GPS数据处理作业流程及原理.doc

浅
谈
G
P
S
数
据
处
理
流
程
和
原
理

班级：*********** 姓名：**** 指导老师：****

题目：浅谈GPS数据处理步骤和原理

工程测量****：**** 指导老师：****
【摘要】 本文关键讲述 GPS测量数据处理全过程。进行GPS数据处理时，叙述GPS数据预处理，GPS控制网基线向量解算和GPS网平差或和地面网联合平差。

【关键词】 GPS数据处理 基线解算 平差

引言
全球定位系统(GPS)已在国民经济和国防建设各个领域中得到了广泛应用。新一代卫星导航定位技术高度自动化和所达成定位精度及其潜力，使广大测量工作者产生了极大爱好。本文就GPS数据传输和处理及其原理等方面对作简明分析。

一． GPS数据处理特点：

1. 海量观察数据。
2. 数据处理过程复杂。
3. 处理方法多样化。
4. 数据处理自动化。

二． GPS数据处理步骤
GPS精密数据处理从原始卫星观察数据开始到最终定位结果，可分为GPS基线向量解算和GPS基线向量网平差计算两个阶段。GPS数据处理基础步骤图1所表示。

图1 GPS数据处理基础步骤

三． 观察数据预处理
1. 数据传输：数据传输是用专门传输电缆连接接收机和计算机，并选择后处理软件中数据下载功效将接收机内观察数据传输到计算机。
2. 数据分流：数据分流是在进行数据传输同时，系统将自动进行数据分流，将各类观察数据归入不一样文件，经过解码将各项数据分类整理，并剔除无效观察数据和冗余数据，建立不一样数据文件，为下一步处理做准备。
3. 数据文件格式标准化：将不一样类型接收机数据统计格式，项目和采样间隔，统一为标准化得文件格式，方便进行统一处理。
4. 整周跳变探测和修复：确定整周未知数初始值大多数采取伪距观察值来估算。
5. 观察值多种模型更正：预处理所采取模型和方法优劣，将直接影响最终结果质量，是关系GPS作业效率和精度关键步骤。

四． 基线向量解算
1．观察值处理
GPS基线向量表示了各测站间一个位置关系，即测站和测站间坐标增量。GPS基线向量和常规测量中基线是有区分，常规测量中基线只有长度属性，而GPS基线向量则含有长度、水平方位和垂直方位等三项属性。GPS基线向量是GPS同时观察直接结果，也是进行GPS网平差，获取最终点位观察值。
若在某一历元中，对k颗卫星数进行了同时观察，则能够得到k-1个双差观察值；若在整个同时观察时段内同时观察卫星总数为l则整周未知数数量为l-1。
在进行基线解算时，电离层延迟和对流层延迟通常并不作为未知参数，而是经过模型更正或差分处理等方法将它们消除。所以，基线解算时通常只有两类参数，一类是测站坐标参数，数量为3；另一类是整周未知数参数（m为同时观察卫星数），数量为。
2.基线解算
基线解算过程实际上关键是一个平差过程，平差所采取观察值关键是双差观察值。在基线解算时，平差要分三个阶段进行，第一阶段进行初始平差，解算出整周未知数参数和基线向量实数解（浮动解）；在第二阶段，将整周未知数固定成整数；在第三阶段，将确定了整周未知数作为已知值，仅将待定测站坐标作为未知参数，再次进行平差解算，解求出基线向量最终解-整数解（固定解）。
（1）初始平差
依据双差观察值观察方程（需要进行线性化），组成误差方程后，然后组成法方程后，求解待定未知参数其精度信息，其结果为：
待定参数：
待定参数协因数阵：，
单位权中误差：。
经过初始平差，所解算出整周未知数参数本应为整数，但因为观察值误差、随机模型和函数模型不完善等原因，使得其结果为实数，所以，此时和实数整周未知数参数对应基线解被称作基线向量实数解或浮动解。
为了取得很好基线解算结果，必需正确地确定出整周未知数整数值。
（2）整周未知数确实定
前文已提及，此处不再详述。
（3）确定基线向量固定解
当确定了整周未知数整数值后，和之相对应基线向量就是基线向量整数解。
3.基线解算类型
【1】、单基线解
  （1）定义：当有台GPS接收机进行了一个时段同时观察后，每两台接收机之间就能够形成一条基线向量，共有条同时观察基线，其中最多能够选出相互独立条同时观察基线，至于这条独立基线怎样选择，只要确保所选条独立基线不组成闭和环就能够了。这也是说，通常组成了闭和环同时基线是函数相关，同时观察所取得独立基线即使不含有函数相关特征，但它们却是误差相关，实际上全部同时观察基线间全部是误差相关。所谓单基线解算，就是在基线解算时不顾及同时观察基线间误差相关性，对每条基线单独进行解算。
  （2）特点：单基线解算算法简单，但因为其解算结果无法反应同时基线间误差相关特征，不利于后面网平差处理，通常只用在一般等级GPS网测设中。
 【2】、多基线解
   （1）定义：和单基线解算不一样是，多基线解算顾及了同时观察基线间误差相关性，在基线解算时对全部同时观察独立基线一并解算。
   （2）特点：多基线解因为在基线解算时顾及了同时观察基线间误差相关特征，所以，在理论上是严密。
   （3）多站整体解（绝对坐标）
   （4）单基线解算过程（图2）所表示
（图2）
   （5）利用基线解算软件解算基线向量过程（图3）所表示
（图3）
五．基线解算结果质量评定指标
1．质量控制指标
（1）单位权方差因子
1）定义

