GPS基线解算的方法及精度分析

《GPS基线解算的方法及精度分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

GPS基线解算的方法及精度分析1GPS基线解算方法GPS测量数据的处理可分为基线解算和网平差两个阶段，因为GPS测量得到的是GPS相位中心到卫星发射中心的伪距，载波相位和卫星星等，使得要得到工程测量的定位成果，必须先进行基线向量解算，评定基线精度，它是GPS数据处理的重要环节，其解算质量的好坏将直接影响到GPS网的定位精度。1.1GPS定位及基线解算原理GPS技术在测量上均采用相对定位技术。即将两台GPS接收机分别安放在基线的两端，同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点的相对位置或基线向量。基线解算就是利用GPS接收机接收到的载波相位观测值做为基本观测值，对其进行差分处理，建立观测值与基线向量的关系，通过最小二乘原理求解基线向量及其精度。利用伪距法进行GPS定位的数学表达式：P=p+c(dt-dT)+dion+dtrop(1-1)其中P为接收机到卫星的测量距离(伪距)；p为接收机到卫星的实际距离；c为光速；d为卫星钟差；dT为接收机钟差；dion+dtrop分别为电离层和对流层时延产生的距离偏差。当我们假定卫星与GPS标准时间同步，则偏差只决定于接收机时钟。由此我们可以得到四个方程：（1-2）其中Ri(i=1，2，3，4)为伪距，CB为距离校正量。第13页(共13页)

11.2GPS基线解算的重要影响因素及解决方案基线解算的重要影响因素主要有起算坐标不准确、卫星观测时太短、周跳过多、多路径效应、电离层传播延迟、对流层折射五大类因素。(1)起算坐标不准确基线解算时，必须有一个点的坐标作为起算，该点应为其中某个接收机的WGS-84坐标，其点位精度对基线解算精度的影响可用下式表示：（1-3）其中为起算点的坐标误差；b为基线长度(km)；b为因起算误差引起的基线向量误差可以看出：当基线长度一定时，越大，b越大。这里我们应该至少保证起算点为观测不少于30min单点定位结果的平差值所提供WGS-84系坐标。为了使起算点坐标精度更加准确，我们可以利用改进单点伪距定位结果的方法：将观测的伪距定位值取平均值。(2)卫星观测时间过短卫星观测时间过短可以由以下两点来判别：①查观测数据的记录文件对每颗卫星的观测数据数量，数据量小则观测时间短。②直接查看卫星可见性图。卫星可见性图如图2所示第13页(共13页)

2图2卫星可见图解决办法：对于观测时间过短的卫星观测数据予以删除，不让其参加基线解算。(3)周跳过多卫星周跳可以由以下两点判别：①从基线解算后获得的观测值残差分析；②从相位观测图中看出。解决办法有：①增长历元间隔，跳过中断的数据解算；②多颗卫星经常发生周跳，可删除周跳严重的时间段；单颗卫星经常发生周跳，可删除该卫星观测值；③根据测区卫星可见性预报表改变观测时段，避开周跳严重的时间段。(4)多路径效应多路径效应一般造成观测值残差偏大。减弱多路径效应的办法有：①通过缩小编辑因子的方法来剔除残差较大的观测值；②删除多路径效应严重的时间段或卫星；③避开高反射体，采用扼流圈天线；延长每点的观测时间；④选择视野开阔地段，尽量避开高大建筑物，大面积水域等。(5)电离层传播延迟、对流层折射电离层传播延迟、对流层折射影响过大，可采用以下方法解决：①提高卫星截止高度角：TG软件默认为13度，在进行基线解算前应改为15度；②采用模型对对流层和电离层延迟进行改正；TGO软件默认HOPFIELD模型；当基线长大于10km时使用；小于10km时影响可略；③若为双频观测值，则可以使用消除了电离层折射影响的观测值来进行基线解算。第13页(共13页)

