1、GPS數據處理GPS基線解算的優化及平差的方法技巧摘要:對影響GPS基線解算質量的主要因素進行分析和研究，結合實例闡明基于南方GPS后處理軟件的GPS基線解算的優化技術和方法。以及對GPS解算數據平差處理的方法與技巧。關鍵詞:GPS基線解算;固定解;浮動解;殘差曲線;優化，數據傳輸、數據分流、觀測數據的平滑、濾波、平差計算、同步環、異步環、重復基線。GPS接收機采集記錄的是GPS接收機天線至衛星的偽距、載波相位和衛星星歷等數據。GPS數據處理就是從原始觀測值出發得到最終的測量定位成果，其數據處理過程大致可劃分為數據傳輸、格式轉換(可選)、基線解算和網平差以及GPS網與地面網聯合平差等四個階段。

2、GPS測量數據處理的流程如圖所示。開始數據傳輸原始觀測數據數據傳輸軟件 (功能模塊) 格式轉換標推格式數據格式轉換軟件 (功能模塊) 基線解算基線解算軟件 (功能模塊) GPS基線向量解基線質量合格GPS基線向量網平差GPS網平差軟件 (功能模塊) GPS點坐標基準轉換參數及精度結束NY GPS測量數據處理流程一、引言根據GPS外業觀測和基線數據處理的實際情況，即使通過選取恰當的點位來保證良好的觀測條件，進行星歷預報來保證觀測到的衛星數目及星座的圖形強度，但在實際的基線解算過程中，時常會遇到基線只有浮動解而無固定解。在此情況下，對基線解算進行優化處理后通常能夠得到固定解，從而提高基線質量，避免

3、或減少返工重測現象。二、影響GPS基線解算結果的幾個因素及其對策影響GPS基線解算質量的因素較多也較為復雜，如衛星的周跳、星歷誤差、對流層及電離層影響、多路徑誤差、無線電干擾、不明因素影響及起算點誤差過大等都會影響基線解算。應對措施1基線起點坐標不準確的應對方法要解決基線起點坐標不準確的問題，可以在進行基線解算時，使用坐標準確度較高的點作為基線解算的起點，較為準確的起點坐標可以通過進行較長時間的單點定位或通過與WGS-84坐標較準確的點聯測得到；也可以采用在進行整網的基線解算時，所有基線起點的坐標均由一個點坐標衍生而來，使得基線結果均具有某一系統偏差，然后，再在GPS網平差處理時，引入系統參數

4、的方法加以解決。2衛星觀測時間短的應對方法衛星整周模糊度難以確定的影響。由于個別或少數衛星觀測時間太短，而導致這些衛星的整周模糊度難以準確確定。對于參與解算的衛星，其整周模糊度不能確定，必將對這一組同步觀測的基線解算帶來影響。對于衛星觀測時間過短，是非常容易識別的，因觀測時間短，則觀測記錄的數據量就會小。解算基線時觀察衛星相位跟蹤圖，能直觀地看到觀測到的各顆衛星的出、沒時間。當基線無固定解時，在基線報告中可以看到各顆衛星的整周模糊度及其誤差。若某顆衛星的觀測時間太短，則可以刪除該衛星的觀測數據，不讓它們參加基線解算，這樣可以保證基線解算結果的質量。3周跳太多的的應對方法若多顆衛星在相同的時間段

5、內經常發生周跳時，則可采用刪除周跳嚴重的時間段的方法，來嘗試改善基線解算結果的質量；若只是個別衛星經常發生周跳，則可采用刪除經常發生周跳的衛星的觀測值的方法，來嘗試改善基線解算結果的質量。4多路徑效應嚴重由于多路徑效應往往造成觀測值殘差較大，因此，可以通過縮小編輯因子的方法來剔除殘差較大的觀測值；另外，也可以采用刪除多路徑效應嚴重的時間段或衛星的方法。5對流層或電離層折射影響過大的應對方法（1）提高截止高度角，剔除易受對流層或電離層影響的低高度角觀測數據。但這種方法，具有一定的盲目性，因為，高度角低的信號，不一定受對流層或電離層的影響就大。(2)分別采用模型對對流層和電離層延遲進行改正。(3)