其中：
为观察值残差；
为观察值权；
为观察值总数。
2）实质
单位权方差因子又称为参考因子。
2．数据删除率
1）定义
在基线解算时，假如观察值更正数大于某一个阈值时，则认为该观察值含有粗差，则需要将其删除。被删除观察值数量和观察值总数比值，就是所谓数据删除率。
2）实质
数据删除率从某首先反应出了GPS原始观察值质量。数据删除率越高，说明观察值质量越差。
3．RATIO值
1）定义

显然，
2）实质
反应了所确定出整周未知数参数可靠性，这一指标取决于多个原因，既和观察值质量相关，也和观察条件好坏相关。
4. RDOP
1）定义
RDOP值指是在基线解算时待定参数协因数阵迹（）平方根，即RDOP值大小和基线位置和卫星在空间中几何分布及运行轨迹（即观察条件）相关，当基线位置确定后，RDOP值就只和观察条件相关了，而观察条件又是时间函数，所以，实际上对和某条基线向量来讲， 其RDOP值大小和观察时间段相关。
2）实质
RDOP表明了GPS卫星状态对相对定位影响，即取决于观察条件好坏，它不受观察值质量好坏影响。
5．RMS
1）定义
即均方根误差（Root Mean Square），即：

其中：
为观察值残差；
为观察值权；
为观察值总数。
2）实质
表明了观察值质量，观察值质量越好，越小，反之，观察值质量越差，则越大，它不受观察条件（观察期间卫星分布图形）好坏影响。
依据数理统计理论观察值误差落在1.96倍RMS范围内概率是95%。
6．同时环闭合差
同时环闭合差是由同时观察基线所组成闭合环闭合差。
因为同时观察基线间含有一定内在联络，从而使得同时环闭合差在理论上应总是为0，假如同时环闭合差超限，则说明组成同时环基线中最少存在一条基线向量是错误，但反过来，假如同时环闭合差没有超限，还不能说明组成同时环全部基线在质量上均合格。
7．异步环闭合差
不是完全由同时观察基线所组成闭合环称为异步环，异步环闭合差称为异步环闭合差。
当异步环闭合差满足限差要求时，则表明组成异步环基线向量质量是合格；当异步环闭合差不满足限差要求时，则表明组成异步环基线向量中最少有一条基线向量质量不合格，要确定出哪些基线向量质量不合格，能够经过多个相邻异步环或反复基线来进行。
8.反复基线较差
不一样观察时段，对同一条基线观察结果，就是所谓反复基线。这些观察结果之间差异，就是反复基线较差。
总结
、和这多个质量指标只含有某种相对意义，它们数值高低不能绝正确说明基线质量高低。若偏大，则说明观察值质量较差，若值较大，则说明观察条件较差。
六．GPS基线向量网平差
1.网平差分类
GPS网平差类型有多个，依据平差所进行坐标空间，可将GPS网平差分为三维平差和二维平差，依据平差时所采取观察值和起算数据数量和类型，可将平差分为无约束平差、约束平差和联合平差等。
（1）三维平差和二维平差
三维平差：平差在三维空间坐标系中进行，观察值为三维空间中观察值，解算出结果为点三维空间坐标。GPS网三维平差，通常在三维空间直角坐标系或三维空间大地坐标系下进行。
