第七章_GPS測量數據處理

1、第七章第七章 GPS測量數據處理測量數據處理GPS接收機采集記錄的是接收機采集記錄的是:GPS接收機天線至衛(wèi)星偽距、載波相位和衛(wèi)星星歷等數據接收機天線至衛(wèi)星偽距、載波相位和衛(wèi)星星歷等數據。其數據處理過程大致分為其數據處理過程大致分為: GPS測量數據的基線向量解算測量數據的基線向量解算; GPS基線向量網平差基線向量網平差; GPS網平差或與地面網聯合平。網平差或與地面網聯合平。第七章第七章 GPS測量數據處理測量數據處理目的：目的：將采集的數據經測量平差后規(guī)化到參考橢球將采集的數據經測量平差后規(guī)化到參考橢球面上并投影到所采用的平面上，得到點的準確位置。面上并投影到所采用的平面上，得到點的準確

2、位置。第七章第七章 GPS測量數據處理測量數據處理數據傳輸數據傳輸數據傳輸的同時進行數據分流，生成四個數據文件：數據傳輸的同時進行數據分流，生成四個數據文件： 載波相位和偽距觀測值文件載波相位和偽距觀測值文件; 星歷參數文件星歷參數文件; 電離層參數電離層參數; UTC參數文件、測站信息文件參數文件、測站信息文件.第七章第七章 GPS測量數據處理測量數據處理觀測值文件是容量最大的文件。觀測值文件是容量最大的文件。觀測值記錄中有對應的觀測值記錄中有對應的衛(wèi)星號，衛(wèi)星高度角和方位角，衛(wèi)星號，衛(wèi)星高度角和方位角，CA碼偽距，碼偽距，L，、，、L2的相位觀的相位觀測值，觀測值對應的歷元時間，積分多普勒

3、記數，信噪比等。測值，觀測值對應的歷元時間，積分多普勒記數，信噪比等。星歷參數文件星歷參數文件包含所有被測衛(wèi)星的軌道位置信息，根據這些信息包含所有被測衛(wèi)星的軌道位置信息，根據這些信息可以計算出任一時刻衛(wèi)星的位置?？梢杂嬎愠鋈我粫r刻衛(wèi)星的位置。電離層參數和電離層參數和UTC參數文件中參數文件中，電離層參數用于改正觀測，電離層參數用于改正觀測值的電離層影響，值的電離層影響，UTC參數用于將參數用于將GPS時間修正為時間修正為UTC時間時間. 第七章第七章 GPS測量數據處理測量數據處理 測站信息文件測站信息文件包含測站名、測站號、測站的概略坐標、接收包含測站名、測站號、測站的概略坐標、接收機號、天

4、線號、天線高、觀測的起止時間、記錄的數據量、初步定機號、天線號、天線高、觀測的起止時間、記錄的數據量、初步定位成果等。位成果等。經數據分流后生成的四個數據文件中，除測站信息文件外，其余均為經數據分流后生成的四個數據文件中，除測站信息文件外，其余均為二進制數據文件。二進制數據文件。 為下一步預處理的方便，必須將它們解譯成直接識別的文件，將為下一步預處理的方便，必須將它們解譯成直接識別的文件，將數據文件標準化。數據文件標準化。第七章第七章 GPS測量數據處理測量數據處理數據預處理數據預處理GPS數據預處理的目的是數據預處理的目的是:q 對數據進行平滑濾波檢驗，剔除粗差；對數據進行平滑濾波檢驗，剔除

5、粗差；q 統一數據文件格式并將各類數據文件加工成標準化文件統一數據文件格式并將各類數據文件加工成標準化文件(如如GPS衛(wèi)衛(wèi)星軌道方程的標準化，衛(wèi)星時鐘鐘差標準化，觀測值文件標準化星軌道方程的標準化，衛(wèi)星時鐘鐘差標準化，觀測值文件標準化等等);q 找出整周跳變點并修復觀測值對觀測值進行各種模型改正找出整周跳變點并修復觀測值對觀測值進行各種模型改正.第七章第七章 GPS測量數據處理測量數據處理基線向量的解算及網平差基線向量的解算及網平差基線處理完成后應對其結果作以下分析和檢核：基線處理完成后應對其結果作以下分析和檢核： 觀測值殘差分析。觀測值殘差分析。平差處理時假定觀測值僅存在偶然誤差。理平差處理

