GPS數據處理第四章GPS網基線向量解算測繪工程系主講：劉輝第四章GPS網基線向量解算主要內容4.1基線向量解算的基本模式4.2基線解算的基本原理4.3基線解算軟件的使用4.4基線解算的質量控制4.1基線向量解算的基本模式

基線邊長與基線向量第四章GPS網基線向量解算1基線向量的表達方式

–空間直角坐標的坐標差–大地坐標的坐標差–站心地平坐標的坐標差第四章GPS網基線向量解算2同步觀測基線間的誤差相關性第四章GPS網基線向量解算提示：由于在計算AB、AC兩條基線向量時，均用到了A點的觀測數據，因而A點觀測數據中的誤差將同時對這些基線產生影響。ABC

3基線解算模式第四章GPS網基線向量解算?單基線解/基線模式?多基線解/時段模式?整體解/戰役模式第四章GPS網基線向量解算1）單基線解/基線模式–解算方法?一次僅同時提取兩臺GPS接收機的同步觀測數據進行基線解算。–特點?模型簡單，參數較少，計算量小?解算結果無法反映同步觀測基線間的誤差相關性?無法充分利用觀測數據之間的關聯性–適用范圍?一般工程應用第四章GPS網基線向量解算1）單基線解/基線模式–基線解結果

?基線向量估值

?基線向量估值的方差-協方差陣第四章GPS網基線向量解算2）多基線解/時段模式–解算方法?一次提取一個觀測時段中所有進行同步觀測的n臺接收機所采集的同步觀測數據，在一個單一解算過程中共同解求出所有n-1條相互函數獨立的基線。–特點?數學模型嚴密，能反映出同步觀測基線間的統計相關性?數學模型和解算過程比較復雜，計算量較大–適用范圍?對質量要求嚴格的應用第四章GPS網基線向量解算2）多基線解/時段模式–基線選擇方法

第四章GPS網基線向量解算2）多基線解/時段模式–基線解結果

?基線向量估值?基線向量估值的方差-協方差陣第四章GPS網基線向量解算3）整體解/戰役模式–解算方法?一次提取項目整個觀測過程中所有觀測數據，在一個單一解算過程中同時對它們進行處理，得出所有獨立基線。–特點?數學模型嚴密，能反映出同步觀測基線間的統計相關性?避免了結果在幾何上的不一致性?數學模型和解算過程復雜，計算量大–適用范圍?高精度定位、定軌第四章GPS網基線向量解算4.2基線解算的基本原理1基線解算的處理流程

–數據預處理–建立數學模型–確定基線向量的浮動解–確定整周未知數–確定基線向量的固定解第四章GPS網基線向量解算1）數據預處理

–目的?獲得干凈的觀測值–過程?數據傳輸和解碼?數據標準化?數據篩選和編輯?接收機鐘差估算?差分觀測值或線性組合觀測值形成?基線向量近似解估算?周跳探測、修復或標記第四章GPS網基線向量解算2）建立數學模型

–包括函數模型和隨機模型–通常為雙差模型–模型參數通常包括?坐標（基線向量）?整周模糊度?天頂方向的對流層延遲第四章GPS網基線向量解算3）確定基線向量的浮動解

–直接利用所建立的數學模型求解–模糊度為實數第四章GPS網基線向量解算4）確定整周未知數

–通常采用搜索算法，確定模糊度的整數值–對所確定出的模糊度進行檢驗，若能通過下列檢驗，則將模糊度固定為整數值，否則不固定?與實數模糊度的一致性?最優整數值與次優整數值的可區分性RATIO值）?基線向量固定解與基線向量實數解的一致性第四章GPS網基線向量解算5）確定基線向量的最終解

–若模糊度能固定成為整數值，則在數學模型中將模糊度固定，重新解算基線，得到基線向量固定解–若模糊度無法固定成為整數值，則給出基線向量浮動解第四章GPS網基線向量解算2影響基線解算結果質量的因素?觀測值的質量?觀測的幾何條件?衛星軌道數據的質量?數據處理的模型和方法第四章GPS網基線向量解算1）觀測值質量的影響?精度–越高越好?采樣率–采樣率高，有利于進行周跳探測，但考慮到存儲容量和計算負擔，靜態測量最高不要超過5秒?周跳發生的頻度–周跳發生頻度高，將會影響周跳探測及周跳處理算法的效能?受包括多路徑在內的干擾效應影響程度–干擾將影響觀測值的準確度第四章GPS網基線向量解算2）觀測幾何條件的影響?衛星數量

