毕业论文-GPS数据处理研究

毕业论文-GPS数据处理研究 本科学生毕业论文 GPS数据处理研究 院系名称 专业班级 学生姓名 指导教师 职 称 二?一二年六月 The Graduation Thesis for Bachelors Degree Study on Data Processing of GPS CandidateSpecialtySurveying Engineering Class Supervisor 2012-06?Harbin 摘 要 GPS技术作为一种全新的测量手段在国家大地网城市控制网工程控制网的建立与改造等方面已经得到普遍应用其技术的先进性优越性已为众多科技工作者所认同 高等级高精度GPS 控制网一般指范围较大精度较高的一类控制网它可以是局部网国家基础网地震监测网甚至全球网这类网一般点数较多点间距较长 几十几百公里或上千公里 例如总参测绘局布设的GPS一二级网国家测绘局布设的AB 级网用于地震预报的地震监测网各省市的AB 级网连续运行参考站系统的基准 站网等 结合在测量工程中应用ASHTECH和TRIMBLE GPS接收机的实践本文主要说明 了GPS数据处理过程中对基线向量解算的人为干预处理独立边的选取闭合环检 查限制GPS网的投影长度变形及其成果的检验问题在针对相关工程项目中对GPS 数据处理的应用做了相应的分析对比结合天宝TGO徕卡LGO数据处理软件对其数 据处理流程及结果的对比也做了相应分析 本文结合理论基础从一定层面上阐述了GPS数据处理的重要性和可靠性 关键词GPS控制网精度数据处理 Abstract GPS technologyas a newmeans of measurementhas been in the national geodetic networkthe city controlengineering control network establishment and transformation of the universal application of its advanced technologythe advantage have been recognized by numbers scientisfic and technological workers High-grade high-precision GPS control network generally refers to a large range and high-precision control network it can be a local network the national infrastructure network the seismic network or even global network More general points of such networks the point spacing is longer tens hundreds of kilometers or thousands of kilometers for example laid by the General Staff Headquarters Bureau of Surveying and Mapping GPS one or two network laid by the State Bureau of Surveying and Mapping B-class network using in earthquake prediction seismic monitoring network the provinces and cities A B-class network continuously operating reference station system base station network Combined with the practice of ASHTECH and TRIMBLE GPS receiver measurement project the paper illustrates the main GPS data processing human intervention in solving the baseline vector processing the selection of independent edges closed loop checks limiting the length of the projection of the GPS network inspection of the deformation and its resultsGPS data processing applications for relevant projects in the analysis and comparison Combination of TGO Trimble Leica LGO data processing software data processing and results contrast also made the corresponding analysis In this paper a theoretical basis a certain level on the importance and reliability of the GPS data processing Concerned about the corresponding technology trends at the same time the trend of the technology in future research and application are put forward Technological innovation and the improvement is an important factor to determine its dominant position Keywords GPS Control Network Precision Data Processing 目 录 摘要 I Abstract II 第1章 绪论 1 11 GPS数据处理概述 1 com 课题研究目的 1 com 课题研究意义 1 12 GPS数据处理研究现状 2 com GPS数据处理现状 2 com GPS数据预处理的目的 3 com GPS网平差目的 3 com 现有条件 3 13 研究的主要内容和论文的组织 3 com 主要内容 3 com 论文的组织 4 第2章 GPS数据处理技术路线及应用分析 5 21 GPS数据处理的技术流程 5 com 研究的技术路线 5 com 研究方法 6 22 基于特定工程项目的GPS数据处理研究分析 6 com GPS数据处理方法在变形监测中的应用探讨 6 com 施工控制测量中GPS数据的处理 9 23 本章小结 13 第3章 高精度静态GPS数据处理 15 31 GPS静态数据预处理 15 32 GPS基线解算的数据预处理 15 33 GPS基线向量解算结果分析 16 34 GPS网平差的类型和流程 17 35 本章小结 21 第4章 基于TGOLGO数据处理研究分析 22 41 基于天宝TGO数据处理模式 22 42 基于徕卡LGO数据处理模式 35 43 本章小结 43 第5章 GPS数据处理质量与精度分析 44 51 GPS数据处理中粗差的探测与剔除 44 com 网整体性检验 44 com 单位权方差 44 com X2检验 44 com 观测值残差 44 com t检验 45 com 环闭合差检验 45 com 复测基线向量分析 46 com 控制点连接分析 46 52 GPS测量数据处理质量评价与优化方法 46 com 基线解算质量评价要素 46 com 基线解算的质量评价 47 com 基线解算优化处理方法 48 53 提高GPS控制网质量及精度的方法 49 com 布网 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 50 com 外业观测 50 com 数据处理 50 54 本章小结 53 结论 55 参考文献 57 致谢 59 附录 60 第1章 绪 论 11 GPS数据处理概述 com 课题研究目的 GPS技术作为一种全新的测量手段在国家大地网城市控制网工程控制网的建立与改造等方面已经得到应用其技术的先进性优越性已为众多科技工作者所 高等级高精度GPS控制网一般指范围较大精度较高的一类控制网它可以是局部网国家基础网地震监测网甚至全球网这类网一般点数较多点间距较长 