6、時假定觀測值僅存在偶然誤差。理論上，載波相位觀測精度為論上，載波相位觀測精度為1周，即對周，即對Ll波段信號觀測誤差只有波段信號觀測誤差只有2mm。因而當偶然誤差達因而當偶然誤差達1cm時，應認為觀測值質量存在系統誤差時，應認為觀測值質量存在系統誤差或粗差。當殘差分布中出現突然的跳變時，表明周跳未處理成功。或粗差。當殘差分布中出現突然的跳變時，表明周跳未處理成功?；€長度的精度?；€長度的精度。處理后基線長度中誤差應在標稱精度值內。處理后基線長度中誤差應在標稱精度值內。多數雙頻接收機的基線長度標稱精度為多數雙頻接收機的基線長度標稱精度為5lppmD(mm)，單頻接收單頻接收機的基線長度標稱精度

7、為機的基線長度標稱精度為102ppmD(mm)。第七章第七章 GPS測量數據處理測量數據處理對于對于20km以內的短基線，單頻數據通過差分處理可有效地消除電離層以內的短基線，單頻數據通過差分處理可有效地消除電離層影響，從而確保相對定位結果的精度。當基線長度增長時，雙頻接影響，從而確保相對定位結果的精度。當基線長度增長時，雙頻接收機消除電離層的影響將明顯優(yōu)于單頻接收機數據的處理結果收機消除電離層的影響將明顯優(yōu)于單頻接收機數據的處理結果.基線向量環(huán)閉合差的計算及檢核?；€向量環(huán)閉合差的計算及檢核。由同時段的若干基線向量由同時段的若干基線向量組成的同步環(huán)和不同時段的若干基線向量組成的異步環(huán)，其閉合差

8、組成的同步環(huán)和不同時段的若干基線向量組成的異步環(huán)，其閉合差應能滿足相應等級的精度要求。其閉合差值應小于相應等級的限差應能滿足相應等級的精度要求。其閉合差值應小于相應等級的限差值?；€向量檢核合格后，便可進行基線向量網的平差計算值?；€向量檢核合格后，便可進行基線向量網的平差計算(以解以解算的基線向量作為觀測值進行無約束平差算的基線向量作為觀測值進行無約束平差)，平差后求得各，平差后求得各GPS之之間的相對坐標差值，加上基準點的坐標值，求得各間的相對坐標差值，加上基準點的坐標值，求得各GPS點的坐標。點的坐標。第七章第七章 GPS測量數據處理測量數據處理GPS基線向量的解算基線向量的解算q 利用

9、載波相位觀測值進行單點定位以及在觀測值間求差并利用求差利用載波相位觀測值進行單點定位以及在觀測值間求差并利用求差后的差分觀測值進行相對定位的原理和方法。后的差分觀測值進行相對定位的原理和方法。q 在相對定位中常用雙差觀測值求解基線向量。在相對定位中常用雙差觀測值求解基線向量。q 由雙差觀測值列出誤差方程式，然后利用最小二乘平差原理求解基由雙差觀測值列出誤差方程式，然后利用最小二乘平差原理求解基線向量的方法。線向量的方法。第七章第七章 GPS測量數據處理測量數據處理GPS定位成果定位成果:(包括單點定位的坐標以及相對定位中包括單點定位的坐標以及相對定位中解算的基線向量解算的基線向量)屬于屬于WG

10、S-84大地坐標系大地坐標系.實用的測量成果實用的測量成果:往往是屬于某一國家坐標系或地方往往是屬于某一國家坐標系或地方坐標系坐標系(或叫局部的、參考坐標系或叫局部的、參考坐標系).參考坐標系與參考坐標系與WGS-84坐標系之間存在著平移和旋轉關系。坐標系之間存在著平移和旋轉關系。第七章第七章 GPS測量數據處理測量數據處理GPS定位結果的表示方法定位結果的表示方法GPS定位有單點絕對定位和點間相對定位兩種方法，定位定位有單點絕對定位和點間相對定位兩種方法，定位結果的表示形式也隨結果的性質不同而不同，但都以結果的表示形式也隨結果的性質不同而不同，但都以WGS-84坐標系作為參考體。坐標系作為參