–衛星數量多，對基線解算有利?衛星分布

–衛星分布均，對基線解算有利?觀測期間衛星位置的變化

–觀測期間同一衛星位置變化大，對模糊度/基線解算有利第四章GPS網基線向量解算3）衛星軌道數據質量的影響基線向量偏差基線長度衛星軌道偏差衛星軌道高度第四章GPS網基線向量解算4）數據處理模型和方法的影響?數學模型

–函數模型是否準確反映觀測值之間、觀測值與待定參數之間的關系

–隨機模型是否準確刻畫觀測值的精度及誤差相關的特性?算法

–周跳探測和修復或處理能力的高低–模糊度確定算法效能的高低–解的穩定性第四章GPS網基線向量解算

基線解算函數模型需顧及的問題?幾何關系

–定義：接收機天線與衛星天線的相位中心在地心地固系下的幾何關系

–特點：影響函數模型?觀測值偏差

–定義：觀測值中所含偏差

–特點：影響觀測值本身第四章GPS網基線向量解算?影響幾何關系的因素

–衛星位置及姿態：

姿態用于將軌道數據的參考位置由衛星質心改化到天線相位中心

–測站位置：

受地球固體潮、大氣負荷潮、海洋負荷潮影響

–天線高：

在GPS靜態測量定位的觀測過程中，接收機天線高保持不變

–衛星及接收機天線相位中心的物理特性：

天線相位中心的偏移和變化第四章GPS網基線向量解算?影響觀測值的因素

–衛星鐘差–衛星信號通道延遲–大氣傳播延遲（包括電離層與對流層的傳播延遲）–接收機鐘差–接收機信號通道延遲第四章GPS網基線向量解算4.3基線解算軟件的操作流程1軟件操作流程圖第四章GPS網基線向量解算2基線解算結果的內容?解的類型（三差解，雙差解，固定解，浮動解等）?觀測值類型（L1，Inon-Free，Widelane）?不同系統下的輸入、輸出坐標?接收機的相關信息（如序列號等）?坐標分量估值的標準偏差?所有坐標參數（包括整周未知數參數等），的相關矩陣或方差-協方差陣?衛星幾何形狀的信息（如RDOP值等）?信號跟蹤記錄（數據記錄時間、衛星、通道、信號質量等）第四章GPS網基線向量解算2基線解算結果的內容?數據刪除率、采樣率、數據剔除準則?星歷內容綜述、健康標志信息?進行的數據預處理措施（如對流層模型）?觀測值改正數（殘差Residual）?結果統計檢驗結果?整周未知數的確定結果?解的質量綜述第四章GPS網基線向量解算4.4基線解算質量控制1質量控制的目的和內容?基線質量控制的目的–為后續的數據處理分析提供合格的基線向量結果。?基線質量控制的內容–質量評定?通過一系列的指標，對基線向量結果的質量進行評估，發現質量差（不合格的基線）。

–質量改善?通過數據處理手段，提高基線向量結果的質量。第四章GPS網基線向量解算2評定基線質量的指標1）相對指標–特點：僅具參考意義–指標：觀測值的參考方差，觀測值殘差的RMS，RATIO，數據刪除率2）半絕對指標–特點：能用于判定基線是否不合格，但不能用于判定基線是否合格–指標：同步環閉合差3）絕對指標–特點：可用于判定基線是否合格–指標：獨立環閉合差，復測基線較差第四章GPS網基線向量解算1）相對指標①觀測值的參考方差（ReferenceVariance）

–定義

–實質

?一定程度地反映了觀測值質量的優劣第四章GPS網基線向量解算1）相對指標②觀測值殘差的RMS（RootMeanSquare/均方根）

–定義

–實質

?反映了觀測值與參數估值間的符合程度?一定程度地反映了觀測值質量的優劣?一般認為，RMS越小越好第四章GPS網基線向量解算1）相對指標③數據剔除率

–定義 在基線解算時，如果觀測值的改正數大于某一個閾值時，則認為該觀測值含有粗差，則需要將其刪除。被刪除觀測值的數量與觀測值的總數的比值，就是所謂的數據刪除率。

–實質

數據刪除率從某一方面反映出了GPS原始觀測值的質量。數據刪除率越高，通常表明觀測值的質量越差。第四章GPS網基線向量解算1）相對指標④RATIO值

–定義

–實質

?反映了所確定出的整周未知數參數的可靠性，該值總大于等于1，值越大，可靠性越高。?這一指標取決于多種因素，既與觀測值的質量有關，也與觀測條件（衛星星座的幾何圖形的分布和變化）的好壞有關。第四章GPS網基線向量解算1）相對指標⑤RDOP值