二维平差：平差在二维平面坐标系下进行，观察值为二维观察值，解算出结果为点二维平面坐标。二维平差通常适合于小范围GPS网平差。
（2）无约束平差、约束平差和联合平差
无约束平差：在平差时不引入会造成GPS网产生由非观察量所引发变形外部起算数据。常见GPS网无约束平差，通常是在平差时没有起算数据或没有多出起算数据。
约束平差：平差时所采取观察值完全是GPS观察值（即GPS基线向量），而且，在平差时引入了使得GPS网产生由非观察量所引发变形外部起算数据。
联合平差：平差时所采取观察值除了GPS观察值以外，还采取了地面常规观察值，这些地面常规观察值包含边长、方向、角度等观察值等。
2.平差过程
（1）取基线向量，构建GPS基线向量网
要进行GPS网平差，首先必需提取基线向量，构建GPS基线向量网。提取基线向量时需要遵照以下几项标准：
1）必需选择相互独立基线，若选择了不相互独立基线，则平差结果会和真实情况不相符合；
2）所选择基线应组成闭合几何图形；
3）选择质量好基线向量，基线质量好坏，能够依据、、、同时环闭和差、异步环闭和差和反复基线较差来判定；
4）选择能组成边数较少异步环基线向量；
5）选择边长较短基线向量。
（2）三维无约束平差
在组成了GPS基线向量网后，需要进行GPS网三维无约束平差，经过无约束平差关键达成以下多个目标：
1）依据无约束平差结果，判别在所组成GPS网中是否有粗差基线，如发觉含有粗差基线，需要进行对应处理，必需使得最终用于构网全部基线向量均满足质量要求。
2）调整各基线向量观察值权，使得它们相互匹配。
（3）约束平差/联合平差
在进行完三维无约束平差后，需要进行约束平差或联合平差，平差可依据需要在三维空间进行或二维空间中进行。
约束平差具体步骤是：
1）指定进行平差基准和坐标系统。
2）指定起算数据。
3）检验约束条件质量。
4）进行平差解算。
3．质量分析和控制
在这一步，进行GPS网质量评定，在评定时能够采取下面指标：
基线向量更正数。依据基线向量更正数大小，能够判定出基线向量中是否含有粗差。
若在进行质量评定时，发觉有质量问题，需要依据具体情况进行处理，假如发觉组成GPS网基线中含有粗差，则需要采取删除含有粗差基线、重新对含有粗差基线进行解算或重测含有粗差基线等方法加以处理；假如发觉部分起算数据有质量问题，则应该放弃有质量问题起算数据。
4.平差结果质量评定
   指标：相邻点距离中误差
   1、单位权方差检验
   2、基线更正数检验
   3、已知坐标检验 
七．总结

和常规测量任务一样，由GPS测量取得测量数据，也需要经过数据处理才能得到实用结果。而GPS接收机采集是地面接收天线至卫星距离和卫星星历等数据，这和常规测量技术测量所得到地面点间相对关系量（如角度，距离，高差等）不一样，而GPS测得结果是基于WGS-84世界大地坐标系，而使用者需要却是本国或某一地域点位坐标，所以要得到有使用意义测量定位结果，其测后数据处理会较常规测量方法复杂。