GPS測(cè)量原理及應(yīng)用第九章GPS測(cè)量數(shù)據(jù)處理2

第九章GPS測(cè)量數(shù)據(jù)處理GPS基線向量網(wǎng)平差GPS基線解算就是利用GPS觀測(cè)值，通過數(shù)據(jù)處理，得到測(cè)站的坐標(biāo)或測(cè)站間的基線向量值。布設(shè)GPS網(wǎng)的主要目的是確定網(wǎng)中各個(gè)點(diǎn)在某一特定局部坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，這就需要從外部引入位置基準(zhǔn)，這個(gè)外部基準(zhǔn)通常是通過一個(gè)以上的起算點(diǎn)來提供的。網(wǎng)平差時(shí)可利用所引入的起算數(shù)據(jù)來計(jì)算出網(wǎng)中各點(diǎn)的坐標(biāo)。GPS基線向量網(wǎng)的平差，除了可以解求出待定點(diǎn)的坐標(biāo)以外，還可以發(fā)現(xiàn)和剔除GPS基線向量觀測(cè)值和地面觀測(cè)中的粗差，消除由于各種類型的誤差而引起的矛盾，并評(píng)定觀測(cè)成果的精度。1.GPS網(wǎng)平差的分類

GPS網(wǎng)平差的類型有多種，根據(jù)平差所進(jìn)行的坐標(biāo)空間，可將GPS網(wǎng)平差分為三維平差和二維平差，根據(jù)平差時(shí)所采用的觀測(cè)值和起算數(shù)據(jù)的數(shù)量和類型，可將平差分為無約束平差、約束平差和聯(lián)合平差等。一、三維平差和二維平差1三維平差所謂三維平差是指平差在三維空間坐標(biāo)系中進(jìn)行，觀測(cè)值為三維空間中的觀測(cè)值，解算出的結(jié)果為點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。GPS網(wǎng)的三維平差，一般在三維空間直角坐標(biāo)系或三維空間大地坐標(biāo)系下進(jìn)行。2、二維平差所謂二維平差是指平差在二維平面坐標(biāo)系下進(jìn)行，觀測(cè)值為二維觀測(cè)值，解算出的結(jié)果為點(diǎn)的二維平面坐標(biāo)。二維平差一般適合于小范圍GPS網(wǎng)的平差。二、無約束平差、約束平差和聯(lián)合平差1、無約束平差

GPS網(wǎng)的無約束平差指的是在平差時(shí)不引入會(huì)造成GPS網(wǎng)產(chǎn)生由非觀測(cè)量所引起的變形的外部起算數(shù)據(jù)。常見的GPS網(wǎng)的無約束平差，一般是在平差時(shí)沒有起算數(shù)據(jù)或沒有多余的起算數(shù)據(jù)。2、約束平差

GPS網(wǎng)的約束平差指的是平差時(shí)所采用的觀測(cè)值完全是GPS觀測(cè)值（即GPS基線向量），而且，在平差時(shí)引入了使得GPS網(wǎng)產(chǎn)生由非觀測(cè)量所引起的變形的外部起算數(shù)據(jù)。3、聯(lián)合平差

GPS網(wǎng)的聯(lián)合平差指的是平差時(shí)所采用的觀測(cè)值除了GPS觀測(cè)值以外，還采用了地面常規(guī)觀測(cè)值，這些地面常規(guī)觀測(cè)值包括邊長(zhǎng)、方向、角度等觀測(cè)值等。2.GPS網(wǎng)平差原理