几十几百公里或上千公里 例如总参测绘局布设的GPS一二级网国家测绘局布设的AB级网用于地震预报的地震监测网各省市的AB级网连续运行参考站系统的基准站网等 目前高等级测量控制网都是采用GPS静态测量技术控制网要求严格 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与布设严格按照规范进行观测显然观测耗时长工作量极大为如实的反映观测质量的优劣减少补测返测后期的数据处理显得尤为重要如何研究和掌握一套高等级 高精度GPS数据处理模型和方法是测绘工作者共同面临的重要课题对静态数据处理的研究具有实用价值 com 课题研究意义 随着科学技术的进一步发展与完善长期使用的以测角测距测水准为主体的常规地面测量技术正在逐步被一次性确定三维坐标的高速度高效率高精度的GPS技术所代替定位范围从陆地和近海扩展到海洋和宇宙空间定位方法从静态扩展到动态定位服务领域从导航和测绘领域扩展到国民经济建设的广阔领域如石油勘探高速公路通信线路引水工程地下铁路隧道贯通电力勘测工程建设及建筑物变形大坝监测身体滑坡地震的形变观测海岛或海域测量方面DGPS差分定位技术和RTK实时差分定位系统的发展和美国AS技术的解除GPS单点定位精度得到不断提高GPS技术在导航运载工具实时监控精细农业地质勘探城市规划碎部点的测绘与放样等领域将有广泛的应用前景 GPS定位技术的高度灵活性和显著的优越性以及常规测量技术无法比拟的高精度和高效益传统的测量方法正被先进的GPS技术所取代与此同时人们对GPS的应用不仅局限于定位方面而是深入到高程的精确确定方面就高精度GPS的定位模式而言局域范围内有位置差分伪距差分和载波相位差分广域范围内有广域GPS差分但就高精度高程测量而言仅有载波相位差分测量能够满足其精度要求因而载波相位差分测量便成了高程定位的主要技术手段 为了充分发挥GPS定位技术的显著优越性更好地适应于各个领域的需要必须在大量实践的基础上不断地总结经验并从理论上分析和解决GPS技术应用中出现的各种实际问题从而取得最佳的经济效益和精度要求 12 GPS数据处理研究现状 com GPS数据处理现状 GPS卫星导航定位技术于上世纪80年代末引入中国目前主要在大地测量 测绘勘探 海上渔业和车辆定位监控等领域得到了比较广泛的应用在全球 GPS应用领域中车辆应用所占的比重最大目前约占总数的40,以上1996,1997年间是GPS车辆跟踪系统市场的调整和充实时期主要是公安金融等部门利用其专用的常规无线电台 异频单工电台 通信系统和模拟集群系统在全国三四十个城市建成了金融运钞车和公安交警车辆跟踪系统1998,2000年GPS车辆跟踪系统市场出现了快速增长的势头随着我国GSM数字移动通信系统的快速发展与全国普及作为系统瓶颈问题的通信网络通过采用GSM公众网的短信息服务找到了新的出路这对GPS车辆跟踪系统的发展起着极大的促进作用 于此同时伴随GPS不断的发展GPS相应的后期结果处理技术也随着不断的改进和完善主要体现在GPS数据处理技术方法等方面 GPS测量定位的数据采集是用GPS接收机对GPS卫星信号进行跟踪测量获得采集的数据包括测量观测值载波相位测量观测值和卫星星历等大量数据GPS测量定位采集的数据与常规测量如地面点间边长角度和高差等有着很大的不同所以利用外业采集的GPS定位数据来获取点位的位置坐标需要进行一系列的数据处理与常规测量的数据处理相比GPS定位数据处理具有以下一些特点 1数据量很大 2处理过程较复杂 3自动化程度高 GPS测量定位的数据采集是用GPS接收机对GPS卫星信号进行测量定位记录原始数据并在观测记录的同时采用软件解算出测站点的信息数据传输是将记录 在接收机内存模块上或磁卡上的观测数据传输到计算机然后在计算机上进行数据预处理和基线向量的解算GPS网平差计算通常包括GPS基线向量网平差以及GPS网与地面网进行联合平差或约束平差等内容 武汉大学GPS工程技术研究中心姜卫平刘经南叶世榕[5]对GPS形变监测网基线处理中系统误差的分析方法做出了研究分析了高精度GPS形变监测网基线处理中系统误差产生的原因分类及其对极限处理的影响并在此基础上提出了消除和消弱这些系统误差影响的一些原则和算法 信息工程大学测绘学院博士隋立芬[7]提出了全国GPS网中国地壳运动观测网络联测的实际思想完成了全国GPS网一二级网中国地壳运动观测网联测的技术设计方案并用于实际联测 com GPS数据预处理的目的 1对GPS测量数据进行平滑滤波检验并剔除粗差删除无用的观测数据 2数据文件格式将各类接收机记录的数据文件加工成 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化文件 3将GPS卫星轨道方程卫星时钟钟差观测值文件标准化 4找出整周跳变点并对相应的观测值进行恢复 5对观测值进行各种模型改正主要是大气折射模型改正等 com GPS网平差目的 1检查GPS基线向量间有无粗差或明显的系统误差并考察GPS网本身的部符合精度以及GPS基线向量的观测精度 2利用GPS点的大地高和公共点的正高或正常高联合确定其他GPS的正高或正常高提供平差处理后的大地高程数据 3对GPS网进行无约束平差后可以获得各种GPS点在WGS84坐标系的三维坐 标值并利用公共点的双重坐标将其转换至地面网坐标系统 com 现有条件 1控制测量测量平差测量学和GPS等科目的学习为本课题提供了理论基础 2国内众多专家学者的研究成果对本题的研究具有参考价值 3TGO和LGO数据处理说明书为本课题提供了参考 13 研究的主要内容和论文的组织 com 主要内容 在基线解算过程中数据预处理是的一个它的目的是得最终用于基线解算的观测数据和信息包干净的观测值基线端点近似坐标每个观测历元的接收机钟差标准化卫星轨道数据等其中所谓的干净观测值指基本上不含有周跳和较大偏差的观测值它对基线解算至关重要 数据处理阶段的主要工作包括数据传输和解码数据筛选和编辑数据标准化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值估算和周跳探测修复或标记等 1观测值残差的分析 2基线长度的精度 3双差固定解和双差实数解 4相对定位精度因子RDOP com 论文的组织 本文针对GPS数据处理技术与方法研究为主旨从多方面着手根据特定工程案例进行对比分析同时在针对相应处理软件TGOLGO的处理模式及方法进行对比从而得出较优化的GPS数据处理方法本文大致分为六大部分 第一部分为绪论 第二部分为GPS数据处理技术路线 第三部分为高精度静态GPS数据处理 第四部分为基于TGO\LGO数据处理研究分析 第五部分为GPS数据处理质量与精度分析 第六部分为结论与展望 在通过相应的理论与案例分析研究的前提下对GPS数据处理方法与技术进行浅意的讨论并会在案例分析中提出不足与改进 第2章 GPS数据处理技术路线及应用分析 21 GPS数据处理的技术流程 com 研究的技术路线 布设GPS网时数据处理工作是外业工作的展开分段进行的从算法角度分析可将GPS网数据处理流程划分为数据传输格式转换可选基线解算和网平差四个阶段如图21所示 图21 研究技术路线 com 研究方法 1GPS数据处理流程及方法 2对GPS静态数据预处理基线解算及GPS网平差进行分析研究 3针对GPS在控制测量形变监测等特定工程项目中的应用对其后期数据处理的方法及问题解决方法分析讨论 4GPS数据处理软件天宝TGO软件及徕卡LGO软件的分析及应用 22 基于特定工程项目的GPS数据处理研究分析 com GPS数据处理方法在变形监测中的应用探讨 com1 GPS技术在变形监测中的应用 1应用现状及可行性分析 GPS定位技术的高效率高精度不受距离限制和全天候作业模式及观测和数据处理的高度自动化等多优点使GPS定位技术在大坝坝区高边坡监测城市三维变形监测等方面得到应用[30]经过的应用及相关试验研究表明GPS静态观测精度可达到1-3mm能够满足大坝边坡变形监测的要求武汉大学的徐绍铨教授于2002年在这方面的可行性研究表明用GPS完全可以代替常规方法用于大坝外观及滑坡变形监测和高精度变形监测[30] 2数据处理方法及存在的不足 GPS监测网数据处理的步骤是先进行无约束平差再进行约束平差中包成果的转换但由于监测网是多期重复性观测如果每次数据处理过程中都要进行成果的转换会引入多种误差而这误差在甚至遮盖了监测网微小的变形量反应出实际的变形情况获得高精度的变形数据同时也能够反映实际的变化情况文采用了直接在WGS-84坐标系下的无约束条件网平差[31]根据不同的工程情况采用不同的平差方法基准点远离变形体的影响选用一个各期共同观测的基准点进行三维自由网平差也称经典自由网平差若监测点均位于变形体内则采用秩亏自由网平差若监测网中有一部分点相对于另一部分点是稳定的则采用拟稳平差[32] com2 GPS变形监测网平差模型 