GPS数据预处理

GPS数据预处理
预处理的主要工作：
数据传输。

将GPS接收机记录的观测数据，传输到计算机磁盘上，以备处理和保存。

数据分流。

从原始记录中，通过解码将各项数据分类整理，剔除无效观测值和冗余信息，形成各种数据文件，如星历文件、观测文件和测站信息文件等。

（以上为数据的粗加工，称为预处理的准备工作。

）
观测数据的平滑、滤波。

剔除粗差并进一步剔除无效观测值。

统一数据文件格式。

将不同类型接收机的数据记录格式、项目和采样间隔，统一为标准化的文件格式，以便统一处理。

卫星轨道的标准化。

为了统一不同来源卫星轨道信息的表达方式，和平滑GPS卫星每小时更新一次的轨道参数，一般采用多项式拟合法，使观测时段的卫星轨道标准化，以简化计算工作，提高定位精度。

探测周跳、修复载波相位观测值。

对观测值进行各项必要的改正。

（以上均由软件自动处理）
GPS基线解算的内涵
•定义
–利用多个测站的GPS同步观测数据，确定这些测站之间坐标差的过程•观测值
–GPS载波相位观测值（主要）
•原始观测值
•差分观测值
•不同频率的组合观测值
–GPS伪距观测值（辅助）
•结果
–基线向量
–精度（中误差）及误差相关性信息（协因数阵）
GPS基线向量的表达方式
•地心地固坐标（ECEF）
–笛卡儿坐标系－(∆X, ∆Y, ∆Z)
–大地坐标系－(∆B, ∆L, ∆H)
•∆B：纬差；∆L：经差；∆H：大地高差
•站心地平坐标系
–直角坐标系－(N, E, U)
•N：北方向；E：东方向；U：垂直方向
–极坐标系－(S, A, H)
•S：距离；A：方位角；H：高度角
基线解算的分类①
•基线解算的分类方法
–根据数学模型
•单基线解、多基线解、整体解（多站网解）
–根据观测值类型
•L1解、L2解、宽巷（Wide-lane）解、窄巷（Narrow-lane）解、无
电离层影响（Iono-free）解
–根据所采用差分观测值的类型
•非（零）差解、单差解、双差解、三差解
–根据模糊度的确定情况
•浮动解、固定解
基线解算的类型②
•根据数学模型分类
–单基线解（Single Baseline/Baseline Mode）
•数学模型按单一基线建立
•模型简单
•不顾及同一时段基线间的误差相关特性
–多基线解（Multiple Baseline/Session Mode）
•数学模型按时段建立，包括同一时段中一组独立基线
•模型较为复杂
•顾及同一时段基线间的误差相关特性
–整体解（多站网解）（Campaign Mode）
•数学模型按整网建立，包括整网中相互独立基线
•模型最为严密
•顾及同一时段基线间的相关特性
•基线之间相互约束，结构强
基线解算的类型③
•根据（主要）观测值类型分类
–L1解：L1载波相位
–L2解：L2载波相位
–宽巷（Wide-lane）解：宽巷组合观测值
–窄巷（Narrow-lane）解：窄巷组合观测值
–无电离层影响（Iono-free）解：无对流层影响（Iono-free）组合观测值
基线解算的类型④
•根据所采用差分观测值的类型
–非（零）差解：采用非（零）差观测值
–单差解：采用单差观测值
–双差解：采用双差观测值
–三差解：采用三差观测值
•根据模糊度的确定情况
–固定解（整数解）(Fixed)：模糊度被确定为整数
–浮动解（实数解）(Float)：模糊度未被确定为整数
影响基线解算结果因素的判别
•基线起点坐标不准确的判别
–难以判别
–卫星观测时间短的判别
–查看观测数据记录文件中有关对与每个卫星的观测数据的数量
–卫星可见性图
•周跳太多的判别
–从基线解算后所获得的观测值残差来分析，某测站对某卫星的观测值中含未修复的周跳时，与此相关的所有残差都会出现显著的整数倍的增大。

