GPS数据处理中的质量控制

1GPS数据处理中的质量控制姚宜斌武汉大学测绘学院2014年4月21概述3GPS网及其布设GPS网采用GPS技术布设的测量控制网由点、基线向量构成，或许还会含有其它类型的观测量目的：确定点的坐标，消除几何上的不一致性4GPS网及其布设GPS网的布设重复设站我国2001年公布的全球定位系统（GPS）测量规范（GB/T18314-2001）中对不同等级网的平均设站观测次数（观测时段数）的要求5GPS网及其布设GPS网的布设GPS布设时的逐步推进方式6GPS测量数据处理的流程数据采集工具：GPS接收机。结果：记录在接收机中的原始观测数据。数据传输工具：数据传输软件（功能模块）。结果：记录在计算机中的原始观测数据。格式转换工具：格式转换软件（功能模块）。结果：标准格式的数据。基线解算工具：基线计算软件（功能模块）。结果：GPS基线向量解。网平差工具：GPS网平差软件（功能模块）。结果：点坐标、基准转换参数及相关统计信息。是否完成所有观测和基线解算。是否数据处理结束开始四个阶段：1.数据传输2.格式转换（可选）3.基线处理4.网平差72基线解算模式8基线向量解基线边长与基线向量基线边长基线向量基线边长（左）与基线向量（右）9基线解算模式单基线解/基线模式：一次仅同时提取两台GPS接收机的同步观测数据进行基线解算。多基线解/时段模式：一次提取一个观测时段中所有进行同步观测的n台接收机所采集的同步观测数据，在一个单一解算过程中共同解求出所有n-1条相互函数独立的基线。整体解/战役模式：一次提取项目整个观测过程中所有观测数据，在一个单一解算过程中同时对它们进行处理，得出所有独立基线。103基线解算的基本原理11基线解算的基本流程基线解算的处理流程（数据处理软件内部）数据预处理建立数学模型确定基线向量的浮动解确定整周未知数确定基线向量的固定解124基线解算软件的操作流程*13软件操作流程图数据准备数据包括：GPS观测数据、卫星星历、人工观测数据、先验数据等处理控制参数设置控制参数包括：星历类型、截止高度角、周跳修复方法…软件处理基线结果质量检验结束合格不合格？14基线解算结果的内容①解的类型（三差解，双差解，固定解，浮动解等）观测值类型（L1，Inon-Free，Widelane）不同系统下的输入、输出坐标接收机的相关信息（如序列号等）坐标分量估值的标准偏差所有坐标参数（包括整周未知数参数等），的相关矩阵或方差-协方差阵卫星几何形状的信息（如RDOP值等）信号跟踪记录（数据记录时间、卫星、通道、信号质量等）15基线解算结果的内容②数据删除率，采样率，数据剔除准则星历内容综述，健康标志信息进行的数据预处理措施（如对流层模型）观测值改正数（残差Residual）结果统计检验结果整周未知数的确定结果解的质量综述165基线解算阶段的质量控制17基线质量控制的目的和内容基线质量控制的目的为后续的数据处理分析提供合格的基线向量结果。基线质量控制的内容质量评定通过一系列的指标，对基线向量结果的质量进行评估，发现质量差（不合格的基线）。质量改善通过数据处理手段，提高基线向量结果的质量。18评定基线质量的指标相对指标特点：仅具参考意义指标：观测值的参考方差，观测值残差的RMS，RATIO，数据删除率半绝对指标特点：能用于判定基线是否不合格，但不能用于判定基线是否合格指标：同步环闭合差绝对指标特点：可用于判定基线是否合格指标：独立环闭合差，复测基线较差19相对指标①观测值的参考方差（ReferenceVariance）定义实质一定程度地反映了观测值质量的优劣0ˆfPVVT0ˆ参考方差观测值的残差观测值的权自由度20相对指标②观测值残差的RMS定义：观测值残差的RMS（RootMeanSquare/均方根）实质反映了观测值与参数估值间的符合程度一定程度地反映了观测值质量的优劣一般认为，RMS越小越好观测值的均方根误差观测值的残差观测值的数量TVVRMSn21相对指标③数据删除率定义：在基线解算时，如果观测值的改正数大于某一个阈值时，则认为该观测值含有粗差，则需要将其删除。