1经典自由网平差 通常在建立GPS工程变形监测网时会考虑选择远离变形体的点一般为1-3个作为稳定的基准点因此我们在对各期观测数据进行静态平差时可以选定一个 共同的基准点作为位置基准进行GPS网空间三维无约束平差该方法的平差模型 可参见文献[33]具体不再赘述 2秩亏自由网平差 当观测网中不设起始数据或必需的起始数据时而且又网点坐标为待平差参 数误差方程系数阵列亏这样的平差问题称为秩亏自由网平差此时GPS网的位置 基准为各网点近似坐标的平均值即为网的重心基准重心基准在平差后是不变的 由于误差方程阵列亏按照最小二乘方法得不到唯一的解为了确定唯一的估计量 需要在该方法基础上加条件条件的确定应该所求得的未知 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 的估计量最优这 样的最优解是唯一的它就是法方程的最小范数解 设满足法方程的一个解为取其平方和的开方为 21 称为向量X的范数几何意义是向量的长度 设是的型一个广域逆即满足 22 设有相容性方程组 23 其解存在设为则有 24 将2223带入24式得 25 由此可知 26 在自由网平差中最小范数逆常取为 27 由于法方程系数阵对称故有 28 带入法方程的系数可得法方程的最小范数解为 29 3自由网拟稳平差 在自由监测网中有一部分点对于另一部分是相对稳定的以网中点的高程或坐标作为未知数有稳定未知数和不稳定未知数两类此时GPS网的位置基准为稳定点的重心坐标该平差前后是保持不变的平差前所取的稳定点的近似坐标平差值等于各稳定点平差后坐标的平均值列误差方程消去不稳定的未知数得到仅有稳定未知数的约化法方程由于该方程秩亏采用上面类似的方法附加最小范数条件即可求得各点的平差坐标 com3 三种处理方法的试验及结论 GPS监测网的数据处理软件是基于VC60平台开发可参考文献[3] [34]采用三维无约束平差法以GPS基线向量为观测值以其方差阵的逆阵为权进行平差计算本试验采用某一水库的GPS监测网数据先进行自由网平差然后假设不同的监测情况根据文献[3]中的方法将自由网平差结果向其他两种方法的成果转换首先以网中A点的坐标作为固定点坐标的起算数据进行自由网平差结果如表21由于数据量大表中只摘选部分点的改正数单位为m 表 21 自由网平差改正数 自由网平差坐标改正数 编号 测站点 dX dY dZ 1 2 3 4 5 6 7 8 A B C D E F G H 0 -00009 00085 00008 00003 00009 -00029 -00092 0 00085 00010 00021 00169 -00021 00130 00120 0 00048 -00064 00027 00077 -00027 00112 00025 单位权中误差为 从表21中容易发现自由网平差后的单位权中误差不到1cm说明平差精度很高结果可靠S号点已知点坐标改正数全为0在实际工程中所有的监测点都位于变形体内设网点坐标待平差参数误差方程系数阵列亏这样的平差问题称为秩亏自由网平差仍以上面的已知数据为例进行模拟秩亏自由网平差最终结果如表22所示 表 22 秩亏自由网平差结果 秩亏自由网平差坐标改正数 编号 测站点 dX dY dZ 1 2 3 4 5 6 7 8 A B C D E F G H 00003 -00006 00088 00011 00006 00012 -00026 -00089 -00064 00021 -00054 -00043 00105 -00085 00066 00056 -00025 00023 -00089 00003 00052 -00051 00088 00000 在自由监测网中有一部分点对于另一部分是相对稳定的需要采 用自由网拟稳平差的方法假定前三个点距变形体较远是相对稳定进行模拟平差 后结果如表23所示 表 23 拟稳平差结果 拟稳平差坐标改正数 编号 测站点 dX dY dZ 1 2 3 4 5 6 7 8 A B C D E F G H -00026 -00034 00060 -00017 -00023 -00016 -00055 -00117 -00032 00054 -00022 -00011 00137 -00053 00098 00089 00006 00053 -00059 00033 00082 -00021 00118 00030 从上面的两个表中容易发现由于实际工程情况不同采用不同的数据处理方法后各点的坐标改正数也有所不同更能反映实际的变化情况 com 施工控制测量中GPS数据的处理 com1 GPS数据边长的概算 1三维自由网平差 基线解算和WGS-84坐标系下的三维无约束平差得到GPS网点WGS-84坐标和经纬度对于评价所选基线的质量很重要解算后得到各基线向量值及其方差阵后进行同步环重复观测边异步环闭合差检验对超限基线予以剔除或进行野外返工在选择平差基准时应选择测区国家坐标系的基准 即1954年北京坐标系或 1980年西安坐标系而不是WGS-84基准 GPS网按精度分为四个等级见表24 表24 GPS测量精度分级 等级 固定误差amm 比例误差bmm 最弱边边长相对中误差 二 ?10 ?5 1150000 三 ?10 ?10 180000 四 ?10 ?20 140000 五 ?10 ?40 120000 ?10 ?80 110000 2二维无约束平差 采用单点无约束平差起算数据输入一个已知点坐标系统为1954年北京坐标系或1980年西安坐标系采用高斯投影得出GPS点的各基线长度 3边长概算 对基线边进行还算和投影把高斯投影面长度归算到参考椭球面上边长改正 210 式中,为高斯投影面长度归算到参考椭球面上边长改正m D,高斯投影面上的测距边长m ,测距边两端点横坐标之差m ,测距边两两端点横坐标平均值m ,参考椭球面上测距边中点的平均曲率半径 参考椭球面上的边长概算到测区平均高程面上边长的改正数 211 式中,参考椭球面上的边长概算到测区平均高程面上边长的改正数m ,测距边高出大地水准面黄海平均海水面的平均高程m ,测距边所在法截线的曲率半径 对基线边进行概算投影后总的测距边长 212 式中,测区平均高程面的边长m 4采用严密平差程序平差确定各项限差是否满足工程需求 1计算起算坐标 采用一点一方向模式方位角是已知点反算得到的利用概算后的已知边的基 线长度以一点为原点算出另一个坐标 2严密平差 以上面两点为起算数据采用平面控制网平差软件进行严密平差计算出控制 网的施工坐标 com2 实例 1工程概述 某工程是一项利国利民的工程主要是把煤层气开采出来通过管道连接国家西气东输管线输送到东南沿海地区煤层气管道穿越河道需要做防洪评价防洪评价河道断面的测量工作测区主要为山区尤其是河流两岸峰峦重叠山高谷深盆地穿插地形相当复杂河道两岸房屋稠密树木茂盛河滩地多为高秸杆作物通视条件极差 2数据采集 本次工程平面控制测量施测的D级GPS网共18个点平面坐标系统采用北京54坐标系使用六台套9600南方北极星单频接收机测量标称精度为 D为水平距离以km为单位 同步观测图形之间以边连接方式实现GPS网的扩展与延伸同步观测时间D级不小于90min进行数据采集 3基线解算 1基线解算网平差利用南方GPS数据处理软件进行 建立工程采用随机软件对GPS网进行数据处理通过基线解算和WGS-84坐标系下的三维无约束平差得到GPS网点WGS-84坐标和经纬度本项目的同步环异步环重复基线较差见表25表26表27 表25 同步环精度统计表 , , 大于 表26 异步环精度统计表 闭合差区间 , , 个数 表27 部分重复基线较差表 基线名称 基线长度km 较差 mm 较差限差mm 基线名称 基线长度km 较差 mm 较差限差mm S03-S04 0905 1 15 S05-S07 0481 2 15 2对GPS边长进行投影和概算 利用公式21和公式22得出以及概算投影后总的测距边长见表28 表28 GPS边长与概算后边长比较 边名 GPS测距长度 概算GPS边长 上坡底-S02 3116099 -000526 004163 3116463 上坡底-S03 5249101 -000871 006986 5249712 S02-S03 4395446 -000734 005862 4395959 S02-S05 6414928 -001083 008574 6415677 S02-S04 6155136 -000534 004210 3155503 S03-S04 9052893 -001487 012049 9053949 S03- 4000372 -00065 005339 4000842 S04-S05 4795802 -00078 006387 4796363 S04-S07 2342903 -00040 003125 2343176 S05-S07 