第六章 GPS基线解算

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基线解算（软件处理）流程图
•GPS观测数据 •GPS广播星历 •精密星历（可选） •测站坐标（可选）
•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 •…… •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
2
˗课程设置
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： http://ipane.sgg.whu.edu.cn/ 考核形式：考试(70%)+作业 (20%)+课堂(10%)
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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
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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
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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 40
– 基线解结果
基线向量估值
bi X i Yi Z i
T
基线向量估值的方差-协方差阵
X i 2 d bi Yi X i Zi X i
X Y
i
i
X Z
Yi Zi Zi 2
i i
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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
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开始
概述⑥
GPS
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。
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基线解算模式①
单基线解/基线模式 (Single-Baseline Mode/Baseline Mode) 多基线解/时段模式 (Multi-Baseline Mode/Session Mode) 整体解/战役模式 (Campaign Mode)
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基线解算模式②
• 单基线解/基线模式
④ 气象数据（气压、温度、湿度）；
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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。
数据导入
处理控制参 数设置
软件处理
基线结果 质量检验
合格
？
不合格
输出结果
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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；
GPS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
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联系信息
办公室： 测绘学院4楼423室 电话： 027-68758530(office) Email： wkliu@sgg.whu.edu.cn wkliu@whu.edu.cn
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。
网 的 数 据 处 理 流 程
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结束
第二节 基线的解算模式
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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）
– 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
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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）
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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
Bi bi ,1 bi ,2
d bi ,1 ,bi ,1 d b ,b DBi i ,2 i ,1 ... d b ,b i ,m1 i ,1 d bi ,1 ,bi ,2 d bi ,2 ,bi ,2 ... d bi ,m1 ,bi ,2
• 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%
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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
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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
• 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
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概述②
• GPS网的布设 – GPS布设时逐步推进
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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
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
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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）
参数估计 （待定参数包括基线向 量、整周模糊度等）
数据预处理
– 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
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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
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质量的控制指标①
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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
bi X i Yi Z i
T
– 大地坐标的坐标差
bi Bi Li H i
T
– 站心地平坐标的坐标差
bi Ni Ei U i
T
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同步观测基线间的误差相关性
C
B
A
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
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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
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第四节 基线解算的质量Βιβλιοθήκη Baidu制
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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
– 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
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基线解算模式③
• 单基线解/基线模式
bi ,mi 1
...
T
基线向量估值的方差-协方差阵
d bi ,1 ,bi ,m1 ... d bi ,2 ,bi ,m1 ... ... ... d bi ,m1 ,bi ,m1
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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
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。
数 据 处 理
基线解算 工具：基线计算软件（功能模块） 。 结果：GPS 基线向量解。
是否完成所有观测和基 线解算。
否
是
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
– 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
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第三节 基线解算的过程及结果
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（周跳探测与修复、形 成差分观测值）
是
是否存在劣质观 测值或小周跳 组成观测方程
（待定参数包括基线向 量、整周模糊度等）
否
剔除或修复
否
能否确定整周 模糊度参数
是
确定基线向 量的浮动解
确定基线向 量的固定解
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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
Y
i
2
i
Z Y
i
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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
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第六章 GPS基线解算
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GPS基线解算
§6.1 §6.2 §6.3 §6.4 概述 基线的解算模式 基线解算的过程及结果 基线解算的质量控制
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第一节 概述
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概述①
– 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）
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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。