6、如果觀測值是雙頻觀測值，則可以使用消除了電離層折射影響的觀測值來進行基線解算。三 GPS基線解算的過程 (1)原始觀測數據的讀入在進行基線解算時，首先需要讀取原始的GPS觀測值數據。一般說來，各接收機廠商隨接收機一起提供的數據處理軟件都可以直接處理從接收機中傳輸出來的GPS原始觀測值數據，而由第三方所開發的數據處理軟件則不一定能對各接收機的原始觀測數據進行處理，要處理這些數據，首先需要進行格式轉換。目前，最常用的格式是RINEX格式，對于按此種格式存儲的數據，大部分的數據處理軟件都能直接處理。(2)外業輸入數據的檢查與修改在讀入了GPS觀測值數據后，就需要對觀測數據進行必要的檢查，檢查的項目包

7、括：測站名、點號、測站坐標、天線高等。對這些項目進行檢查的目的，是為了避免外業操作時的誤操作。(3)設定基線解算的控制參數基線解算的控制參數用以確定數據處理軟件采用何種處理方法來進行基線解算，設定基線解算的控制參數是基線解算時的一個非常重要的環節，通過控制參數的設定，可以實現基線的精化處理。(4)基線解算基線解算的過程一般是自動進行的，無需過多的人工干預。(5)基線質量的檢驗基線解算完畢后，基線結果并不能馬上用于后續的處理，還必須對基線的質量進行檢驗，只有質量合格的基線才能用于后續的處理，如果不合格，則需要對基線進行重新解算或重新測量。基線的質量檢驗需要通過、同步環閉和差、異步環閉和差和重復基

8、線較差來進行。三、 GPS網平差GPS控制網是由相對定位所求得的基線向量而構成的空間基線向量網，在GPS網的數據處理過程中，基線解算所得到的基線向量僅能確定GPS網的幾何形狀，但卻無法提供最終確定網中點的絕對坐標所必需的絕對位置基準。在GPS網平差中，通過起算點坐標可以達到引入絕對基準的目的。在GPS控制網的平差中，是以基線向量及協方差為基本觀測量的。通常采用三維無約束平差、三維約束平差及三維聯合平差三種平差模型。各類型的平差具有各自不同的功能，必須分階段采用不同類型的網平差方法。1、三維無約束平差1.1 定義所謂GPS網的三維無約束平差是指平差在WGS-84三維空間直角坐標系下進行， GPS

9、控制網中只有一個位置基準。平差時不引入使得GPS網產生由非觀測量所引起的變形的外部約束條件。具體地說，在進行三維平差時，其必要的起算條件的數量為三個，這三個起算條件既可以是一個起算點的三維坐標向量，也可以是其它的起算條件。1.2 作用GPS網的三維無約束平差有以下三個主要作用：(1) 改善GPS網的質量，評定GPS網的內部符合精度。通過網平差，可得出一系列可用于評估GPS網精度的指標，如觀測值改正數、觀測值驗后方差、觀測值單位權方差、相鄰點距離中誤差、點位中誤差等。發現和剔除GPS觀測值中可能存在的粗差。由于三維無約束平差的結果完全取決于GPS網的布設方法和GPS觀測值的質量，因此，三維無約束

10、平差的結果就完全反映了GPS網本身的質量好壞，如果平差結果質量不好，則說明GPS網的布設或GPS觀測值的質量有問題；反之，則說明GPS網的布設或GPS觀測值的質量沒有問題。結合這些精度指標，還可以設法確定出質量不佳的觀測值，并對它們進行相應的處理，從而達到改善網的質量的目的。 (2) 消除由觀測量和已知條件中所存在的誤差而引起的GPS網在幾何上的不一致，由于觀測值中存在誤差以及數據處理過程中存在模型誤差等因素，通過基線解算得到的基線向量中必然存在誤差。另外，起算數據也可能存在誤差。這些誤差將使得CPS網存在幾何上的不一致，它們包括：閉合環閉合差不為0；復測基線較差不為0；通過由基線向量所形成的

11、導線，將坐標由一個已知點傳算到另一個已知點的符合差不為0等。通過網平差，可以消除這些不一致，得到GPS網中各個點經過了平差處理的三維空間直角坐標。在進行GPS網的三維無約束平差時，如果指定網中某點準確的WGS-84坐標作為起算點，則最后可得到的GPS網中各個點經過了平差處理的WGS-84系下的坐標。(3) 確定GPS網中點在指定參照系下的坐標以及其他所需參數的估值。在網平差過程中，通過引入起算數據，如已知點、已知邊長、已知方向等，可最終確定出點在指定參照系下的坐標及其他一些參數，如基準轉換參數等。(4)為將來可能進行的高程擬合，提供經過了平差處理的大地高數據。用GPS水準替代常規水準測量獲取各