被删除观测值的数量与观测值的总数的比值，就是所谓的数据删除率。实质：数据删除率从某一方面反映出了GPS原始观测值的质量。数据删除率越高，通常表明观测值的质量越差。22相对指标④RATIO定义实质反映了所确定出的整周未知数参数的可靠性，该值总大于等于1，值越大，可靠性越高。这一指标取决于多种因素，既与观测值的质量有关，也与观测条件（卫星星座的几何图形的分布和变化）的好坏有关。最小次最小RMSRMSRATIO23相对指标⑤RDOP定义：所谓RDOP值指的是在基线解算时待定参数的协因数阵的迹的平方根，即实质：RDOP值的大小与基线位置和卫星在空间中的几何分布及运行轨迹（即观测条件）有关，当基线位置确定后，RDOP值就只与观测条件有关了，而观测条件又是时间的函数，因此，实际上对与某条基线向量来讲，其RDOP值的大小与观测时间段有关。RDOP表明了GPS卫星的状态对相对定位的影响，即取决于观测条件的好坏，它不受观测值质量好坏的影响。21))((QtrRDOP24半绝对指标同步环闭合差定义由同步观测基线所组成的闭合环的闭合差。特点理论上：由于同步观测基线间具有一定的内在联系，同步环闭合差在理论上应总是为0。实践中：只要数学模型正确、数据处理无误，即使观测值质量不好，同步环闭合差将非常小。实质若同步环闭合差超限，则说明组成同步环的基线中至少存在一条基线向量是错误的若同步环闭合差没有超限，还不能说明组成同步环的所有基线在质量上均合格。25绝对质量指标①异步环闭合差定义由相互独立的基线所组成的闭合环的闭合差。实质异步环闭合差满足限差要求时，则表明组成异步环的基线向量的质量是合格的。当异步环闭合差不满足限差要求时，则表明组成异步环的基线向量中至少有一条基线向量的质量不合格。要确定出哪些基线向量的质量不合格，可以通过多个相邻的异步环或重复基线来判定。26绝对质量指标②复测基线较差（重复基线互差）定义不同观测时段，对同一条基线的观测结果，就是所谓重复基线。这些观测结果之间的差异，就是复测基线较差。实质复测基线较差满足限差要求时，则表明基线向量的质量是合格的。复测基线较差不满足限差要求时，则表明复测基线中至少有一条基线向量的质量不合格。要确定出哪些基线向量的质量不合格，可以通过多条复测基线来判定。27规范要求①全球定位系统（GPS）测量规范（GB/T18314–2001）28规范要求②全球定位系统（GPS）测量规范（GB/T18314–2001）29影响基线质量的因素①基线解算时所设定的起点坐标不准确影响方式：导致基线向量发生偏差影响程度：少数卫星的观测时间太短影响方式：导致与该卫星有关的整周未知数固定困难影响程度：对于基线解算来讲，对于参与计算的卫星，如果与其相关的整周未知数没有准确确定的话，就将严重影响整个基线解算结果的质量dDdXDd起点坐标的偏差GPS卫星轨道高度基线向量的偏差基线长度30影响基线质量的因素②在整个观测时段中，有个别卫星或个别时间段周跳太多，致使周跳修复不完善影响方式：导致整周未知数固定困难影响程度：严重影响基线向量的质量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影响方式：导致基线向量质量下降，严重时导致整周未知数固定困难影响程度随多路径效应的严重程度，对基线质量的影响将有所不同多路径效应对基线向量的水平方向影响较大31影响基线质量的因素③对流层折射影响或电离层折射影响较大影响方式：导致基线向量质量下降，严重时导致整周未知数固定困难影响程度随大气折射影响的严重