31GPS控制网基线解算的一般原则和质量分析方法GPS基线解算就是利用GPS观测值，通过数据处理，得到测站的坐标或测站间的基线向量值。基线向量是GPS最基本的观测量，基线量的质量是提高GPS控制网整体质量水平的关键。本文围绕着如何提高基线观测质量，如何选取基线，如何剔除坏基线以及质量分析等问题进行应用性的分析讨论。2.1GPS控制基本作业流程在大地测量和工程控制测量应用中，一般采用多台接收机进行组网观测。每天观测完成后，对当天的观测结果，用厂商提供的后处理软件和接收机采集的广播星历进行基线处理，并进行初步平差；全网观测完毕后，再进行网平差，以提高全网的成果精度并使网中各点的精度尽可能均匀；最后用已知坐标进行约束平差，求出各待定点的最终成果。2.2通过基线解算结果来分析GPS野外数据的观测质量GPS野外数据的观测质量直接影响到定位的精度，及时有效地对野外观测数据质量进行检测，及早发现异常情况，不仅可以保证观测数据的可靠性，同时一旦发现观测数据存在问题，可以进一步分析产生问题的原因是接收机出了问题，还是观测环境不够理想，还是人为的原因，以便迅速准确做出判断，调整作业计划，采取措施避免漏测和不复，节约时间提高效率。基线解算时所设定的起点坐标不准确，会导致基线出现尺度和方向上的偏差。在实际工作中，只有尽量提高起点坐标的准确度，以避免这种情况的发生。要解决基线起点坐标不准确的问题，可以在进行基线解算时，使用坐标准确度较高的点作为基线解算的起点，较为准确的起点坐标可以通过进行较长时间的单点定位或通过与WGS-84坐标较准确的点联测得到；也可以采用在进行整网的基线解算时，所有基线起点的坐标均由一个点坐标衍生而来，使得基线结果均具有某一系统偏差，然后再在GPS网平差处理时，引入系统参数的方法加以解决。第13页(共13页)

4少数卫星的观测时间太短，导致这些卫星的整周未知数无法准确确定，从而影响该卫星参与的基线解算精度。关于卫星观测时间太短这类问题的判断比较简单，只要查看观测数据的记录文件中有关对与每个卫星的观测数据的数量就可以了，有些数据处理软件还输出卫星的可见性图，这就更直观了。若某颗卫星的观测时间太短，则可以删除该卫星的观测数据不让它们参加基线解算，这样可以保证基线解算结果的质量。周跳太多的判别，在整个观测时段里，有个别时间段里周跳太多，致使周跳修复不完善。对于卫星观测值中周跳太多的情况，可以从基线解算后所获得的观测值残差上来分析。目前，大部分的基线处理软件一般采用的双差观测值，当在某测站对某颗卫星的观测值中含有未修复的周跳时，与此相关的所有双差观测值的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的判别我们也是通过观测值残差进行的。不过与整周跳变不同的是，当路径效应严重、对流层或电离层折射影响过大时，观测值残差不是象周跳未修复那样出现整数倍的增大，而只是出现非整数倍的增大，一般不超过1周，但却又明显地大于正常观测值的残差。通过提高截止高度角，剔除易受对流层或电离层影响的低高度角观测数据。但这种方法，具有一定的盲目性。因为高度角低的信号，不一定受对流层或电离层的影响就大。2.1基线解算的一般原则要进行GPS网平差，首先必须提取基线向量，构建GPS基线向量网。提取基线向量时需要遵循以下几项原则：必须选取相互独立的基线，若选取了不相互独立的基线，则平差结果会与真实的情况不相符合；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，基线质量的好坏，可以依据RMS、RDOP、RATIO、同步环闭和差、异步环闭和差和重复基线较差来判定；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。2.2GPS网的三维无约束平差的主要作用评定GPS网的内部符合精度，发现和剔除GPS观测值中可能存在的粗差由于三维无约束平差的结果完全取决于GPS网的布设方法和GPS观测值的质量，因此，三维无约束平差的结果就完全反映了GPS网本身的质量好坏，第13页(共13页)

5如果平差结果质量不好，则说明GPS网的布设或GPS观测值的质量有问题；反之，则说明GPS网的布设或GPS观测值的质量没有问题。得到GPS网中各个点在WGS-84系下经过了平差处理的三维空间直角坐标在进网中某点准确的WGS-84坐标作为起算点，则最后可得到的GPS网中各个点经过了平差处理的在WGS-84系下的坐标。为将来可能进行的高程拟合，提供经过了平差处理的大地高数据用GPS水准替代常规水准测量获取各点的正高或正常高是目前GPS应用中一个较新的领域，现在一般采用的是利用公共点进行高程拟合的方法。在进行高程拟合之前，必须获得经过平差的大地高数据，三维无约束平差可以提供这些数据。2.1基线解算质量分析2.1.1基线向量的改正数根据基线向量的改正数的大小，可以判断出基线向量中是否含有粗差。若在进行质量评定时，发现有质量问题，需要根据具体情况进行处理，如果发现构成GPS网的基线中含有粗差，则需要采用删除含有粗差的基线、重新对含有粗差的基线进行解算或重测含有粗差的基线等方法加以解决；如果发现个别起算数据有质量问题，则应该放弃有质量问题的起算数据。2.1.2数据删除率在基线解算时，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。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。2.1.3RDOPRDOP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。第13页(共13页)