12、點的正高或正常高是目前GPS應用中一個較新的領域，現在一般采用的是利用公共點進行高程擬合的方法。在進行高程擬合之前，必須獲得經過平差的大地高數據，三維無約束平差可以提供這些數據。1.3原理在GPS網三維無約束平差中所采用的觀測值為基線向量，即GPS基線的起點到終點的坐標差，設lijDXij，DYij，DZij為GPS網任一基線向量。因此，對與每一條基線向量，都可以列出如下的一組觀測方程： (9-15)與此相對應的方差-協方差陣為： (9-16)協因數陣為： (9-17)權陣為： (9-18)為先驗的單位權中誤差。平差所用的觀測方程就是通過上面的方法列出的，但為了使平差進行下去，還必須引入位置基

13、準，引入位置基準的方法一般有兩種。第一種是以GPS網中一個點的WGS-84坐標作為起算的位置基準，即可有一個基準方程： (9-19)第二種是采用秩虧自由網基準，引入下面的基準方程： (9-20) (9-21) (9-22)根據上面的觀測方程和基準方程，按照最小二乘原理進行平差解算，得到平差結果。待定點坐標參數： (9-23)單位權中誤差： (9-24)其中為網的總點數，為網中的基線向量數。坐標未知數的方差估計值為 (9-25)這里N=ATA為網的法方程系數陣。由此我們可以通過改正數檢驗了解網自身的內符合精度，觀察網中是否可能存在粗差和系統誤差。2 三維約束平差2.1 定義所謂三維約束平差，就是

14、以國家大地坐標系或地方坐標系的某些點的固定坐標、固定邊長及固定方位為網的基準，將其作為平差中的約束條件，并在平差計算中考慮GPS網與地面網之間的轉換參數。2.2 作用GPS網的三維約束平差主要作用是：確定GPS網中各個點在國家大地坐標系或在指定參照系下經過了平差處理的三維空間直角坐標以及其他所需參數的估值。通過引入起算數據，如已知點、已知邊長等，可最終確定出點在指定參照系下的坐標及其他一些參數，如基準轉換參數等。在進行GPS網的三維約束平差時，如果配置足夠數量的國家大地坐標系或地方坐標系基準數據作為GPS網的約束起算數據，則最后可得到的GPS網中各個點經過了平差處理的在國家大地坐標系或地方坐標

15、系下的坐標。國家大地坐標系或地方坐標系約束基準數據的數量與質量以及在網中的展布均對平差精度結果產生影響。一般平差前必須選擇滿足要求的基準數據。獲得經過平差的大地高數據，三維無約束平差可以提供這些數據。2.3 原理GPS基線向量觀測方程必須顧及WGS-84坐標系與國家大地坐標系間的轉換參數，即應顧及7個轉換參數。但由于觀測量基線向量是以三維坐標差的形式表示的，因而轉換關系與平移參數無關，7個參數中只需考慮尺度參數m和三個旋轉參數，兩坐標系的坐標差轉換模型為 (9-26) 式中， 由公式(9-26)可得在考慮轉換參數后的GPS基線向量觀測方程 (9-27)式中 GPS網三維約束平差即為附有條件的相

16、關間接平差，其誤差方程為基線向量的觀測方程，對于已知地面坐標點k，其坐標約束條件為 (9-28)3 GPS網平差的流程GPS三維平差的主要流程如圖9-5。GPS網三維平差中，首先應進行三維無約束平差，平差后通過觀測值改正數檢驗，發現基線向量中是否存在粗差，并剔除含有粗差的基線向量，再重新進行平差，直至確定網中沒有粗差后，再對單位權方差因子進行X2檢驗，判斷平差的基線向量隨機模型是否存在誤差，并對隨機模型進行改正，以提供較為合適的平差隨機模型。在對GPS網進行約束平差后，還應對平差中加入的轉換參數進行顯著性檢驗，對于不顯著的參數應剔除以免破壞平差方程的性態。接受開始調入GPS基線向量 偽距定位精

17、度信息 偽距定位精度信息WGS-84坐標系 無約束平差改正數檢驗 偽距定位精度信息s02檢驗 偽距定位精度信息輸入地面網坐標系基準數據剔除含粗差的基線向量模擬方差陣或方差分量估計無粗差有粗差拒絕地面網坐標系約束平差轉換參數的檢驗剔除不顯著轉換參數的基線向量結果輸出坐標數據精度信息方差陣或方差分量估計精度評定NY配置新基準數據WGS-84坐標系 坐標估計及精度統計指定參考坐標系 坐標估計及精度統計 圖9-5 GPS網平差的流程四、GPS數據處理工程實例現以南方GPS后處理 軟件為利說明GPS數據處理全過程。南方GPS后處理軟件是GPS后處理軟件，適用于單頻、雙頻GPS數據基線解算，平差處理。So