•多路径效应、对流层或电离层折射影响过大的判别
–同周跳太多的判别
–残差会出现非整数倍的增大，一般不超过1周，但明显大于正常观测值的残差。

应对措施
•基线起点坐标不准确的应对方法
–提高起点坐标精度
–卫星观测时间短的应对方法
–删除该卫星的观测数据，不让它们参加基线解算
•周跳太多的应对方法
–多颗卫星在相同的时间段内经常发生周跳，删除周跳严重的时间段
–个别卫星经常发生周跳，删除该卫星发生周跳的观测值
•多路径效应严重、对流层或电离层折射影响过大的应对方法
多路径效应严重
–删除多路径效应严重的时间段或卫星
对流层或电离层折射影响过大
–提高截止高度角（具有盲目性）
–模型改正
–双频观测值
差分观测值的形成①
•差分方式
–站间差分
–星间差分
–历元间差分
差分观测值的形成②
•站间差分
–求差方式
•同步观测值在接收机间求差
–数学形式
–特点
•消除了卫星钟差影响
•削弱了电离层折射影响
•削弱了对流层折射影响
•削弱了卫星轨道误差的影响
•星间差分
–求差方式
•同步观测值在卫星间求差
–数学形式
–特点
•消除了接收机钟差的影响
•历元间差分
–差分方式
• 观测值在间历元求差
– 数学形式
– 特点
• 消去了整周未知数参数
单差、双差和三差
• 单差：站间一次差分
• 双差：站间、星间各求一次差（共求两次差）
• 三差：站间、星间和历元间各求一次差（共求三次差） 天线高
• 定义:标志至平均相位中心所在平面的垂直距离
• 量取方法
– 斜高或到某一平面的直高 •
天线高的改化
– 手工改化
• （见右图）
– 自动改化
• 需提供天线类型及量高方法
本机格式
• 定义
– 接收机存储数据的格式
• 存储方式
– 二进制
• 内容
– 观测值、广播星历、电离层信息、气象元素
• 特点
– 不同厂家的接收机具有不同的本机格式
– 与接收机配套的数据处理软件（随机软件/商用软件）一般可以直接读取自
身本机格式的数据，而不能读取其它厂家的本机格式的数据 – 不利于多种型号的接收机联合作业
RINEX 格式①
• 定义
– 与接收机无关的数据交换格式
• 存储方式
– ASCII
• 内容
H
R h H H H ∆+-=∆+=22'
–观测值、星历（导航信息）、气象数据
•特点
–通用性强，已成为事实上的标准
–利于多种型号的接收机联合作业
–大多数软件能够处理
•命名规则
–命名规则：8+3文件名
见笔记
SP3格式①
•定义
–一种精密星历格式，IGS精密星历采用此格式
•存储方式
–ASCII
•内容
–精密星历（每隔15分钟给出1个卫星的位置，有时还给出卫星的速度）•特点
–提供精密星历
•命名规则
–命名规则：8+3文件名见笔记
周跳的探测与应对方法
•周跳探测方法
–高次差/多项式拟合
–Geometry-free组合
–其它特别的方法
•应对方法
–修复
–标记，引入新的模糊度参数
概述①
•基线解算阶段质量控制的目的
–为后续的数据处理分析提供合格的基线向量结果。

•基线解算阶段质量控制的内容
–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。

概述②
•衡量基线向量结果质量的方法
–原则
•全面性：多角度、多方面：精度、可靠性
•科学性：具有严格的理论根据
•可操作性：易于使用
•指导性：对工作具有指导作用
–评定指标
•相对指标–无法确切判定质量合格与否
•半相对半绝对指标–可确切判定质量是否不合格，却无法确切判定
质量是否合格
•绝对指标–可确切判定质量合格与否
相对质量指标①
•单位权方差因子
实质
•又称为参考因子
•一定程度地反映了观测值质量的优劣
•观测值的RMS
•定义：观测值残差的均方根（Root Mean Square）
•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
•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，说明观测值的质量越差。

•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
的好坏有关。

–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
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。