4804992 -0008191 -006397 4805550 -S07 7068281 -00115 009419 7069108 3采用严密平差确定各项误差是否满足工程 需求 在实地中以上坡底为原点以上坡底到的方位角作为起算方位角将边长投影 到900m计算出坐标把上坡底和作为已知数据利用平差易软件进行严密平差得出 该控制网的工程坐标也即施工坐标各项精度见表29满足《规范》要求 表29 GPS网标准概算平面平差精度统计表 最弱相邻点 边长中误差 允许值 最弱相邻点点 位中误差mm 允许值mm 178000 140000 36 ?10 从表29可以看出概算后的GPS网边长相对精度远小于允许值能够满足施工测量的需要 4边长检测 由于水利枢纽地区的施工要求较高要求控制点坐标反算的边长与实地量测边长相符所以本项目利用LEA全站仪TC802在实地检测了部分边长并换算到同一高程面后与概算后的边长进行了比较从而检验点的精度表210即换算到同一高程面上 900m 的全站仪改正后边长与GPS投影后边长的比较 表210 全站仪检测边长与控制网GPS边长比较表 边名 经投影改正后 的检测边长m GPS投影 后边长m 差值mm 限差 S02-S03 4395955 4395959 -4 8 S04-S05 479643 479636 7 8 S03- 400089 400084 5 8 S05-S07 480557 4805550 2 8 表中为全站仪的标称精度 a,固定误差mm b,比例误差mmkm D,测边边长km 由表210充分说明经过投影改正后的边长与全站仪检测边长的较差在允许范围内说明数据概算方法合理平差处理严密 23 本章小结 通过此例把GPS数据从采集到处理作了系统的分析由于一般GPS数据平差用的均是随机软件所以平差方面只需检查同步环异步环闭合差复测基线较差等质量控制指标在精度低的情况下也可以人为干预处理掉基线中的残余粗差剔 除掉超限基线以达到精度要求在基线的概算方面尤其要对边长投影作进一步的认识分清高斯投影面参考椭球面以及平均测区平均高程面的关系作到基线的正确概算在施测GPS控制网时常会联测已知点不兼容的情况应该对起算点数据进行兼容性分析并采用一点一方向重新计算已知点的施工坐标而且作为施工控制网要求实测边长与理论边长相一致或者达到最小这样就需要对GPS网的边长根据测区情况具体确定投影方式和投影面 在针对GPS数据处理技术方面本章通观的按照一定的流程进行分析并将GPS数据处理在特定工程中的应用作为研究依据分析其优越性和可靠性 通过实际案例分析充分体现GPS数据处理的重要性 第3章 高精度静态GPS数据处理 31 GPS静态数据预处理 GPS定位测量的精度指标 a卫星定位测量的精度指标GPS网的主要技术要求如下表 b独立环坐标分量闭合差ω?ω?2δω?2δ c独立环全闭合差ω?2δ d复测基线长度较差ds?2δ e无约束平差中向量的改正数V?3δV?3δV?3δ f约束平差中向量的改正数与剔除粗差后的无约束平差结果的同名相应改正数的较差dV?2δdV?2δdV?2δ 表31GPS网的主要技术要求 等级 平均距离km amm 最弱边相对中误差 二 9 ?10 ?2 112万 三 5 ?10 ?5 18万 四 2 ?10 ?10 145万 一级 1 ?10 ?10 12万 二级 1 ?15 ?20 11万 32 GPS基线解算的数据预处理 在基线解算过程中数据预处理是非常关键的一个阶段它的目的是得出最终用于基线解算的观测数据和信息包括干净的观测值基线端点近似坐标每个观测历元的接收机钟差标准化卫星轨道数据等其中所谓的干净观测值指的是基本上不含有周跳和较大偏差的观测值它对基线解算至关重要 数据处理阶段的主要工作包括数据传输和解码数据筛选和编辑数据标准化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值估算和周跳探测修复或标记等 33 GPS基线向量解算结果分析 1观测值残差的分析 因为在进行基线向量解算时是假定观测值中存在偶然误差如果在观测值中存在系统误差或粗差会有较大的残差从理论上讲对GPS卫星信号进行载波相位测量的精度通常为001周 平差处理后单位权中误差应该比较小一般情况下其值在005周以下如果值过大则认为观测值存在某些问题 2基线长度的精度 对于长度在20km以内的短基线单频接收机由于其观测数据通常利用差分处理可以有效的消除电离层折射误差的影响从而确保其相对定位的精度但当基线长度再增长时双频接收机可以利用双频技术很好地消除电离层折射误差的影响所以双拼接收机将明显优于单频接收机的数据处理结果尤其是在电离层被电离程度影响较大的时间段内 3双差固定解和双差实数解 在进行基线向量解算时可以获得整周未知数的估计值及中误差从理论上讲整周未知数应该是一个整数但是由于各种误差的影响数据平差处理求得的整周未知数N往往不是一个整数而是一个实数称为双差实数解亦称双差浮动解当该实数解十分接近邻近的整数而且整周未知数的中误差又很小时就直接确定其为邻近的整数反之如果不存在周跳问题则可以建立整周未知数N的整数区间利用假设检验的方法对其整数解进行优化搜索将该实数确定为整数再将其作为已知量回代重新进行平差计算这样获得的结果称为双差固定解亦称双差整数解 对于长度在10km以内的短基线由于能够以较高的精度确定整周未知数其双差固定解将明显优于双差实数解所以一般取双差固定解作为最终解的结果而对于长基线由于难以有效地消除电离层折射误差和卫星轨道误差等的影响整周未知数的求解精度明显降低在这种情况下如果再将整周未知数固定为某一整数是没有实际意义的而且也有损相对定位的精度所以此时通常取双差实数解作为最后的结果 4相对定位精度因子RDOP 在利用载波相位测量进行相对定位时可以利用基线向量由固定站的已知坐标求得未知站的坐标也就是说基线向量的精度即为基线两端点间的相对定位精度类似于评价绝对定位精度而引出的几何精度因子PDOP的概念为了评价相对定位精度而采用相对定位几何精度因子Relative Dilution PrecisionRDOPRDOP 的概念是由美国戈德Goad博士在1988年提出的在实际应用中相对定位精度因子可利用下式进行计算 31 式中为误差方程式中待定点坐标未知数前面的系数阵它与整个观测时段中所观测卫星群的几何分布及其变化有着直接的关系所以RDOP是从观测卫星的几何分布图形和观测时间两个方面来综合表征相对定位精度的量而且RDOP比较客观地反应了整个观测时段中卫星几何图形强度对相对定位精度的影响 34 GPS网平差的类型和流程 一GPS网平差的类型 通常无法通过某个单一类型的网平差过程来达到网平差目的而必须分段采用不同类型的网平差方法根据进行网平差时所采用观测量和已知条件的类型和数量可将网平差分为最小约束平差自由平差约束平差和联合平差三种类型这三种类型网平差除了都能消除由于观测值和已知条件所引起的网在几何上的不一致外还具有各自不同的功能无约束平差能够被用来评定网的内符合精度和探测处理粗差而约束平差和联合平差则能够确定点在指定参照系下的坐标 GPS网平差还可以根据进行平差时所采用坐标系的类型分为三维平差和二维平差在GPS网的三维平差中所采用的GPS基线向量观测值和所确定出的点的位置都是在一个三维坐标系下而GPS网的二维平差中所采用的GPS基线向量观测值和所确定出的点的位置都是在一个二维坐标系下 二GPS网平差的流程 一整体流程 使用数据处理软件进行GPS网平差需要以下几步进行见图31 提取基线向量构建GPS基线向量网 三维无约束平差 约束平差联合平差 质量分析与控制 二GPS网无约束平差的流程见图32 选取作为网平差时的观测值的基线向量 利用所选取的基线向量的估值形成平差的函数模型其中观测值为基线向量待定参数主要为GPS网中点的坐标同时利用基线解算时随基线向量估值一同输出的基线向量的方差阵形成平差的随机模型最终形成平差完整的数学模型 对所形成的数学模型进行求解得出待定参数的估值和观测值等的平差值观测值的改正数以及相应的精度统计信息 根据平差结果来确定观测值中是否存在粗差数学模型是否含有需要改进的部分若存在问题则采用相应的方法进行处理如对于粗差基线既可以将其剔除也可以调整观测值权阵并重新进行求解 若观测值和数学模型中未发现问题则输出最终结果无约束平差结束 三GPS网约束平差的流程见图33 利用最终参与无约束平差的基线向量形成观测方程观测值的权阵采用在无约束平差中经过调整后如果调整过最终所确定观测值权阵 利用已知点已知边长和已知方位等信息形成限制条件方程 对所形成的数学模型进行得出待定参数的估值和观测值等的平差值观测值的改正数及相应的精度统计信息 约束平差结束 四GPS网联合平差的流程见图34 a利用最终参与无约束平差的基线向量形成与GPS观测有关的观测方程观测值的权阵采用在无约束平差中经过调整后如果调整过最终所确定的观测值权阵 