18、lutions軟件在標準的Windows平臺上運行，以非常友好的圖形用戶界面，提供簡單和精確的數據，并能對外業作業狀況進行真實的描述。該軟件包的功能有：選星計劃、接收機設置、數據傳輸、基線向量處理、網平差、質量分析、坐標轉換、報表生成、結果輸出、Rinex格式轉換等模塊。 1、解算步驟南方GPS數據處理軟件4.4進行基線解算步驟為：在桌面上雙擊“南方測繪 GPS數據處理”圖標或單擊“開始”“程序”“南方測繪 GPS 4.4000 數據處理” “GPS數據處理”打開GPS數據處理軟件，GPS數據處理軟件界面如下圖41所示。圖41南方GPS數據處理界面2、如果該處理軟件為演示版，則必須要求注冊，注

19、冊方法為單擊“幫助”“注冊”打開如下圖42所示界面。圖42南方GPS數據處理軟件注冊界面在使用單位中任意輸入使用單位名稱，Email中輸入電子郵箱，電子郵箱格式必須正確，在注冊碼中任意輸入16位長的數字或英語字母。如果注冊功能欄出現“Sth 解算”字樣后，單擊“退出”按鈕即可完成注冊。3、新建項目，在菜單欄單擊“文件”“新建”或在工具欄單擊按鈕打開如下圖43所示界面圖43項目建立對話框在上述界面中依次填入或選上項目屬性描述，單擊確定即可。然后會彈出如下圖44所示的界面。圖44建立項目后的軟件界面4、添加外業GPS數據文件在菜單欄單擊“數據輸入”“增加觀測數據文件”或在工具欄單擊圖標，打下如下圖

20、45所示的界面。圖45加入外業觀測數據文件對話框選擇路徑中選中存放GPS外業數據文件的文件夾，然后在文件列表中選中所需要的數據文件，然后單擊確定，彈出數據錄入進度條如圖46 所示：圖46處理進度然后稍等片刻，調入完畢后，網圖如下圖 3-5 所示：5、 解算基線詳解 選擇解算全部基線，有自動計算進度條顯示如下圖47所示圖 47 處理進度這一解算過程可能等待時間較長，處理過程若想中斷，請點擊停止。基線處理完全結束后，網圖如下圖，顏色已由原來的綠色變成紅色或灰色。基線雙差固定解方差比大于 2.5 的基線變紅(軟件默認值 2.5)，小于 2.5 的基線顏色變灰色。灰色基線方差比過低，可以進行重解。例如

21、對于基線“G5041801G5011801”，用鼠標直接在網圖上雙擊該基線，選中基線由實線變成虛線后彈出基線解算對話框如圖48，在對話框的顯示項目中可以對基線解算進行必要的設置。圖48基線情況基線解算對話框各項設置的意義和使用說明如下： “ ”：顯示當前處理的基線。 注：文件“G5041801”中“G504”表示點名，“180”表示測量日期是 1 年 365 天中的第180 天，“1”表示時段數。 “ ”：在白色小方框中單擊鼠標左鍵后小方框中 出現小勾，表示此功能已經被選中。“禁用”表現禁用當前的基線；“新增基線”表示當 前基線為新增基線；“自動禁止使用”表示不合格的基線不參加組網，“選中基線

22、”表示 當前基線為正在處理的選中基線。 “”數據選擇系列中的條件是對基線進行重解的重要條件。可以對高度截至角和歷元間隔進行組合設置完成基線的重新解算以提高基線的方差比。歷元間隔中的左邊第一個數字歷元項為解算歷元，第二項為數據采集歷元。當解算歷元小于采集歷元時，軟件解算采用采集歷元，反之則遠用設置的解算歷元。“編輯”中的數字表示誤差放大系數，參考衛星可進行選擇，一般默認為自動選擇接收信號效果最好的衛星，最小歷元和最大歷元數為限制解算的數據，一般可設為默認值即可。 “合格解選擇”為設置基線解的方法。分別有“雙差固定解”、“雙差浮點解”、“三差解”三種，默認設置為雙差固定解，為最好的解算精度。 在反