–实质：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。

半相对半绝对质量指标
•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。

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。

•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。

影响GPS基线解算结果的几个因素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
•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•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，对基线向量质量的影响程度有所不同
•多路径效应对基线向量的水平方向影响较大
•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，对基线向量质量的影响程度有所不同
•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
影响GPS基线解算结果因素的判别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）
•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）
改善GPS基线解算结果质量的方法①
•基线起点坐标不准确的应对方法
–使用坐标精度高的点作为起算点
•获取较为准确坐标的方法
–与已知点（IGS跟踪站）联测（可获得分米级以上精度的地
心坐标）
–长时间单点定位（数小时单点定位，可获得米级精度的地心
坐标）
–所有基线从一点或由该点衍生出的点起算
改善GPS基线解算结果质量的方法②
•删卫星、截时段、改变截止高度角
–仅有个别卫星残差不正常时，可删卫星
–仅有个别子时段观测值残差不正常时，可截时段
–当在卫星起落部分的观测值残差不正常时，可改变截止高度角
改善GPS基线解算结果质量的方法③
•改变其它控制参数
–数据删除标准－编辑因子
–RATIO之阈值－取消此阈值，用户根据结果判定模糊度固定正确与否
–大气折射延迟改正方法或模型
•当L2相位为全波长时，可尽量采用Iono-free组合消除电离层折射
影响；当L2相位为半波长，对于短基线，可尝试仅使用L1单频数
据处理
•对于对流层折射，可尝试不同的改正模型，以及天顶对流层延迟参
数的估计方法（分段时间长度或随机过程的控制参数）
–…
GPS网平差的内涵
•观测值
–基线向量及其精度和误差相关信息（参见基线向量解）
•结果
–待定点的坐标
–其它待定参数：尺度、旋转、运动速度
–各类精度指标：基线向量标准差，参数的精度及误差相关性，点位误差（椭圆）（绝对），基线误差（椭圆）（相对）
•作用
–发现剔除粗差
–确定待定点坐标及其它参数（在指定基准下）
–精度评定
•观测值
–基线向量及其精度和误差相关信息（参见基线向量解）
•结果
–待定点的坐标
–其它待定参数：尺度、旋转、运动速度
–各类精度指标：基线向量标准差，参数的精度及误差相关性，点位误差（椭圆）（绝对），基线误差（椭圆）（相对）
•作用
–发现剔除粗差
–确定待定点坐标及其它参数（在指定基准下）
–精度评定
•根据进行平差的空间
–三维平差
•在三维空间中进行
•数学模型是严密的
•适用于任何网，特别是大规模的网
–二维平差
•在二维平面上进行
•将平面坐标分量与高程分量分离，忽略了两者之间的相关性，数学
模型进行了一定的近似
•适用于小规模的网
GPS网平差的类型②
•根据观测值和已知条件的情况
–无约束平差
–观测值全为GPS观测值
•已知条件不使网产生由非观测量所引其的变形
–约束平差
•观测值全为GPS观测值
•已知条件使网产生由非观测量所引其的变形
–联合平差
• 观测观测值除了GPS 观测值已外，还包括其它常规几何观测值
构网基线的选取
• 基本原则
– 独立基线构网
• 基线选取方法
– 选取独立基线
– 选取基线应构成闭合图形 – 选取合格基线 – 尽量选取短基线
GPS 网三维约束平差的目的方法概述
• 目的
– 获取GPS 网点在指定坐标系（参心系）下的坐标 – 评定GPS 网的外符合精度
• 方法
– 方法一：利用已知参心坐标计算参心系到地心系的转换关系，将已知的参心
坐标转换到地心坐标系下，在地心系下进行平差，然后将平差结果转换到参心坐标系
– 方法二：建立统一模型，直接在参心系下进行平差
空间坐标系间的转换关系①*
• 布尔沙模型 － 七参数法
数法。

故，该法又被称为七参度。

两个坐标系中的单位长，分别为，，为尺度参数，为平移参数，，，为旋转参数，，，其中：B A S S S S S m m Z Y X R R R Z Y X R m Z Y X Z Y X R R R m Z Y X Z Y X B A A A
B Z Y X Z Z Z Z Z Y Y Y Y Y x x x x X A A A A A A X Y Z B B B -=∆∆∆⎪⎪
⎪
⎭⎫
⎝⎛-=⎪
⎪⎪⎭⎫
⎝⎛-=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎥⎥
⎥
⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡++⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡∆∆∆=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⋅⋅++⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡∆∆∆=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡0000000001000cos sin 0sin cos )(cos 0sin 010sin 0cos )(;cos sin 0sin cos 0001)()()1()()()()1(ωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωω。