程度，对基线质量的影响将有所不同大气折射影响对基线向量的垂直方向影响较大其它因素卫星轨道误差较大数学模型问题：地球潮汐、地球自转、卫星姿态及天线相位中心问题等32影响基线质量因素的判别①基线起点坐标不准确的判别无明确的方法卫星观测时间短的判别通过卫星可见性图周跳通过残差图（残差跳跃）SV3SV8SV13SV20SV26SV27卫星可见性图残差（周）时间0.00100.00-100.00SV12-SV15残差（周）时间0.00100.00-100.00SV12-SV25残差（周）时间0.000.100.10SV25-SV15上面3幅双差残差图表明SV12存在周跳33影响基线质量因素的判别②多路径效应严重通过残差图（残差中部分区间成系统性变化，且呈现周日特征）对流层或电离层折射影响过大通过残差图（残差中部分区间成系统性变化，但无周日特征）SV26-0.3-0.2-0.100.10.20.30.405001000150020002500SV26受多路径效应或大气折射影响的残差图346网平差的流程35网平差的整体流程网平差的步骤提取基线向量，构建GPS基线向量网三维无约束平差约束平差/联合平差质量分析与控制36网平差的整体流程提取基线向量的原则必须选取相互独立的基线所选取的基线应构成闭合的几何图形选取质量好的基线向量选取能构成边数较少的异步环的基线向量选取边长较短的基线向量37网平差的整体流程质量分析与控制基线向量的改正数相邻点距离中误差2-检验38三维无约束平差单位权方差的检验作用观测值的先验单位权方差是否合适；各观测值之间的权比关系是否合适。检验未通过所反映出的问题给定了不适当的先验单位权方差；观测值之间的权比关系不合适；观测值中可能存在粗差。39三维约束平差单位权方差的检验目的确定起算数据是否与GPS观测成果相容检验未通过所反映出的问题起算数据的质量不高GPS网的质量不高40联合平差的流程417GPS网平差的质量控制42观测值(基线向量)质量的检验①方法残差检验处理方法删除劣质基线基线对劣质基线降权0120120||||||1iiiiiivqtvvqtq或（标准化残差）43观测值(基线向量)质量的检验②规范要求44相邻点距离中误差的检验规范要求45起算点质量的检验方法方差因子检验（2检验）检查点法符合路线法46起算点质量的检验方差因子检验（2检验）方法：检验约束平差的验后方差因子与无约束平差的验后方差因子是否一致。特点：理论方法，实用性差。47推算2个点固定3个点起算点质量的检验检查点法方法：当有多个已知点时，可先仅固定其中部分点进行平差，然后将平差得到的点坐标与已知成果进行比较，以判定起算点成果的质量。特点：实用性强，可用现有网平差软件进行，但需要有三个以上的已知点。48起算点质量的检验符合路线法方法：从某个已知点，经过由若干基线向量所组成的导线，推算出另一已知点的坐标，对推算值与已知值进行比较，以判定起算点成果的质量。特点：实用性强，但无法利用现有的网平差软件进行。49起算点质量的检验参数转换法（剔点法）方法：①利用所有控制点的WGS84成果和54成果，采用四参数模型，求WGS84坐标系到1954年北京坐标系的转换参数；②利用所求得的转换参数将参与求转换参数点的WGS84坐标转换到1954年北京坐标；③求转换所得的1954年北京坐标与已知的1954年北京坐标的残差；④剔除残差最大的点，重新执行①-③，直到所有参与求转换参数点的点位残差小于2-3cm，此时剩下的点为满足要求的起算点。)(cossinsincos)1(8480/54yxyxmyx50起算点质量的检验参数转换法（加点法）方法：①找出可靠性最好（或是目前常用的）两个点，利用四参数模型求WGS84坐标系到1954年北京坐标系的转换参数；②利用所求得的转换参数将所有控制点的WGS84