23、復組合高度截至角和歷元間隔進行解算仍不合格的情況下，可點狀態欄基線簡 表查看該條基線詳表。點擊左邊狀態欄中“基線簡表”，點擊基線“G5021801G5011801”， 顯示欄中會顯示基線詳情，如圖 49 所示。 圖 49 基線詳解 圖 50 數據編輯 圖 49 中詳細列出了每條基線的測站、星歷情況，以及基線解算處理中周跳、剔除、精度分析等處理情況。在基線簡表窗口中將顯示基線處理的情況，先解算三差解，最后解算出雙差解，點擊該基線可查看三差解、雙差浮動解、雙差固定解的詳細情況。無效歷元過多可在左邊狀態欄中觀測數據文件下剔除，例如在 G5011801.STH 數據雙擊彈出數據編輯框(圖 50).。

24、點中 ，然后按住鼠標左鍵拖拉圈住上圖中有歷元中斷的地方即可剔除無效歷元，點中可恢復剔除歷元。在刪除了無效歷元后從解基線，若基線仍不合格，就應該考慮對不合格基線進行重測了。 6、檢查閉合環和重復基線 待基線解算合格后（少數幾條解算基線不合格可讓其不參與平差），在 “閉合環”窗口中進行閉合差計算。首先，對同步時段任一三邊同步環的坐標分量閉合差和全長相對閉合差按獨立環閉合差要求進行同步環檢核，然后計算異步環。程序將自動搜索所有的同步、異步閉合環。 有關同步、異步閉合環、重復基線的要求請查看使用提示“外業成果質量檢核標準” （頁），或者參照有關國家規范。 搜索閉合環點左邊狀態欄中閉合環，有下圖顯示閉合

25、差： 圖 51 閉合環 從上圖中看出，此網所有的同步閉合環均小于 10ppm，小于四等網（10ppm）的要求。 閉合差如果超限，那么必須剔除粗差基線（基線選擇的原則方法請查看使用提示）。點擊“基線簡表”狀態欄重新算。根據基線解算以及閉合差計算的具體情況，對一些基線進行重新解算，具有多次觀測基線的情況下可以不使用或者刪除該基線。當出現孤點（即該點僅有一條合格基線相連）的情況下，必須野外重測該基線或者閉合環。保存項目，單擊菜單欄“文件”“保存”或單擊工具欄圖標，可彈出如下圖52所示的對話框，然后選擇好存放路徑后單擊保保存按鈕即可。圖52項目保存對話框1、數據錄入：輸入已知點坐標，給定約束條件。 本

26、例控制網中 MJS為已知約束點在點擊“數據輸入”菜單中的“坐標數據 錄入”彈出對話框如圖53，在“請選擇”中選中“MJS”，單擊“MJS”對應的“北 向 X”的空白框后，空白框就被激活，此時可錄入坐標。通過以上操作最終完成已知數 據的錄入。 圖53 錄入已知數據2、平差處理：進行整網無約束平差和已知點聯合平差。根據以下步驟依次處理。 （1）自動處理：基線處理完后點此菜單，軟件將會自動選擇合格基線組網，進行環閉合差。 （2）三維平差：進行 WGS-84 坐標系下的自由網平差。 （3）二維平差：把已知點坐標帶入網中進行整網約束二維平差。但要注意的是，當已知點 的點位誤差太大時，軟件會提示如圖 54

27、 所示。在此時點擊“二維平差”是不能進行計 算的。用戶需要對已知數據進行檢合。 圖 54 錯誤提示窗口 注：如果在“平差參數設置”中取消“進行已知點與坐標系檢查”項目，則不彈出如圖54所示的錯誤提示，該項的設置在“設置”“平差參數設置”下，其對話框如圖55所示。如果有確定的坐標系統參數，為了避免出現錯誤，建議選中些項。圖55平差參數設置（4）高程擬合：根據“平差參數設置”中的高程擬合方案對觀測點進行高程計算 注：“網平差計算”的功能可以一次實現以上幾個步驟。3、平差后的成果平差后的成果如圖56所示圖56平差后成果預覽4、平差成果輸出平差后的成果可直接打印輸出，如圖57所示，首先在“設置”“成果打印輸出設置”對話框中或在“文件”“打印預覽”中進行設置，然后單擊確定。圖57成果輸出設置設置好后可進行預覽，該項在“文件”“ 打印預覽”進行，如不滿意可重新進行設置。打印預覽界面如圖58所示圖58成果打印預覽界面如果用戶想將平差成果輸出，則可以在“成果”菜單下點擊“平差報告（文本文檔）”如圖圖59所示，將平差報告輸出，點擊“網平差成果”可輸出控制點坐標成果和控制網圖等，具體操作如圖60所示。圖59平差報告輸出對話框圖6