第六章-GPS基线解算

©2005-2013武汉大学测绘学院空间定位与导航工程研究所1GPS测量与数据处理（2011级本科生适用）˗刘万科副教授˗武汉大学测绘学院空间定位与导航工程研究所2联系信息办公室：测绘学院4楼423室电话：[phone](office)Email：[e-mail]@whu.edu.cn3理论课时：30节实验课时：6节课程性质：方向必修学分：2所用教材：李征航，黄劲松编著，《GPS测量与数据处理（第二版）》，武汉大学出版社，2010课程网站：考核形式：考试(70%)+作业(20%)+课堂(10%)˗课程设置©2005-2013武汉大学测绘学院空间定位与导航工程研究所4第六章GPS基线解算5GPS基线解算§6.1概述§6.2基线的解算模式§6.3基线解算的过程及结果§6.4基线解算的质量控制©2005-2013武汉大学测绘学院空间定位与导航工程研究所6第一节概述7概述①•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8概述②•GPS网的布设–GPS布设时逐步推进9概述③•数据传输–将观测数据从接收机内部存储器或可移动存储介质上下载到计算机中•格式转换–将接收机所专有的二进制数据转换为可读取的数据格式（通常为RINEX格式）10概述④•基线解算–根据同步观测数据确定接收机之间的基线向量及其方差-协方差阵;–一般工程应用中，该工作是在外业观测期间完成的；在高精度长距离的应用中，外业的基线计算是为了对观测数据质量进行初步评估；正式的计算是在整个外业观测完成后进行;–基线向量结果除了被用于后续的网平差外，还被用于检验和评估外业观测质量;–基线向量提供了点与点之间的相对位置观测，可确定GPS网的几何形状和定向；缺少绝对位置基准。11概述⑤•网平差–根据基线向量及方差-协方差信息，并引入适当的起算数据，通过参数估计的方法确定出网中各点的坐标–可以发现观测值中的粗差，并进行相应处理–可以消除由于基线向量误差而引起的几何矛盾，并评定观测成果的精度12GPS网的数据处理流程数据采集工具：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.网平差概述⑥©2005-2013武汉大学测绘学院空间定位与导航工程研究所13第二节基线的解算模式14基线向量解①•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）15基线向量解②•基线向量的表达方式–空间直角坐标的坐标差–大地坐标的坐标差–站心地平坐标的坐标差TiiiiXYZbTiiiiBLHbTiiiiNEUb16同步观测基线间的误差相关性ABC提示：由于在计算AB、AC两条基线向量时，均用到了A点的观测数据，因而A点观测数据中的误差将同时对这些基线产生影响17基线解算模式①单基线解/基线模式(Single-BaselineMode/BaselineMode)多基线解/时段模式(Multi-BaselineMode/SessionMode)整体解/战役模式(CampaignMode)18基线解算模式②•单基线解/基线模式–解算方法•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–特点•模型简单，参数较少，计算量小，最为常用•解算结果无法反映同步观测基线间的误差相关性•无法充分利用观测数据之间的关联性–适用范围•一般工程应用，被绝大多数商业软件所采用19基线解算模式③•单基线解/基线模式–基线解结果基线向量估值基线向量估值的方差-协方差阵TiiiiXYZb222iiiiiiiiiiiiiiiiXXYXZYXYYZZXZYZbd20基线解算模式④•多基线解/时段模式–解算方法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。–特点数学模型严密，能反映出同步观测基线间的统计相关性数学模型和解算过程比较复杂，计算量较大–适用范围对质量要求严格的应用；被绝大多数科研软件采用21基线解算模式⑤•多基线解/时段模式–基线选择方法射线法（左）和导线法（右）22基线解算模式⑥•多基线解/时段模式–基线解结果基线向量估值基线向量估值的方差-协方差阵,1,2,1iTiiiimBbbb,1,1,1,2,1,1,2,1,2,2,2,1,1,1,1,2,1,1,,,,,,,,,.....................iiiiiimiiiiiimiimiimiimimbbbbbbbbbbbbbbbbbbBddddddDddd23基线解算模式⑦•整体解/战役模式–解算方法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–特点数学模型严密，能反映出同步观测基线间的统计相关性避免了结果在几何上的不一致性将基线解算与网平差融为了一体数学模型和解算过程复杂，计算量大–适用范围高精度定位、定轨©2005-2013武汉大学测绘学院空间定位与导航工程研究所24第三节基线解算的过程及结果25基线解算的基本流程①