11、考體。第七章第七章 GPS測量數據處理測量數據處理單點定位單點定位:確定的是點在確定的是點在WGS-84坐標系中的位置。大坐標系中的位置。大地測量中點的位置常用大地緯度地測量中點的位置常用大地緯度B，大地經度大地經度L和大地和大地高高H表示，也常用三維直角坐標表示，也常用三維直角坐標X、Y、Z表示。表示。相對定位相對定位:確定的是點之間的相對位置，因而可以用直確定的是點之間的相對位置，因而可以用直角坐標差角坐標差X、 Y、 Z表示，也可以用大地坐標差表示，也可以用大地坐標差 B、 L和和 H表示。表示。第七章第七章 GPS測量數據處理測量數據處理GPS定位成果的坐標轉換定位成果的坐標轉換在同一

12、坐標系統內在同一坐標系統內: (XYZ)與與(BLH)之間的轉換見第二章之間的轉換見第二章21中的公式中的公式 (23)和公式和公式(24)。不同坐標系統之間的轉換不同坐標系統之間的轉換: 利用已知重合點的三維直角坐標進行坐標轉換；利用已知重合點的三維直角坐標進行坐標轉換； 利用已知重合點的三維大地坐標進行坐標轉換；利用已知重合點的三維大地坐標進行坐標轉換； 利用已知重合點的二維高斯平面坐標進行坐標轉換；利用已知重合點的二維高斯平面坐標進行坐標轉換； 利用已知重合點的二維大地坐標進行坐標轉換。利用已知重合點的二維大地坐標進行坐標轉換。第七章第七章 GPS測量數據處理測量數據處理坐標轉換問題坐標

13、轉換問題坐標表示方法：坐標表示方法：經緯度和高程，空間直角坐標，平面坐經緯度和高程，空間直角坐標，平面坐標和高程。標和高程。 WGS-84坐標是經緯度和高程坐標是經緯度和高程; 北京北京54坐標是平面坐標和高程。坐標是平面坐標和高程。清楚轉換的嚴密性問題，在同一個橢球里的轉換都是嚴密清楚轉換的嚴密性問題，在同一個橢球里的轉換都是嚴密的，而在不同的橢球之間的轉換這時不嚴密的。的，而在不同的橢球之間的轉換這時不嚴密的。(在在WGS-84坐標和北京坐標和北京54坐標之間是不存在一套轉換參數可以全國通坐標之間是不存在一套轉換參數可以全國通用的，在每個地方會不一樣，因為它們是兩個不同的橢球基準用的，在每

14、個地方會不一樣，因為它們是兩個不同的橢球基準)。第七章第七章 GPS測量數據處理測量數據處理坐標轉換坐標轉換: 嚴密的是用七參數法，即嚴密的是用七參數法，即X平移，平移，Y平移，平移，Z平平移，移，X旋轉，旋轉，Y旋轉，旋轉，Z旋轉，尺度變化旋轉，尺度變化K。q 要求得七參數就需要在一個地區(qū)需要要求得七參數就需要在一個地區(qū)需要3個以上的已知點，個以上的已知點，q 如果區(qū)域范圍不大，最遠點間的距離不大于如果區(qū)域范圍不大，最遠點間的距離不大于30Km(經驗經驗值值)，這可以用，這可以用三參數三參數，即，即X平移，平移，Y平移，平移，Z平移，而將平移，而將X旋轉，旋轉，Y旋轉，旋轉，Z旋轉，尺度變化