b利用地面常规观测值如边长角度方位等形成与地面常规观测值有关的观测方程同时给其初始的权阵 c利用已知点已知边长和已知方位等信息形成限制条件方程 d对所形成的数学模型进行求解得出待定参数的估值和观测值等量的平差值观测值的改正数以及相应的精度统计信息 e利用d步的结果对GPS观测值与地面常规观测值之间的权比关系调整再次进行d步不再需要对上述权比关系进行调整为止 f约束平差结束 图31 GPS网平差整体流程 图32 GPS网无约束平差流程 图33 GPS网约束平差流程 图34 GPS网联合平差流程 35 本章小结 本章针对高精度静态GPS数据处理为技术前提在GPS数据的预处理基线的解算基线向量的解算网平差等方面进行分析讨论并在每一部分中详细的对其所包含的内容进行了列举从初步对高精度静态GPS数据处理的工作进行讲解 高精度静态GPS数据处理重点工作就在静态数据的预处理基线解算基线向量的解算和网平差方面本章中都做了陈述 第4章 基于TGOLGO数据处理研究分析 41 基于天宝TGO数据处理模式 本节将描述Trimble Geomatics Office软件的主要特点及在150版本中包括工作流程在内的增强功能同时还描述有关使用这个软件的重要细节并且列出 了CD里的附加文件盒应用程序 一主要特点 Trimble Geomatics Office软件是一个链接和测量压缩包它在野外工作和设计软件间提供无缝链接软件包括一套广泛的功能它可以帮助我们 1快速检验野外工作 2容易地执行与测量相关的任务 3把数据导出到第三方设计包 Trimble Geomatics Office软件集成了Trimble Survery Office和GPSurvey 软件的功能主要特点是 1集成WAVE基线处理模块 2集成原始GPS数据编辑器用来研究GPS数据 3基于Windows的GPS和常规网平差模块 4两个项目视图即测量和平面用于显示数据 5主图形窗口里的项目条提供执行常用任务的捷径 66>HTML报告易于检查和结算数据 7增强了对GPS接收机和或常规全站仪采集数据的无缝功能 8属性窗口用来查看和编辑点和观测值类型的信息 9扩展的项目选择查看和编辑允许用户筛选用来分析的观测值类型 10支持层面帮助管理数据 11扩展的导入和导出格式用于传输各种来源的数据 12GIS数据采集支持用来扩展高精度GIS数据采集能力并允许使用包括GPS Pathfinder Office软件创建的文件在内的数据词典文件 13RoadLinkTM软件用于查看编辑第三方道路设计文件盒创建数字地形模型 新增特点有 1与Trimble Survey ControllerTM77版本软件的兼容性 2从Trimble5700接收机和Trimble5600系列GDM仪传输数据 3改进了在野外放样点的裁减工作报告 4背景图地面坐标 5支持第三方水准数据的导入和质量控制 6显示格网线 7增强了对重复点的处理 8改善了属性窗口中查看和编辑的数据显示 9HTML项目报告链接到项目 10增强了便于查看的数据筛选 11从其他项目导入观测值 12改进了限差检查 com项目 14NGS蓝本应用程序 15人工环闭合差 WAVE基线处理模块包括 HTML报告 NGS天线模拟 改进的RINEX支持 独立的基线选择 网平差模块包括 对包括水准在内的常规观测值的网平差支持 自动缩放 RoadLink软件包括 1导入第三方道路定义文件的新向导 2导入横断面数据作为模板使用-支持的第三方软件包包括AutoDeskInroads和Teramodel 3显示连接模板元素的工作线用于查看道路定义 4用于确认道路定义的计算工具 5使用导入工作线或点来定义水平或垂直的定线 二软件操作 静态数据后处理步骤 1项目建立创建新项目的时候在打开的TGO主界面点击新建项目弹出新建项目对话框图41 新建项目 在上面的对话框中在名称域给项目一个名字模板选择米制Metric新建选择项目鼠标点击确认按钮弹出项目属性对话框 图42 属性编辑 这个时候可以将当地的坐标系统添加到项目中也可以先不添加到项目中如果要将地方坐标系加载到新建的项目中选中项目属性对话框中的坐标系统标签项目属性对话框将变为 图43 项目属性 点击右上角的改变按钮出现选择坐标系对话框 图44 选择坐标系 选中新系统按下一步按钮出现选择坐标系统类型对话框 图45 选择坐标系类型 选中坐标系统和投影带 Z 按下一步按钮出现选择坐标系统和投影带对话框 图46 选择坐标系统投影带 在上面的对话框中选中你需要的坐标系统后按下一步按钮出现选择大地水准面模型 图47 选择大地水准面模型 在上面的对话框中选择预定义的大地水准面模型OSU91AGloble 或EGM96Globle按完成按钮回到项目属性对话框 图48 预定义属性 点击左下角的细节按钮可以查看加载的坐标系的参数在上面的界面点击确认第一步新建项目就算完成 2数据导入在导入数据的时候在TGO主界面选择导入工具条弹出导入对话框 图49 数据导入 在上面的对话框中选择GPS数据文件dat按确认按钮弹出打开文件对话框选中你需要的文件后按打开按钮出现数据检查界面 图410 选择数据文件 图411 数据检查 图412 野外测量图生成 这个时候你需要认真地根据你的野外记录正确地输入点名天线高正确地选择天线类型量高方式这个时候要认真地核对点名文件名开机时间关机时间天线 类型量高方式天线高确保对应关系别张冠李戴认真做好这个工作后按确认按钮回到桌面选择视图下拉菜单的点标记选上名称桌面显示如下 刚才在输入点名天线高选择天线类型测高方式的时候如果出现了错误可以在此时改正用鼠标双击需要改正的点弹出点的属性对话框 图413 属性编辑 在这个属性对话框中你可以改写点名改写天线高改选天线类型改选测高方式需要注意的是改好之后记住用鼠标点击左上角的小圆点保存 3基线处理基线处理的原则基线质量的好坏评估指标有解算类型比率参考变量和均方差RMS最好的解算类型是L1固定解或电离层空闲固定最好的比率是大于3并且越大越好比率最小不小于15参考变量经验值是2左右为最好一般情况下小于10最大不大于20均方差RMS是小于3厘米且越小越好最大不大于4cm在这几个指标中解的类型和均方差是最关键的基线处理都是利用视图下面的Timeline弹出其界面下面介绍Timeline界面 图414 基线处理 在Timeline界面上我们可以看到我们的测点名用的是什么仪器以及仪器的序列号有那些卫星被观测了界面的上面是时间轴那一条条的线表示的是卫星的观测历程如果要禁止某颗卫星的某段历程框选这颗卫星的这段历程将鼠标移至框内击鼠标右键选择弹出快捷菜单中的允许禁止菜单被选中的那段历程就被禁止了如果要将某颗卫星的历程全部禁止掉可以框选也可以选择那颗卫星然后击鼠标右键选择弹出快捷菜单中的允许禁止菜单被选中的那颗卫星的全部历程就被禁止了 图415 卫星编辑窗口 基线处理时通常按下面的步骤进行 第一步周跳处理基线处理之前先进行周跳处理周跳就是记录卫星历程的线不连续有竖向短线周跳处理就是把这些不连续的历程在Timeline中禁止掉周跳处理的同时把被观测时间相对整个观测时段很短的卫星禁止掉做好周跳处理之后 图416 周挑处理 进行基线处理此时选择屏幕菜单中的处理GPS基线图标TGO软件将自动进行基线处理 处理完基线之后基线处理结果自动生成如下 图417 基线处理结果 在上面的基线处理结果表中我们可以看到在表的右下角记录了接受和拒绝的基线数如果拒绝的基线数为零并且保存处理后的基线由墨色变成黄色那么其质量是很好的通过了的基线有可能呈红色被拒绝的基线一定呈红色没有通过的基线其质量有问题记住这些基线进行第二步处理 第二步残差处理逐一选择经过周跳处理后有质量问题的基线然后如图打开基线处理报告 图418 基线处理报告 在基线处理报告中每颗卫星都有它自己的卫星残差图记住卫星残差大的卫星和某些卫星残差大的时段利用Timeline将卫星残差大的卫星和卫星残差大的时段禁止掉不让它们参加基线处理但记住只处理跟你选择基线相关的两个测点之一或两点在这步中将Timeline处理好之后就再次进行基线处理看处理后该基线是否被接受若该基线仍被拒绝请重复残差处理23次一般情况下基线处理在这 个时候就没有问题了若基线处理好了可以直接进入闭合差处理若基线处理还没有通过进行下一步处理 第三步PDOP处理在有基线被选中的条件下打开Timeline的同时会激活两个工具条DOP图表和SV图表如下图 图419 PDOP处理 逐一选择质量有问题的基线打开Timeline再打开DOP图表 图420 DOP图表 注意其PDOP值如果某时段的PDOP值有突变或较大利用Timeline将这时段的卫星信号禁止掉不让它们参加基线处理PDOP表示的是卫星空间分布结构的好坏越小越好 第四步高度角处理经过前几步处理后若还有基线没有通过进行高度角处理逐一选择没有通过的基线打开Timeline再打开SV图表 