62.1.1同步环闭合差由于同步观测基线间具有一定的内在联系，从而使得同步环闭合差在理论上应总是0的，如果同步环闭合差超限，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;但反过来，如果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。2.1.2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进行。2.1.3重复基线较差RATIO、RDOP和RMS这几个质量指，标只具有某种相对意义，它们数值的高低不能绝对的说明基线质量的高低。若RMS偏大，则说明观测值质量较差。2.1.4小结GPS控制网外业设站时间一般为30-60分钟，相对较长。如何通过内业严谨细致的基线处理工作，尽可能地找出基线不合格的原因。无疑会提高GPS控制网的质量和工作效率。3GPS控制网基线解算优化方法探讨随着静态GPS定位测量技术在控制测量、工程测量及矿山测量的不断普及，如何建立一个高精度的GPS控制网成为工程建设中的一个关键的环节，从GPS控制网的点位选埋，网形优化、外业观测及内业解算每个过程都会影响GPS最终的成果质量，其中基线结算处理是所有程序中占用时间最长、工作量最大的。根据多年来GPS控制测量作业的经验来探讨GPS控制测量数据后处理过程中基线网解算的优化方法，为同行提供一些有益的经验。3.1观测数据及基线解算质量评定要素GPS作业在实际作业过程中，一般当天采集的数据要及时进行基线处理，以发现采集的数据第13页(共13页)

7中有没有粗差，对观测数据做质量分析评估。依据规范要求通常从以下对GPS控制网整体质量进行评价：（1）数据剔除率；（2）它直接反映了外业实际观测数据的质量规范。计算同一时段观测值的数据剔除率应小于10％。闭合环包括同步环和若干个独立观测基线构成的异步环，其相应的坐标分量闭合差、环全长闭合差及相对闭合差理论上应等于０，但实际上由于受观测条件、数据质量、软件不完善等影响，常导致闭合差不等于０，其大小应满足相应等级测量精度的要求。2.1优化基线解算精度技术方法影响GPS观测数据质量的因素较多也较为复杂，如卫星的周跳、星历误差、对流层及电离层影响、多路径误差、无线电干扰、不明因素影响及起算点误差过大等都会影响基线解算，多数随机软件都会使用默认的参数进行解算，用户查看基线解算报告，并对基线质量进行分析，当有不理想基线存在时，应当对其进行优化，优化的过程其实就是用户手工干预解算的过程，主要通过以下几种方法达到提高基线精度的目的。2.1.1提高起算点坐标精度基线解算时软件必须固定一个点的WGS-80作为起算坐标，该固定点的选取非常重要，因为该起算点的坐标精度将会对基线解算结果的精度产生影响。根据现有的设备和技术水平，要准确定位一个点的WGS-80坐标还有一定的困难，可以采取测区内观测时间较长的点，或者以前有观测数据的点的平均值作为起算数据，因此，在尚未精确地获得地方坐标系与WGS-80系的转换参数的条件下，要提高固定点的精度，通常可用以下方法：选测区中心部位的某点独立观测两次或者多次，每次观测时间较长的点位，取其平均值作为全网基线算的起算点，以提高基线解算的精度。2.1.2删除或优化卫星组合第13页(共13页)