15、旋轉，尺度變化K視為視為0，所以三參數，所以三參數只是七參數的一種特例。只是七參數的一種特例。第七章第七章 GPS測量數據處理測量數據處理 在一個橢球的不同坐標系中轉換需要用到四在一個橢球的不同坐標系中轉換需要用到四參數轉換，舉個例子，在深圳既有北京參數轉換，舉個例子，在深圳既有北京54坐標坐標又有深圳坐標，在這兩種坐標之間轉換就用到又有深圳坐標，在這兩種坐標之間轉換就用到四參數，計算四參數需要兩個已知點。四參數，計算四參數需要兩個已知點。第七章第七章 GPS測量數據處理測量數據處理實例：實例：轉換要求：轉換要求： 現在舉個例子說明：在珠江有一個測區(qū)，現在舉個例子說明：在珠江有一個測區(qū)，需要完

16、成需要完成WGS-84坐標到珠江坐標系（坐標到珠江坐標系（54橢球）橢球）的坐標轉換，整個轉換過程是這樣的：的坐標轉換，整個轉換過程是這樣的：第七章第七章 GPS測量數據處理測量數據處理基線向量網平差基線向量網平差 將不同時段觀測的基線向量互相聯結成網，稱為將不同時段觀測的基線向量互相聯結成網，稱為GPS基線向量網基線向量網。GPS基線向量網的平差是以基線向量網的平差是以GPS基線基線向量為觀測值，以其方差陣之逆陣為權，進行平差計算，向量為觀測值，以其方差陣之逆陣為權，進行平差計算，消除許多圖形閉合條件不符值，求定各消除許多圖形閉合條件不符值，求定各GPS網點的坐標網點的坐標并進行精度評定。并

17、進行精度評定。第七章第七章 GPS測量數據處理測量數據處理 GPS基線向量網的平差基線向量網的平差:經典的自由網平差，又叫無約束平差經典的自由網平差，又叫無約束平差 平差時固定網中某一點的坐標，平差的主要目的是檢驗平差時固定網中某一點的坐標，平差的主要目的是檢驗網本身的內部符合精度以及基線向量之間有無明顯的系統網本身的內部符合精度以及基線向量之間有無明顯的系統誤差和粗差，同時為用誤差和粗差，同時為用GPS大地高與公共點正高大地高與公共點正高(或正常高或正常高)聯合確定聯合確定GPS網點的正高網點的正高(或正常高或正常高)提供平差處理后的大地提供平差處理后的大地高程數據高程數據.非自由網平差，又

18、叫約束平差非自由網平差，又叫約束平差 平差時以國家大地坐標系或地方坐標系的某些點的坐標，平差時以國家大地坐標系或地方坐標系的某些點的坐標，邊長和方位角為約束條件，顧及邊長和方位角為約束條件，顧及GPS網與地面網之間的轉網與地面網之間的轉換參數進行平差計算換參數進行平差計算.第七章第七章 GPS測量數據處理測量數據處理GPS網與地面網聯合平差網與地面網聯合平差 即除了即除了GPS基線向量觀測值和約束數據以外，還有基線向量觀測值和約束數據以外，還有地面常規(guī)測量值如邊長、方向和高差等，將這些數據一地面常規(guī)測量值如邊長、方向和高差等，將這些數據一并進行平差。非自由網平差與聯合平差一般是在國家坐并進行平

19、差。非自由網平差與聯合平差一般是在國家坐標系或地方坐標。系內進行，平差完成后網點坐標已屬標系或地方坐標。系內進行，平差完成后網點坐標已屬于國家坐標系或地方坐標系，因而這兩種平差方法是解于國家坐標系或地方坐標系，因而這兩種平差方法是解決決GPS成果轉換的有效手段。成果轉換的有效手段。第七章第七章 GPS測量數據處理測量數據處理GPS基線向量網的無約束平差基線向量網的無約束平差 GPS基線向量網無約束平差常用的是三維無約束平差法?；€向量網無約束平差常用的是三維無約束平差法。引入位置基準的方法有引入位置基準的方法有:q 網中有高級的網中有高級的GPS點時，將高級點時，將高級GPS點的坐標點的坐標(