•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2626基线解算的基本流程②数据导入（观测值、星历、气象元素、测站信息等）数据预处理（周跳探测与修复、形成差分观测值）组成观测方程（待定参数包括基线向量、整周模糊度等）参数估计（待定参数包括基线向量、整周模糊度等）是否存在劣质观测值或小周跳剔除或修复是否能否确定整周模糊度参数否是确定基线向量的固定解确定基线向量的浮动解27基线解算的基本流程③•数据预处理–目的获得干净的观测值–过程数据传输和解码数据标准化数据筛选和编辑接收机钟差估算差分观测值或线性组合观测值形成基线向量近似解估算周跳探测、修复或标记28基线解算的基本流程④•建立数学模型–包括函数模型和随机模型–通常为双差模型–模型参数通常包括•坐标（基线向量）•整周模糊度•天顶方向的对流层延迟也称为统计模型，它描述了观测量的统计特性，并通过一个先验的方差-协方差矩阵来表示。通过某种几何模型和物理模型联系起来的观测量与未知参数(自变量)之间的函数表达式29基线解算的基本流程⑤•确定基线向量的浮动解–直接利用所建立的数学模型求解–模糊度为实数30基线解算的基本流程⑥•确定整周未知数–通常采用搜索算法，确定模糊度的整数值–对所确定出的模糊度进行检验，若能通过下列检验，则将模糊度固定为整数值，否则不固定•与实数模糊度的一致性•最优整数值与次优整数值的可区分性（RATIO值）•基线向量固定解与基线向量实数解的一致性31基线解算的基本流程⑦•确定基线向量的最终解–若模糊度能固定成为整数值，则在数学模型中将模糊度固定，重新解算基线，得到基线向量固定解–若模糊度无法固定成为整数值，则给出基线向量浮动解32基线解算（软件处理）的过程•导入观测数据•检查与修改外业输入数据•设定基线解算的控制参数•基线解算•基线解算的质量控制•得到最终的基线解算结果33基线解算（软件处理）流程图软件处理输出结果合格不合格？•GPS观测数据•GPS广播星历•精密星历（可选）•测站坐标（可选）数据导入•星历类型•截止高度角•周跳修复方法•对流层折射处理方法•电离层折射处理方法•参与处理的卫星和观测值•……处理控制参数设置基线结果质量检验•Ratio•RDOP•RMS•同步环闭合差•异步环闭合差•重复基线较差•GPS网无约束平差基线向量改正数34基线解（软件处理）的输出结果一般情况下，基线解算结果包括如下以文字或图形方式给出的内容:①数据记录情况（起止时刻、历元间隔、观测卫星、历元数）；②测站信息：位置（经度、纬度、高度）、所采用接收机的序列号、所采用天线的序列号、测站编号、天线高；③每一测站在测量期间的卫星跟踪状况；④气象数据（气压、温度、湿度）；35基线解（软件处理）的输出结果⑤基线解算控制参数设置（星历类型，截止高度角、解的类型、对流层折射的处理方法、电离层折射的处理方法、周跳处理方法等）；⑥基线向量估值及其统计信息（基线分量、基线长度、基线分量的方差-协方差阵/协因数阵、观测值残差RMS、整周模糊度解方差的比值（RATIO值）、单位权方差因子（参考方差））⑦观测值残差序列。©2005-2013武汉大学测绘学院空间定位与导航工程研究所36第四节基线解算的质量控制37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通过一系列的质量评价指标，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（基线精化处理），提高基线向量结果的质量38基线质量控制的目的和内容•评定基线解算结果质量的指标有两类：–一是基于测量规范的控制指标；二是基于统计学原理的参考指标–在工程应用中，控制指标必须满足，而参考指标则不作为判别质量是否合格的依据，仅供参考39质量的控制指标①•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。–根据GB/T18314-2009同一时段观测值的数据剔除率宜小于10%40质量的控制指标②•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零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41质量的控制指标③–根据GB/T18314-2009，应对所有三边同步环进行检验，闭合差宜满足如下的要求：353535xyz为对基线测量中误差的要求（按网的实际平均变长计算）42质量的控制指标④•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43质量的控制指标⑤–根据GB/T18314-2009，B、C、D、E级GPS网外业基线处理结果，其独立环或附合路线坐标闭合差应满足如下的要求：33333xyzSWnWnWnWnn为闭合环边数为对基线测量中误差的要求（按网的实际平均变长计算）44质量的控制指标⑥•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