8GPS接收机往往不可能一直保持对同一颗卫星的同步观测，个别或少数卫星观测时间太短导致失锁，且接收到的每个卫星的星历信息时间长短不一，但是软件默认的解算是把卫星的所有接收数据参加解算，这样解算造成部分卫星的整周模糊度难以准确确定，解算精度较低，为此，有必要对所接收卫星进行筛选，筛选要考虑图形强度因子GDOP值的变化，RATIO值的大小以及参考方差因子的大小等一些参数，在筛选卫星时可以采取先屏蔽一些可能失锁的卫星数据，进行解算查看相关指标，不要轻易删除某颗卫星，因为去掉某一颗卫星就意味着卫星的方位及GDOP值将发生变化。具体可以通过观察卫星相位跟踪图，能直观地看到观测到的各颗卫星的出没时间。经验表明：在不出现周跳的情况下不少于规范规定的观测时间是必须的，当基线无固定解时，在基线报告中可以看到各颗卫星的整周模糊度及其误差也需要延长其观测时间，对短基线来说观测时间过长，卫星时钟差引起的模糊度求解误差就大，所有进行卫星删除优化时要综合考虑某颗卫星对网内其它基线的影响。2.1.1调整卫星截止高度角等控制参数GPS接收机往往不可能一直保持对同一颗卫星的同步观测，个别或少数卫星观测时间太短导致失锁，且接收到的每个卫星的星历信息时间长短不一，但是软件默认的解算是把卫星的所有接收数据参加解算，这样解算造成部分卫星的整周模糊度难以准确确定，解算精度较低，为此，有必要对所接收卫星进行筛选，筛选要考虑图形强度因子GDOP值的变化，RATIO值的大小以及参考方差因子的大小等一些参数，在筛选卫星时可以采取先屏蔽一些可能失锁的卫星数据，进行解算查看相关指标，不要轻易删除某颗卫星，因为去掉某一颗卫星就意味着卫星的方位及GDOP值将发生变化。具体可以通过观察卫星相位跟踪图，能直观地看到观测到的各颗卫星的出没时间。经验表明：在不出现周跳的情况下不少于规范规定的观测时间是必须的，当基线无固定解时，在基线报告中可以看到各颗卫星的整周模糊度及其误差也需要延长其观测时间，对短基线来说观测时间过长，卫星时钟差引起的模糊度求解误差就大，所有进行卫星删除优化时要综合考虑某颗卫星对网内其它基线的影响。第13页(共13页)

9主要是通过调整卫星截止高度角和采样间隔历元数等手段来提高基线解算质量。在基线解算时，当观测到的GPS卫星数目足够多时，可适当调高卫星截止高度角；反之，可适当降低高度角，让更多的卫星数据参与解算，似乎有一定的益处。而实际上，增大高度角虽可提高相位观测值的精度，但会使卫星图形强度变弱，影响到坐标精度，因此，调高高度角是徒劳的；降低高度角，可能有更小的中误差值，但此时对流层误差的影响特别严重，也会得不偿失。因此，卫星截止高度角以15°为好；对于同步观测时间短的基线，可适当增加历元间隔，让更多的观测数据参加解算，既考虑到观测的时间长短又要顾及到历元间隔（采样率），通常静态观测的采样率以s为宜；另外还可以通过改变对流层修正模型、电离层改正模型的方法来优化基线解算方法。2.1.1截取观测时段由于观测的时间大小及天空卫星分布的的原因，有时候通过卫星删除或者优化选择仍然难以达到高精度解算基线的条件，需要对保留卫星的观测数据进行有选择的截取。在基线自动处理结果中通过查看基线的RATIO值偏小的那些基线和查看其卫星残差图，使用软件提供的工具对某些信号频繁中断的时段对某颗卫星或者多颗卫星进行截取，不让其参加基线解算，但是截取要确保有效的观测时段不少于15min以上，所以在进行外业观测特别是长基线观测的时候要增大观测时间，保证内业数据处理时有足够的观测数据进行高质量解算基线。经验证明：外业数据采集时可以对GPS接收机进行提前预热，增加观测时间，避免大面积水体等导致多路径效应发生以及避开中午11：30-13：30时段作业等手段，以确保观测数据的精度。2.2小结（1）高质量基线解算的前提是必须保证野外作业的观测时间和数据观测质量。如果观测条件较好，随机商用处理软件对基线按默认设置自动解算，精度质量基本合格。（2）对于不合格基线的人工处理是一个各种手段相互结合反复的过程，应根据外业观测数据和内业基线解算的实际情况，通过卫星残差图等分析进行有效解决。（3）合理使用优化方法，能缩短内业处理数据的时间，提高GPS控制网的平差精度，避免返工现象的发生。第13页(共13页)