20、屬屬WGS-84坐標系坐標系)作為網平差時的位置基準；作為網平差時的位置基準；q 網中無高級網中無高級GPS點時，取網中任一點的偽距定位坐標作為固定網點時，取網中任一點的偽距定位坐標作為固定網 點坐標的起算數據；點坐標的起算數據；q 引入合適的近似坐標系統下的虧秩自由網基準。引入合適的近似坐標系統下的虧秩自由網基準。第七章第七章 GPS測量數據處理測量數據處理第七章第七章 GPS測量數據處理測量數據處理 需要注意的是需要注意的是:q 無論是取一個點的單點定位值作為位置基準，還是按秩虧平差由無論是取一個點的單點定位值作為位置基準，還是按秩虧平差由式取重心基準，因式取重心基準，因GPS單點定位值的

21、精度不高，所以，經單點定位值的精度不高，所以，經GPS網網平差后，各個平差后，各個GPS點在點在WGS-84坐標系中的坐標值精度也較低坐標系中的坐標值精度也較低.q 但是，它們相對于網的位置基準，則具有相當高的精度；平差中但是，它們相對于網的位置基準，則具有相當高的精度；平差中求得的點位精度，也就是各個求得的點位精度，也就是各個GPS點相對于點相對于GPS網位置基準的精網位置基準的精度度.q 從這個意義上說，該從這個意義上說，該GPS網中各點的坐標并不屬于真正的網中各點的坐標并不屬于真正的WGS-84坐標系，而只是屬于一種獨立的坐標系統，當然，這個獨立坐坐標系，而只是屬于一種獨立的坐標系統，當

22、然，這個獨立坐標系相應的橢球幾何參數與標系相應的橢球幾何參數與WGS-84坐標系相同坐標系相同.第七章第七章 GPS測量數據處理測量數據處理GPS基線向量網的約束平差基線向量網的約束平差目的目的:是求定是求定GPS點在國家坐標系中的坐標值。因此，平點在國家坐標系中的坐標值。因此，平差中一般都含有一些地面數據。差中一般都含有一些地面數據。也就是說，也就是說，GPS網在國家坐標系中進行三維平差，實際上網在國家坐標系中進行三維平差，實際上是是GPS與地面數據的聯合平差聯合平差中與地面數據的聯合平差聯合平差中GPS測量數測量數據，仍然是據，仍然是GPS基線向量觀測值而地面數據有兩種，一基線向量觀測值而

23、地面數據有兩種，一種是地面起算數據；一種是地面常規(guī)測量所得的觀測數種是地面起算數據；一種是地面常規(guī)測量所得的觀測數據據第七章第七章 GPS測量數據處理測量數據處理地面起算數據有：地面起算數據有：1某些點在國家坐標系中的大地緯度和大地經度得到。一般是由已某些點在國家坐標系中的大地緯度和大地經度得到。一般是由已知的高斯平面坐標反算知的高斯平面坐標反算.2某些點在國家坐標系中的大地高，因為一般是已知一些點的正常某些點在國家坐標系中的大地高，因為一般是已知一些點的正常高高(或正高或正高)，需要加上相應的高程異常，需要加上相應的高程異常(或大地水準面差距或大地水準面差距)才得到才得到大地高。所以，這些點

24、的大地高往往不能都作為固定值，而只取一大地高。所以，這些點的大地高往往不能都作為固定值，而只取一個點的大地高作為起算數據；且已知大地高的個點的大地高作為起算數據；且已知大地高的GPS點不一定與已知點不一定與已知大地緯度和大地經度的點重合大地緯度和大地經度的點重合3某些點間的已知空間距離，因為這些空間距離一般也含有誤差，某些點間的已知空間距離，因為這些空間距離一般也含有誤差，所以也可以當作距離觀測值。所以也可以當作距離觀測值。4某些點間在國家坐標系中的大地方位角，通常是為了確定網的方某些點間在國家坐標系中的大地方位角，通常是為了確定網的方位基準而給定的位基準而給定的.第七章第七章 GPS測量數據

