偏差。理论上,载波相位观测精度为1%周,即对于L1波段信号观测误差只有2mm。因而,当偶然误差达1cm时,应认为观测质量存在严重问题。当系统误差达分米级时,应认为处理软件中的模型不适用。当残差分布中出现跳或尖峰时,表明周跳未处理成功。

平差后单位权中误差一般为0.05周以下,否则,表明观测值中存在某些问题。可能有多路径干扰、外界电磁干扰或接收机时钟不稳定等影响的低精度观测值存在;观测值改正模型不适宜,周跳修复不完全;也可能是整周未知数解算不成功是观测值存在系统误差;单位权中误差较大也可能是起算数据存在问题,如基线固定端点坐标误差或作为基准数据的卫星星历误差的影响。

2)基线长度的精度

处理后的基线长度中误差应在标称精度值内。双频机的标称精度为5±1×10-6D(mm),单频机为10±2×10-6D(mm)。对于20km以内的短基线,单频数据的差分处理可有效地消除电离层的影响,确保定位精度。当基线增长时,双频机的消除出效果将明显地优于单频机。

3)基线向量环闭合差的计算检核

基线向量组成的同步环和异步环,其闭合差值应小于相应等级的限差值。

(3)基线向量网平差

GPS基线向量网的平差分为三种类型:无约束平差、约束平差和联合平差,且有三维平差与二维平差之分。

1)无约束平差

GPS基线向量网的无约束平差属于经典的自由网平差。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误差和粗差,同时为用GPS大地高与公共点的正高(或正常高)联合确定GPS网点的正高(或正常高)提供平差处理后的大地高程数据。

GPS基线向量网的无约束平差常用的是三维无约束平差法。尺度与定向基准已由基线向量提供,属于WGS-84坐标系,且与网的平差方法无关;而网的位置基准则与平差方法密切相关,需要引入的位置基准不应引起观测值的变形和改正。引入位置基准的常用方法有两种:一是网中有高级的GPS点时,将高级GPS点的WGS-84坐标值作为无约束平差的位置基准;二是无高级点时,取网中任一点(最好是观测条件好、连续观测时间长)的伪距定位坐标作为无约束平差的位置基准。

2)约束平差

三维约束平差,就是以国家坐标系或地方坐标系某些点的固定坐标、固定边长及固定方位作为网的基准和平差约束条件,并在平差计算中完成GPS网与地面网的坐标转换。

二维约束平差是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。这种方法避免了三维基线网转换成二维基线向量时,地面网的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。

3)联合平差

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)以外,还有常规观测值(如方向、边长等),则将GPS基线向量观测值与地面已知数据和常规观测值一起进行平差叫做联合平差。联合平差可以两网的原始观测量为根据,也可以两网单独平差的结果为根据。平差中引入坐标系的转换参数,同时完成坐标转换。

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