102GPS双差解的RATIO定义及作用GPS差分模型可以有效地消除或大大削弱各项系统偏差的影响，因而是目前GPS相位观测数据基线向童处理软件中的主导模型。本文首先给出GPS相位双差解算模型，进而详细讨论了初始整周未知数偏差搜索技术以及评价搜索质量的因子ratio的定义，最后付论了ratio值在基线处理结果评定中的作用。4.1初始整周未知数偏差搜索及ratio的定义RATIO值作为评价整周偏差搜索是否成功的指标是有效的。短基线下应能准确求定整周偏差，故应有较大ratio值。若数据质量欠佳且周跳修复有误，则难于成功地确定整周偏差，此时ratio值将较小，多数情况下略大于1小于2，当ratio值大于其低限时，绝大多数情况下表明整周偏差搜索是成功的。上述结果表明，短基线双差固定解的：RATIO值若小于2，经精化处理能使其增大至大于2，则闭合差将显著减小。因而值在成果质量评定中可用于鉴定有待改进的解算结果。2.1小结本文从GPS双差处理模型出发，分析研究了GPS基线处理软件中初始整周未知数偏差搜索技术，给出了评定搜索质量的质量因子ratio的严格定义，并通过实例说明ratio值在成果质量评定及梢化成果方法中的应用。这对于正确使用、理解商用GPS基线处理软件Trimve和GPS很有价值，也值得我们在编制实用软件时借鉴。3GPS基线解算的精度分析随着精密工程测量学、地球动力学、GPS气象学等领域对GPS数据处理的精度要求越来越高，国内外研制出了很多高精度的GPS数据处理软件。GAMIT第13页(共13页)

11由于具备可免费申请获取、开放源代码、更新速度快、解算精度高、自动化处理程度高等优点，在国内应用相当广泛。但于其运行平台限制、解算文件多、参数设置复杂，给用户带来诸多问题。本文结合数据处理方法，对可能会出现的错误进行分析和解决，探讨控制参数对解算结果的影响。2.1精度分析GAMIT解算精度不仅受原始观测数据精度的影响，还会受到解算控制参数的影响。不同的控制参数可以用来达到不同的解算目的，但精度也会受到影响，为了能得到理想精度的解算成果，下面分析其对精度的影响。控制参数选择截止高度角、利用GAMIT进行高精度GPS基线解算的方法及精度分析顶延迟参数、观测量和测站坐标约束，这4类参数在解算过程中变动频繁，能比较全面地反映控制参数对精度的影响，精度指标选择标准化均方根残差(nrms)、基线分量误差和基线长度的相对精度。2.2小结从对解算成果及精度的分析可知，GAMIT解算的长基线的全长相对精度达到10-9量级，完全能满足地球动力学、GPS气象学等学科的精度要求。配置文件的参数取舍和设置对成果精度有很大影响，设置不当会使精度降低，成果不可靠，甚至造成解算失败，除以上分析的主要参数外，其他参数设置所造成的影响也是值得研究的内容。3总结本文在介GPS基线解算方法的基础上，讨论了GPS控制网基线解算的一般原则和质量分析方法，GPS控制网基线解算优化方法探讨GPS双差解的RATIO定义及作用，GPS基线解算的精分析等问题。利用GAMIT进行高精度GPS基线解算的方法及精度。分析对输入文件的内容和格式作更多的了解和研究，不但能快速解决解算中出现的问题，更能充分利用和挖掘其强大的高精度解算能力。参考文献[1]徐刚,陈启明.GPS控制网基线解算的一般原则和质量分析方法[M].信息技术,2010：11-22.[2]张海港,张国梁.GPS控制网基线解算优化方法探讨[M].全球定位系统,2012第13页(共13页)

12：16-20.[3]周宁江,韩跃丽,席东杰.浅谈影响GPS基线解算结果的因素及处理办法[J].科技资讯,2011,15(4):396.[4]张荣英,有关GPS控制网基线解算质量分析[J].中国新技术新产品,2009,12(2):223.[5]赵建三,杨创,闻德保,利用GAMIT进行高精度GPS基线解算的方法及精度分析[J].测绘通报,2011,18(2):443.MethodandprecisionanalysisofGPSbaselinesolutionAbstract:OfbaselineprocessinginGPScontrolnetworkofobservationdataandbaselinedecodingqualityevaluationfactorsaresummarized,inviewoftheGPScontrolnetworkdataprocessingbaseintheindustryoftenappearsomeproblemsincalculating,sumsuptheprinciplesandmethodsofoptimizationalgorithm,andputforwardreasonableSuggestions.Keywords:GPS;Baselinesolution;optimization;Precisionanalysis第13页(共13页)