图421 点的测量天空图 4闭合差处理闭合差反映了观测值的内符合精度如果内符合精度较差重新处理基线内符合精度的好坏将直接影响最终的精度由于咱们的GPS控制网有重复的观测点和重复的观测边这样一来咱们就可以选择网结构排除掉那些影响闭合差的基线或点闭合差处理点击屏障菜单环闭合差 图422 闭合差处理 5无约束平差进行无约束平差时首先要确保基准是WGS84如图 图423 无约束平差基准 然后选择平差菜单的下拉菜单平差软件自动平差平差之后如下打开网平差报告 图424 网平差报告 6约束平差约束平差分平面约束平差和高程约束平差两步平差时首先将基准转换为当地的地方基准 7成果的导出平差结束之后需要将成果导出来成果可以以CADASCIIGIS或自定义的方式导出如果只需要最后的三维坐标请以自定义方式导出成果导出时会自动保存在项目下的Export子目录下 42 基于徕卡LGO数据处理模式 不同的GPS数据后处理软件性能和精度有一定的差别而且GPS软件能给测量结果带来误差是引入测量误差不确定度的来源之一 天宝莱卡南方中海达等候处理软件通过实验发现国外GPS后处理软件要优于国内产品国产软件操作简单比较符合国内实际情况精度不一国外软件操作复杂计算繁琐参数设置麻烦精度高 鉴于以上原因结合实际GPS测量工作LGO软件是瑞士徕卡公司配合徕卡GPS仪器所开发的一个集全站仪GPS数字化水准仪数据处理的一个软件在 实际数据处理中精度较高而且使用方便因此选用此软件 一(LGO数据的手动处理 导入观测数据的步骤 1新建项目名称看自定义 图425新建项目 2输入原始数据 由于观测数据RINEX格式所以在文件类型中选择RINEX文件全部选择文件点击输入按钮 图426 原始数据输入 3点击第二步新建的项目名称再点击对话框下面的分配按钮等进度条完成后点击关闭按钮 图427 数据分配 图428 数据生成点位图 基线处理的原则和操作步骤 1原则 基线向量的解算是一个复杂的平差计算过程解算时要顾及观测时段中信号间断引起的数据剔除观测数据粗差的发现及剔除星座引起的整周未知数的增加等问题 1基线解算一般采用双差相位观测值对于长度超过30KM的基线解算时也可采用三差相位测量 2卫星广播星历坐标值可作为基线解的起算数据对于特大区域的首级控制网也可采用其它精密星历作为基线解算的起算值 3基线解算中所需的起算坐标点应按以下优先顺序采用 国家GPS AB级网控制点或其它高等级GPS网控制点的已有WGS-84坐标 国家或城市较高等级控制点转换到WGS-84系后的坐标值 不少于观测30分的单点定位结果的平差值提供的WGS-84系坐标 4在采用多台接收机同步观测的一个同步时段中可采用单基线模式解算也可以只选择独立基线按多基线处理模式统一解算 5同一级别的GPS网根据基线长度不同可采用不同的数据处理模型但是08KM内的基线必须采用双差固定解30KM以内的基线可在双差固定解和双差浮点解中 选择最优结果30KM以上的基线可采用三差解作为基线解算的最终结果 6对于所有同步观测时间短于30分的快速定位基线必须采用合格的双差固定解作为基线解算的最终结果 网点图结果 图429 网点图结果 导入已知格网坐标步骤 从输入主菜单中或工具栏或工具列表栏选择输入ASCII数据 输入ASCII数据对话框将打开在该对话框中 在文件类型下面选择文本文件 在查找中浏览包含数据的目录Localtxt 在坐标系统下选择地方并在高程模式下选择正高 单击输入按钮 图430 ASCII数据输入 在步骤14中选择自由格式并单击下一步继续 在步骤24中选择空格作为栏分隔符号并单击下一步继续 在步骤34中确保坐标类型设置为格网右键单击第一栏并选择点标识用同样的方法东坐标北坐标和正高单击下一步 在步骤44中可以输入模板名进行保存用于下次输入ASCII文件单击完成执行分配对话框 在分配对话框中创建新项目来输入ASCII数据 在常规标签的目录视图中右键单击项目并选择新建 输入项目名 例如PP Sample Local 选择当地并按确定确认 单击分配接着单击关闭项目将自动打开并显示点315309和402的地方坐标 地方控制点现在已经存储在项目中 图431 用户定义ASCII 14 图432 用户定义ASCII 24 图433 用户定义ASCII 34 图434 用户定义ASCII 44 图435 分配数据到项目 格网坐标 网平差内容和参数设置 菜单平差配置一般参数配置 图436 参数设置 网平差步骤提取基线向量构建GPS基线向量网 三维无约束平差 约束平差联合平差 质量分析与控制 图437 网平差结果图 43 本章小结 第5章 GPS数据处理质量与精度分析 51 GPS数据处理中粗差的探测与剔除 com 网整体性检验 参与GPS网平差的基线向量必须连为一体如果几组观测数据基线向量互不 相关则不能将其纳入为一个整体统一作整体平差 com 单位权方差 参与GPS网平差的基线向量必须连为一体如果几组观测数据基线向量互不相关则不能将其纳入为一个整体统一作整体平差 在最小二乘平差中两单位权方差其中先验是指平差前赋予的期望值后验是指经平差后的计算值是对先验期望的检验1后验单位权方差接近或等于其期望值表明平差中不含有粗差参与平差的观测值是有效的但不能确定其好坏 2后验单位权方差比期望值明显偏大表明在参与平差的数据中存在粗差或者观测值误差不真实这时借助其它工具探查出粗差的大小将其删除重新平差如果观测误差与实际有出入则可调高期望值的尺度使其更切合实际再次平差 3后验单位权方差比期望值明显偏小表明观测值误差不真实也可能存有粗差如果属于观测误差不真实可以调低尺度使其更切合实际重新平差 com X2检验 X2检验是进一步判定后验单位权方差可信度的工具在Locus Processor中X2检验由平差数学模型自动完成如果X检验通过Passed表明平差良好如X2检验失败Failed说明先验与后验单位权方差统计不等价平差存在问题为进行下一步判定问题的属性提供了线索 com 观测值残差 平差值与观测值之差残差GPS观测值为基线向量每一个基线向量有3个分量XYZ或NEU因而GPS向量存在3个分量残差GPS平差是以最小二乘原理来进行平差计算的用观测值残差的平方和最小的原理来处理观测值残差带来的矛盾从而得到观测值的平差值在观测值中有两类误差偶然误差和粗差观测值中仅包含偶然误差则残差较小如果粗差存在则会出现较大的残差平差处理后将计算出所有观测值的残差查验残差的大小可以有助于识别残差但是在判定大残差的观测值 是否为粗差时须注意以下几个方面 1粗差足够大则其残差也会较大但残差大并不一定都属于粗差好的观测值也可能有较大残差这是因为在最小二乘平差中粗差分布往往影响到整个控制网有粗差的观测值会影响到其他观测值残差的正确性 2网中对于长度相近的基线向量其残差也大致相等如果有某个向量的残差较大则可怀疑其有粗差存在残差不应大于仪器设备的测量精度标称精度若残差比允许误差大出2-3倍则有必要进一步检测是否属于粗差 大多数情况下有较大残差的观测值多数包含有粗差删除有粗差的观测后重新做平差计算如果还有较大残差存在再次删除残差较大值再重做平差一直到残差较小为止但有可能将不含粗差的一些观测值删除或者删除一些观测值后会影响到网的强度时可以将删除的观测值添加到网中再进行平差一个一个的判断和取舍平差结果良好实际上说明观测值不含有粗差对于有粗差的观测值删除后影响到网形强度则应重新组织观测 com t检验 残差或标准残差服从正态分布它的期望是可以预见的t检验是一种统计检验是用标准残差去统计观测值残差是否位于期望的界限内同时计算一个阀值来检验每一个标准残差其检验可能出现两种结果 1t检验通过Passed标准残差不大于阀值通常情况下观测值中不含有粗差 2t检验失败Failed标准残差大于阀值要查验粗差情况进行一步检验观测值是否包含粗差 com 环闭合差检验 是由独立基线向量构成某种闭合图形的一个优良的GPS控制网如三角形大 地四边形多边形等理论上这些环路图形的闭合差应等于零但由于各种观测误差等因素的综合影响实际闭合差一般均不等于零通常情况下环闭合差的大小与所采用的仪器测量精度相对应其大小是可以预计的但是带有粗差的环闭合差就难于预计其大小与粗差对应因环闭合差检验可以有效地检验出观测值的粗差 当GPS网中的基线向量存在较大或多种粗差时有时很难通过平差结果予以发现在这种情况下通过选择基线向量可以构成多个闭合环同步环异步环利用Locus Processor软件提供的Loop Closure Analysis环差分析功能进行基线向量的可靠性分析首先计算出基线向量组成的环路闭合差再与该环路的闭合差限值进行比较若小于允许闭合差则该环闭合差检验通过表明构成此环路的基线向量存在粗差的可能性很小但并不意味着粗差不存在此时再用这些基线向量和其他的基线向量分别组成闭合环进一步分析就能把粗差探测出来若闭合差大于允许值则闭合差检验失败表明环中的基线向量有粗差存在此时应进一步分析以确定环中哪些向量含有粗差 