–定義

所謂RDOP值指的是在基線解算時待定參數的協因數陣的跡的平方根，即

–實質

?RDOP值的大小與基線位置和衛星在空間中的幾何分布及運行軌跡（即觀測條件）有關，當基線位置確定后，RDOP值就只與觀測條件有關了，而觀測條件又是時間的函數，因此，實際上對與某條基線向量來講，其RDOP值的大小與觀測時間段有關。?RDOP表明了GPS衛星的狀態對相對定位的影響，即取決于觀測條件的好壞，它不受觀測值質量好壞的影響。第四章GPS網基線向量解算2）半絕對指標同步環閉合差

–定義?由同步觀測基線所組成的閉合環的閉合差。

–特點?理論上：由于同步觀測基線間具有一定的內在聯系，同步環閉合差在理論上應總是為0。?實踐中：只要數學模型正確、數據處理無誤，即使觀測值質量不好，同步環閉合差將非常小。

–實質?若同步環閉合差超限，則說明組成同步環的基線中至少存在一條基線向量是錯誤的?若同步環閉合差沒有超限，還不能說明組成同步環的所有基線在質量上均合格。第四章GPS網基線向量解算3）絕對指標①異步環閉合差

–定義?由相互獨立的基線所組成的閉合環的閉合差。–實質

?異步環閉合差滿足限差要求時，則表明組成異步環的基線向量的質量是合格的。?當異步環閉合差不滿足限差要求時，則表明組成異步環的基線向量中至少有一條基線向量的質量不合格。?要確定出哪些基線向量的質量不合格，可以通過多個相鄰的異步環或重復基線來判定。第四章GPS網基線向量解算3）絕對指標②重復基線較差

–定義

?不同觀測時段，對同一條基線的觀測結果，就是所謂重復基線。這些觀測結果之間的差異，就是復測基線較差。–實質

?復測基線較差滿足限差要求時，則表明基線向量的質量是合格的。?復測基線較差不滿足限差要求時，則表明復測基線中至少有一條基線向量的質量不合格。?要確定出哪些基線向量的質量不合格，可以通過多條復測基線來判定。第四章GPS網基線向量解算3規范要求全球定位系統（GPS）測量規范（GB/T18314-2001）

第四章GPS網基線向量解算3規范要求全球定位系統（GPS）測量規范（GB/T18314-2001）

第四章GPS網基線向量解算4影響基線質量的因素1）所設定的起點坐標不準確

–影響方式：導致基線向量發生偏差

–影響程度：2）少數衛星的觀測時間太短–影響方式：導致與該衛星有關的整周未知數固定困難

–影響程度：對于基線解算來講，對于參與計算的衛星，如果與其相關的整周未知數沒有準確確定的話，就將嚴重影響整個基線解算結果的質量第四章GPS網基線向量解算4影響基線質量的因素3）個別衛星或時段周跳太多，致使周跳修復不完善

–影響方式：導致整周未知數固定困難

–影響程度：嚴重影響基線向量的質量4）多路徑效應嚴重，改正數普遍較大

–影響方式：導致基線向量質量下降，嚴重時導致整周未知數固定困難

–影響程度

?隨多路徑效應的嚴重程度，對基線質量的影響將有所不同?多路徑效應對基線向量的水平方向影響較大第四章GPS網基線向量解算4影響基線質量的因素5）對流層或電離層折射影響較大

–影響方式

導致基線向量質量下降，嚴重時導致整周未知數固定困難

–影響程度

?隨大氣折射影響的嚴重程度，對基線質量的影響將有所不同?大氣折射影響對基線向量的垂直方向影響較大6）其它因素

–衛星軌道誤差較大–數學模型問題：地球潮汐、地球自轉、衛星姿態及天線相位中心問題等第四章GPS網基線向量解算5影響基線質量因素的判別1）起點坐標不準確的判別–無明確的方法2）衛星觀測時間短的判別–通過衛星可見性圖3）周跳–通過殘差圖（殘差跳躍）上述3幅雙差殘插圖表面SV12存在周跳第四章GPS網基線向量解算5影響基線質量因素的判別4）多路徑效應嚴重

–通過殘差圖（殘差中部分區間成系統性變化，且呈現周日特征）5）對流層或電離層折射影響過大

–通過殘差圖（殘差中部分區間成系統性變化，但無周日特征）受多路徑效應或大氣折射影響的殘差圖第四章GPS網基線向量解算6改善基線向量的方法1）基線起點坐標不準確的應對方法

–使用坐標精度高的點作為起算點

①與已知點（IGS跟蹤站）聯測（可獲得分米級以上精度的地心坐標）②長時間單點定位（數小時單點定位，可獲得米級精度的地心坐標）

–所有基線從一點或由該點衍生出的