；其中转换公式也可表示为则有：
，都是小角度，则如果⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡---=⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡∆∆∆+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---=≈≈A A
A
A A A A A A
Z Y X A A A A A A B B B X Y
X Z Y Z Z Y X Z X Y Y X Z X Y Z K m K Z Y X Z Y X Z Y X R 0
00111)(,1cos sin ,,ωωωωωωωωωωωωωωωω
• 转换参数的确定
– 原理
• 通过公共点 – 具有两个不同坐标系坐标的点 • 至少需要3个公共点
• 将公共点的坐标差作为伪观测值，确定转换参数
– 数学模型
大地高
• 定义
– 是以参考椭球面为基准面的高程系统。

– 某点的大地高是该点到通过该点的参考椭球的法线与参考椭球面的交点间的距离，也称为椭球高
– 用H 表示。

– 大地高是一个纯几何量，与参考椭球有关。

• 测量方法
– 大地高可以通过将笛卡尔坐标（ X,Y,Z ）转换为大地坐标（B,L,H ）得出
– 采用GPS 测量的方法可以直接确定出点在地心地固坐标系下的三维坐标
正高
• 定义 • 是以地球不规则的大地水准面（geoid ）为基准面的高程系统。

– 某点的正高是基准面（大地水准面）到该点的距离，量测沿它们之间每个等位面的垂线进行。

– 用符号 表示。

正常高
• 定义
– 正常高系统是以似大地水准面（quasi-geoid ）为基准的高程系统。

– 某点的正常高是该点到通过该点的正常重力线与似大地水准面的交点之间的距离。

– 用符号 表示。

• 测量方法
– 如果在正高定义式中，用正常重力 代替无法精密求定的 值，即为
⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢
⎢⎣⎡---=⎥⎥
⎥
⎥⎥⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡∆∆∆+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡A A A A A A A A A Z Y X A A A B B B
Z X Y Y X Z X Y Z m Z Y X Z Y X Z Y X 010*********K'K'；其中整理，可得进一步对转换公式进行ωωωg
H
正常高的定义式
各高程系统间的关系
GPS 水准概述①
• 定义
– 采用GPS 测量的手段，测定正高（正常高）。

• 原理 • 关键
– 获得各点的大地高（GPS 方法）
– 获得各点的大地水准面差距N （高程异常γ）
• 大地水准面差距的确定方法 • 天文大地法
– 地球重力场的重力位模型
– 在诸如Stokes 积分的技术中使用地面重力数据 – 几何或内插方法
高程拟合①
• 原理
g g H H h
=+H H γζ
=+g g
H H h
=+ζγ-=H H i i i i i i i dL dB a dL a dB a dL a dB a a ⋅⋅+⋅+⋅+⋅+⋅+=52
423210ζL
Ax V -=⎥⎥
⎥
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⋅⋅⋅=
m m m
m
m m
dL dB dL dB dL dB dL dB dL dB dL dB dL dB dL dB dL dB A 2
2
22222222112121111 (11)
•
影响拟合精度的因素
– 拟合区域内的大地水准面起伏
• 山区的起伏大于平原地区
– 水准点的数量与分布
• 数量多、分布均匀、包围拟合区域则有利于拟合
– 大地高、正常高的精度 – 拟合的方法
结合物理大地测量手段确定点的正常高①
• 纯物理大地测量确定高程异常的缺点
– 优点：若进行重力加密测量，可较好地获取似大地水准面的起伏 – 缺点：所确定出的高程异常值的准确度低
• 结合物理大地测量手段确定点的正常高的步骤
– 第一步：采用物理大地测量手段确定出所有点的高程异常
（这里所
确定出的高程异常准确度不高）
– 第二步：利用水准测量资料，确定出部分点的高程异常 （这里所确定出的
高程异常准确度高），并将这些值分别与“第一步”所获得的对应值相减，得到这些点上两种不同方法所获高程异常的差值 – 第三步：利用“第二步”所获得的差值进行拟合（插值），推求其它点上的差
值 ，并利用这些差值计算出这些点上的正常高
'
i ζ[]
T
a a a a a a x 54
32
10
=[]
T
m L ζζζ...21=(
)()
PL A PA A x T
T 1
-=j
ζ'
j
j j ζζζ∆=-k ζ
∆'r g H H ζζ=--∆。