com 复测基线向量分析 根据国家规范进行GPS控制网测量时要求有一定数量的重复基线即一定比例的基线应有不少于两个以上的观测时段这些复测向量可用于分析观测值的外符合性用于检核基线的观测质量在Locus Processor中自动进行所有复测向量的分析复测向量相互比较显示其差值以供分析重复向量的误差小于允许误差则复测基线的质量达到要求认为观测向量中没有粗差如果复测向量的误差大于允许值则表示某个向量的质量没有达到要求可能有粗差存在此时应结合其他工具仔细检查以确定是否有粗差 com 控制点连接分析 为了使GPS控制网与地方区域或国家的控制网连接要联测若干已知点在进行约束平差后有时会发现控制网的相对精度下降或者达不到规范要求而最小约束平差所输出的平差精度远远高于规范要求此时并不能说明GPS网的观测质量有问题已知点的配置导致了精度等级降低通过分析已知点的相对精度找出有问题的已知点不让其参于平差在Locus Processor中如果控制点连接分析通过表明参与平差的已知点不会降低精度等级如果控制点连接分析失败则与上述相反 52 GPS测量数据处理质量评价与优化方法 在GPS定位数据处理工作中占用处理时间最长工作量最大的是GPS基线解算基线解算质量的好坏直接影响到GPS网的定位精度和工作效率因此正确评价基线解算的质量及时对不理想基线进行优化处理就显得很重要 com 基线解算质量评价要素 Gpsadj软件Gpsadj软件中基线解算结果有4项质量指标即基线解的类型基线解的方差比值同步环异步环闭合差和重复基线长度检核根据这些质量要素对基线解算进行评价 com1 基线解的类型 基线向量的解算质量与整周未知数的确定有直接关系在软件数据处理中整周未知数是被当作平差计算中的待定参数来加以估计和确定的解算整周模糊度的能力与基线的长度有关获得全部模糊度参数整数解的结果称为双差固定解获得双差模糊度参数整数解的结果称为双差浮点解对于较长的基线30km以上的基线固定解和浮点解都不能得到较好的结果可以用三差解 com2 方差比值Ratio 方差比值是整周未知数固定时次最优固定解的方差与最优固定解的方差的 比值它反映了整周未知数可靠性的高低方差比值越大说明整周未知数可靠性越高方差比值越小说明整周未知数可靠性越差 com3 同步环异步环闭合差 同步环异步环闭合差是反映GPS网内符合精度的一项最重要的指标也是评价组成环路的所有基线是否含有粗差的重要依据 com4 重复基线长度检核 重复基线是指同一条基线边观测了多个时段得到的多个基线边对重复基线边的长度检核也是评价某条基线是否含有粗差的重要依据 com 基线解算的质量评价 com1 利用解类型评价 根据《全球定位系统城市测量技术规范》中规定同一级别的GPS网在8公里以内的基线必须采用双差固定解30公里以内的基线可在双差固定解和双差浮点解中选择最优结果30公里以上的基线可以采用三差解作为基线解算的最终成果如果达不到规范要求应对基线进行优化处理 com2 根据方差比值Ratio评价 方差比值是评价基线解算质量的重要指标比值越高说明整周未知数确定的可靠性越大 com3 根据同步环异步环闭合差评价 在Gpsadj软件中每个同步环和异步环都有三个方向的闭合差及边长闭合差和相对误差GPS测量技术规程对同步环坐标分量及环线全长相对闭合差进行了规定如果达不到规范要求应对基线进行优化处理 com4 依据重复基线长度检核评价 在Gpsadj软件中可以查看控制网中所有的重复基线GPS测量技术规程对不同观测时段的基线边的互差进行规定差值不应小于相应级别规定精度如果基线边的互差超限应对含有粗差的基线进行优化处理 com 基线解算优化处理方法 在基线解算之前设置好该项目采用的坐标系控制网等级等属性参数按照Gpsadj软件中的缺省参数对基线进行自动处理然后打开基线解算结果查看基线解算情况对基线质量进行分析评价当有不理想基线时应做优化处理处理方法如下图51 图51基线解算缺省参数设置 com1 确定合适的卫星高度截止角 Gpsadj软件中高度截止角的选择范围在5?至35?之间步长值为5?解算基线失败核实连续观测时间长短观测卫星数多少和图形强度因子PDOP值大小同步观测卫星数较多6颗以上同步观测时间较长45分钟以上可适当增加高度截止角剔除容易被外界干扰的低空历元数据采用不易被干扰的且接收稳定的高空历元数据重新进行解算反之亦然 com2 选择合适的历元间隔 解算的数据量的多少历元间隔的大小合适的历元间隔原则为对基线同步观测时间较短采集的数据量较少时可缩短历元间隔让更多的历元数据参与解算同步观测时间较长采集的数据量大要增加历元间隔能有效的跳过因为外界干扰而失锁的区域 com3 剔除无效历元 通过一个例子来说明这个问题在相位跟踪图中右键单击鼠标在弹出的快捷 菜单中选择数据编辑G001302弹出数据编辑框跟踪卫星的序号在图左端显示连续线中断处表示当时卫星信号失锁在数据编辑图中选择工具按钮然后按住鼠标左键拖拉框圈住图中有数据中断的地方即可剔除无效历元以灰颜色显示如下图5253退出数据编辑框重新解算剔除无效历元后的基线 图52 数据编辑窗口中单个测站卫星数据图 图53 编辑窗口中剔除无效历元后单个测站卫星数据图 53 提高GPS控制网质量及精度的方法 利用GPS布设工程地面控制目前已经成为测绘领域中的主要手段利用GPS布设的控制网可以取得高精度的基线向量具有选点灵活全天候作业观测时间短等优点随着GPS定位技术的不断发展及其在测量中日益深入广泛的应用其测量精度的要求越来越高对于GPS控制网而言提高基线解算精度和GPS控制网平差处理结果的精度是提高GPS网点精度的本文结合工程实例提出了提高GPS控制测量质量及解算精度的布网方法和解算技巧 com案 一般情况下GPS网应根据任务的要求测区自然状况交通条件进行设计然后根据《全球定位系统 GPS 测量规范》和《全球定位系统城市测量技术规程》的规定来确定相对应边长和精度 表51表52 布网时要重点考虑的是合理利用原始控制点 特别是作为平差的已知点校核点的利用分析其在网内的位置和本身精度对平差精度的影响最终设计出最优的网形方案 表51 城市各级GPS控制网平均边长 km 等级 C D E 一级 二级 平均距离 10,15 5,10 2,5 1 1 表52 城市各级GPS控制网最弱边相对中误差 等级 固定误差a 比例误差b 最弱边相对中误差 C D E 一级 二级 10 10 10 10 15 5 10 20 20 20 1120000 180000 145000 120000 110000 com 外业观测 外业观测时根据卫星星历合理安排观测时段在仪器架设的对中精度整平精 度天线高的量测方法满足规范要求的前提下观测采用静态同步模式卫星高度角 ?15?历元间隔15sPDOP值小于60观测卫星数4个以上观测时段数?2从而尽 可能的消除GPS信号的传输误差天线相位中心偏差等对观测数据带来的影响 com 数据处理 GPS网数据处理分基线向量解算和网平差两个阶段为获得GPS观测基线向量并对观测成果进行质量检核首先要对观测数据的质量进行分析并做出评价以确保观测成果和定位结果的预期精度 1基线解算 《全球定位系统GPS测量规范》中规定在进行C级以下各级GPS网解算中15km内的基线须采用双差固定解 L1或LC相位固定解 其质量的优劣直接影响到基线网平差的结果基线解算是静态GPS测量中的关键步骤对各种情况下基线解算的结果进行精度分析有利于根据观测条件改善GPS测量精度对于不合格基线通常采用更改卫星截止角获取有效卫星数据更改数据采样间隔获取有效历元删除不合格卫星等操作达到基线解算合格提高解算精度的目的 2平差计算 在已有的基线解算成果的基础上按照常规方法进行三维自由网平差对于一条基线而言主要是评价其相对指标即改正数然后检验基线之间的相容性评定整网的内符合精度得到GPS网点的WGS-84坐标然后根据选定的坐标系和控制等级精度对已知点坐标已知距离和已知方位进行强制约束或加权约束选择合适的已知点进行二维网约束平差和高程拟合得到网点的单位权中误差和高程拟合精度进行精度评定用不同的已知点起算得到的点位精度和高程拟合精度也会不同在满足控制精度的情况下还应该通过对网形的可靠性已知点在网内的位置已知点自身精度可靠性重复基线进行分析选择使网内各点的平面改正数和高程内符合精度尽可能小解算得到的校核点与已知数据进行校核匹配从而得到最优的解算结果 但是有时候对于一个工程而言周边已知点少分布不均或者本身精度不可靠 等级不匹配即使网形几何强度可靠此时进行网平差可能造成参与平差时基线向量间权比失调导致平差结果不准确即使平差结果达到控制精度要求依然无法证明其结果可靠这样的GPS网就需要通过综合分析和经验技巧进行平差来提高网的整体精度本文针对一相似的工程网进行介绍工程位于沿海滩涂地势平坦布设的控制网如下图54所示 