25、處理測量數據處理地面觀測數據主要有：地面觀測數據主要有：1空間距離觀測值，一般是由電磁波測距儀觀測得空間距離觀測值，一般是由電磁波測距儀觀測得.需要需要注意的是，應將觀測結果歸算為兩點的標石中心之間的注意的是，應將觀測結果歸算為兩點的標石中心之間的空間距離，而不是直接測得的斜距，也不是兩點間的平空間距離，而不是直接測得的斜距，也不是兩點間的平面距離。面距離。2橢球面上的方向觀測值橢球面上的方向觀測值，即不加方向改化的方向觀測即不加方向改化的方向觀測值。值。第七章第七章 GPS測量數據處理測量數據處理三維約束平差三維約束平差GPS基線向量網的三維約束平差可以在國家基線向量網的三維約束平差可以在國

26、家(或地方或地方)大地大地坐標系中進行，約束條件是地面網點的固定坐標，固定坐標系中進行，約束條件是地面網點的固定坐標，固定大地方位角和固定空間弦長，平差結束后同時完成了坐大地方位角和固定空間弦長，平差結束后同時完成了坐標系統的轉換標系統的轉換.第七章第七章 GPS測量數據處理測量數據處理二維約束平差二維約束平差當應用當應用GPS定位的目的主要是為了得到定位的目的主要是為了得到GPS點的水平位置點的水平位置時，也可以采用時，也可以采用GPS網的二維平差方法。網的二維平差方法。要點要點: 首先將三維的首先將三維的GPS基線向量變換為地面坐標系統中基線向量變換為地面坐標系統中的二維高斯平面坐標差，并

27、稱之為二維的二維高斯平面坐標差，并稱之為二維GPS基線向量。基線向量。然后在平面坐標系中對然后在平面坐標系中對GPS網進行二維平差，求得網進行二維平差，求得GPS點在地面坐標系中的平面坐標點在地面坐標系中的平面坐標第七章第七章 GPS測量數據處理測量數據處理二維約束平差二維約束平差實際應用中以國家實際應用中以國家(或地方或地方)坐標系的一個已知點和一個已知基線的方向作為起坐標系的一個已知點和一個已知基線的方向作為起算數據，平差時將算數據，平差時將GPS基線向量觀測值及其方差陣轉換到國家基線向量觀測值及其方差陣轉換到國家(或地方或地方)坐坐標系的二維平面標系的二維平面(或球面或球面)上，然后在國

28、家上，然后在國家(或地方或地方)坐標系中進行二維約束平坐標系中進行二維約束平差。轉換后的差。轉換后的GPS基線向量網與地面網在一個起算點上位置重合，在一條基線向量網與地面網在一個起算點上位置重合，在一條空間基線方向上重合。空間基線方向上重合。這種轉換方法避免了三維基線網轉換成二維基線向量時地面網大地高不準確這種轉換方法避免了三維基線網轉換成二維基線向量時地面網大地高不準確引起的尺度誤差和變形，保證引起的尺度誤差和變形，保證GPS網轉換后整體及相對幾何關系的不變性。網轉換后整體及相對幾何關系的不變性。轉換后，二維基線向量網與地面網之間只存在尺度差和殘余的定向差，因轉換后，二維基線向量網與地面網之

29、間只存在尺度差和殘余的定向差，因而進行二維約束平差時只要考慮兩網之間的尺度差參數和殘余定向差參數。而進行二維約束平差時只要考慮兩網之間的尺度差參數和殘余定向差參數。第七章第七章 GPS測量數據處理測量數據處理GPS基線向量網與地面網聯合平差基線向量網與地面網聯合平差當地面網除了已知數據當地面網除了已知數據(已知點坐標，已知邊長和已知方位角已知點坐標，已知邊長和已知方位角)以以外，還有常規(guī)觀測值外，還有常規(guī)觀測值(如方向、邊長等如方向、邊長等)，則將，則將GPS基線向基線向量觀測值與地面網的已知數據和常規(guī)觀測值一起進行的量觀測值與地面網的已知數據和常規(guī)觀測值一起進行的平差叫做平差叫做GPS基線向量網與地面網聯合平差基線向量網與地面網聯合平差。 聯合平差可以兩網的原始觀測量為根據，也可以兩網單聯合平差可以兩網的原始觀測量為根據，也可以兩網單獨平差的結果為根據。平差時，引入坐標系統的轉換參獨平差的結果為根據。平差時，引入坐標系統的轉換參數，平差的同時完