图54 布设控制网示意图 该GPS控制网为E级网网平均边长411kmG200为网内一个未知点由于仅有的5个D级已知点本身的精度不明且分布在网的两端虽然解算结果依然能满足规范要求但是各已知点的点位误差可能已经通过短基线的检核而抵消而且由于最弱边在控制网中央则越是中间位置的未知点的质量越不可靠下面分步介绍提高解算精度的步骤 步骤一5点全部作为控制点参与平差发现基线G07-G10改正值最大G10-G003改正值小则认定G07平面精度不可靠不能参与二维平差 步骤二若从G003G10G008G169中任选3个作为起算控制点剩余的一个作为校核点平差得到的校核点坐标与已知坐标的互差虽然在控制等级的点位精度之内 3,4cm 但依然无法提高网中央位置点位的质量或者4个点全部用作起算控制点无校核点运用此方案在此不做考虑 《全球定位系统GPS测量规范》中对于控制网的边长允许相邻点的最小距离可为平均距离的13,12 最大距离可为平均距离的2,3倍在这种情况下可加测一条长基线G003-G008 见下图 参与平差基线长1416km选择G003G008和两端的4个已知点中任一点作为约束点进行平差既可以检查其它3个检核点的精度又能提高网中央未知点的质量 图55 加测长基线控制网示意图 运用此法得到的两个检核点的平差结果与相对应的原始坐标对比互差都在1cm 之内证明此时5个已知点具有很强的相容性得到的G200坐标与之前解算方法得到的结果也有1,2cm的互差表明网的整体精度已经得到提高若将基线G003-G008加入一个同步环效果更佳 表53 两种模型的拟合精度 MAPE 拟合等级 L曲线 G曲线 216 191 高精度拟合 高精度拟合 图56 预测曲线 运用以上方法得到的两个检核点的平差结果与相对应的原始坐标对比互差都在1 cm之内证明此时5个已知点具有很强的相容性得到的GZ00坐标与之前解算方法得到的结果也有1 2cm的互差表明网的整体精度已经得到提高若将基线G03-G008加入一个同步环效果更佳 54 本章小结 在GPS网的数据处理中我们需要对基线解算的质量进行检验以确保得到高质量的基线向量同时对构成GPS网的基线向量也进行质量检验分析以得到合格的GPS网基线向量的粗差探测与剔除应在最小约束平差后完成Locus Processor 及现今的许多GPS平差处理软件都提供了多种粗差的探测分析工具实际作业中在我们掌握了一定的GPS误差理论的同时要充分利用这些工具仔细分析认真检核基线向量的质量用高质量的向量组成GPS网这样才能得到质量可靠精度优良 的GPS控制网同时得到高精度的定位成果 1对基线解算质量的评价应全面综合考虑 2通过基线解算的优化处理基线精度可进一步提高但要决定每条基线最终解算是否成功还必须通过残差分析和同步环异步环环闭合差分析 3基线优化处理的前提是要有足够数量的野外健康数据因此必须保证野外作业的观测时间和观测质量 基线解算中的系统误差主要有对流层延迟误差电离层延迟误差卫星轨道误差多路径效应测站坐标的误差接收机钟差和卫星钟差等作业过程中在GPS接收机满足作业精度要求的情况下测量的主要误差源是多路径误差周跳和点位的对中误差作业中应尽量避免其发生并减少其误差待求点与已知点相连基线最好不要超过两条边并随着基线边数的增加其相应待求点的精度就越差都随着已知点的增加精度相应变好在边长超过25km的同步环应增测一个时段以确保GPS测量数据的质量控制GPS测量的质量提高其测量精度并用于实际生产中结果表明这些方法是切实可行的 在沉降观测过程中引起监测建筑物沉降的因素是复杂多样的且彼此间的关系是灰色的当观测值数列子样较大时预测就会与实测值更接近 结 论 一展望 随着科学技术的进一步发展与完善长期使用的以测角测距测水准为主体的常规地面测量技术正在逐步被一次性确定三维坐标的高速度高效率高精度的GPS技术所代替定位范围从陆地和近海扩展到海洋和宇宙空间定位方法从静态扩展到动态定位服务领域从导航和测绘领域扩展到国民经济建设的广阔领域如 石油勘探高速公路通信线路引水工程地下铁路隧道贯通电力勘测工程建设及建筑物变形大坝监测身体滑坡地震的形变观测海岛或海域测量方面DGPS差分定位技术和RTK实时差分定位系统的发展和美国AS技术的解除GPS单点定位精度得到不断提高GPS技术在导航运载工具实时监控精细农业地质勘探城市规划碎部点的测绘与放样等领域将有广泛的应用前景 GPS定位技术的高度灵活性和显著的优越性以及常规测量技术无法比拟的高精度和高效益传统的测量方法正被先进的GPS技术所取代与此同时人们对GPS的应用不仅局限于定位方面而是深入到高程的精确确定方面就高精度GPS的定位模式而言局域范围内有位置差分伪距差分和载波相位差分广域范围内有广域GPS差分但就高精度高程测量而言仅有载波相位差分测量能够满足其精度要求因而载波相位差分测量便成了高程定位的主要技术手段 为了充分发挥GPS定位技术的显著优越性更好地适应于各个领域的需要必须在大量实践的基础上不断地总结经验并从理论上分析和解决GPS技术应用中出现的各种实际问题从而取得最佳的经济效益和精度要求 二结论 为期一个月的毕业论文终于接近尾声通过这一段时间的接触对本题目有了初步的了解并在通过相应技术手段的操作后明确了GPS数据处理的重要性和可靠性 文中以GPS数据处理为统一宗旨从多个方面及技术路线上对GPS数据处理进行浅意的解剖内容虽说不是很完善但针对GPS测量前后期的数据处理及所遇到的问题都做了初步的叙述并在GPS测量后期数据质量提高数据优化控制网精度评定等方面也做的初步研究 通过论文的撰写明确了实际工作中正确的数据处理流程以及在处理过程中应该注意的问题GPS数据处理作为GPS测量的一项后期服务手段充分体现了其在工作过程中的地位并在对数据处理软件了解的过程中充分的体会到了GPS数据处理的技术性要求严格规范严谨 相信通过这段时间的学习与研究对今后的工作会起到很大的促进作用同时也很感谢老师及同学的帮助和支持 参考文献 [1]许曦朱建军刘庆元长大桥隧工程的GPS跨障碍高程控制[J]长安大学学报200424 4 74-78 [2]comenitcharskycomelovacomrisTransformation between gravimetric and GPSlevelling-derived geoids using additional gravity informationJournal of Geodynamics 39 20053927–544[3]刘基余GPS卫星导航定位原理和方法[M]北京科学出版社2003 [4]周忠谟易杰军周琪 GPS卫星测量原理与应用[M]北京测绘出版社1997 [5]姜卫平刘经南叶世榕 GPS形变监测网基线处理中系统误差的分析[J]武汉大学学报 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5504868306 m 00000 m 00010 m 北坐标 52486277612 m -00001 m 00015 m 高程 - 00000 m 00030 m 402 东坐标 5506915380 m 00000 m 00010 m 北坐标 52471425416 m -00001 m 00018 m 高程 - 00000 m 00030 黑龙江工程学院本科生毕业论文 II 黑龙江工程学院本科生毕业论文 黑龙江工程学院本科生毕业论文 1 是 开始 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 工具基线解算软件功能模块 结果GPS基线向量解 是否完成所有观测和基线解算 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 结束 否 数据处理 开始 独立基线及其精度统计信息 无约束平差 地心坐标参考系下的坐标和基线向量估值基线向量改正数经过调整后的基 线向量观测值的权阵以及各类精度统计信息 是否引入地面常规观测值 约束平差 联合平差 否 是 地面常规观测值 起算数据 输出最终结果 开始 提取函数独立的基线向量及其精度统计信息 形成无约束平差的基本数学模型 求解包括坐标参数在内的参数估值及其精度统计量 观测值及数学模型中是否存在问题 否输出最终结果 是进行相应处理并更新基本数学模型 开始 采用无约束平差最终所采用的基线向量及确定出的观测值定权方法并指定 起算点的坐标 形成约束平差的数学模型 求解包括坐标系数基准转换参数在内的参数估值及其精度统计量 输出最终结果 开始 GPS观测量无约束平差最终所采用的基线向量及确定出的观测值定权方法 常规地面测量边长角度或方位及其先验精度信息 起算数据起算点的坐标已知高程已知边长已知方位已知高程等 形成约束平差的数学模型 求解包括坐标参数基准转换参数在内的参数估值及其精度统计量 输出最终结果