一、三維無約束平差定義：所謂GPS網(wǎng)的三維無約束平差是指平差在WGS-84三維空間直角坐標(biāo)系下進(jìn)行，平差時(shí)不引入使得GPS網(wǎng)產(chǎn)生由非觀測(cè)量所引起的變形的外部約束條件。具體地說，就是在進(jìn)行平差時(shí)，所采用的起算條件不超過三個(gè)。對(duì)于GPS網(wǎng)來說，在進(jìn)行三維平差時(shí)，其必要的起算條件的數(shù)量為三個(gè)，這三個(gè)起算條件既可以是一個(gè)起算點(diǎn)的三維坐標(biāo)向量，也可以是其它的起算條件。2、作用GPS網(wǎng)的三維無約束平差有以下三個(gè)主要作用：（1）評(píng)定GPS網(wǎng)的內(nèi)部符合精度，發(fā)現(xiàn)和剔除GPS觀測(cè)值中可能存在的粗差由于三維無約束平差的結(jié)果完全取決于GPS網(wǎng)的布設(shè)方法和GPS觀測(cè)值的質(zhì)量，因此，三維無約束平差的結(jié)果就完全反映了GPS網(wǎng)本身的質(zhì)量好壞，如果平差結(jié)果質(zhì)量不好，則說明GPS網(wǎng)的布設(shè)或GPS觀測(cè)值的質(zhì)量有問題；反之，則說明GPS網(wǎng)的布設(shè)或GPS觀測(cè)值的質(zhì)量沒有問題。（2）得到GPS網(wǎng)中各個(gè)點(diǎn)在WGS-84系下經(jīng)過了平差處理的三維空間直角坐標(biāo)在進(jìn)行GPS網(wǎng)的三維無約束平差時(shí)，如果指定網(wǎng)中某點(diǎn)準(zhǔn)確的WGS-84坐標(biāo)作為起算點(diǎn)，則最后可得到的GPS網(wǎng)中各個(gè)點(diǎn)經(jīng)過了平差處理的在WGS-84系下的坐標(biāo)。（3）為將來可能進(jìn)行的高程擬合，提供經(jīng)過了平差處理的大地高數(shù)據(jù)用GPS水準(zhǔn)替代常規(guī)水準(zhǔn)測(cè)量獲取各點(diǎn)的正高或正常高是目前GPS應(yīng)用中一個(gè)較新的領(lǐng)域，現(xiàn)在一般采用的是利用公共點(diǎn)進(jìn)行高程擬合的方法。在進(jìn)行高程擬合之前，必須獲得經(jīng)過平差的大地高數(shù)據(jù)，三維無約束平差可以提供這些數(shù)據(jù)。3、平差原理在GPS網(wǎng)三維無約束平差中所采用的觀測(cè)值為基線向量，即GPS基線的起點(diǎn)到終點(diǎn)的坐標(biāo)差，因此，對(duì)于每一條基線向量，都可以列出如下的一組觀測(cè)方程：與此相對(duì)應(yīng)的方差-協(xié)方差陣、協(xié)因數(shù)陣和權(quán)陣分別為：為先驗(yàn)的單位權(quán)中誤差。平差所用的觀測(cè)方程就是通過上面的方法列出的，但為了使平差進(jìn)行下去，還必須引入位置基準(zhǔn)，引入位置基準(zhǔn)的方法一般有兩種。第一種是以GPS網(wǎng)中一個(gè)點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)作為起算的位置基準(zhǔn)，即可有一個(gè)基準(zhǔn)方程：第二種是采用秩虧自由網(wǎng)基準(zhǔn)，引入下面的基準(zhǔn)方程：根據(jù)上面的觀測(cè)方程和基準(zhǔn)方程，按照最小二乘原理進(jìn)行平差解算，得到平差結(jié)果。待定點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)：?jiǎn)挝粰?quán)中誤差：其中n為組成GPS網(wǎng)的基線數(shù)，p為點(diǎn)數(shù)。協(xié)因數(shù)陣：4、單位權(quán)方差檢驗(yàn)平差后單位權(quán)方差的估值應(yīng)與平差前先驗(yàn)的單位權(quán)方差一致，判斷它們是否一致可以采用-檢驗(yàn)。原假設(shè)H0：備選假設(shè)H1：其中：若則H0成立；反之，則H1成立。二、三維聯(lián)合平差

GPS網(wǎng)的三維聯(lián)合平差一般是在某一個(gè)地方坐標(biāo)系下進(jìn)行的，平差所采用的觀測(cè)量除了GPS基線向量外，有可能還引入了常規(guī)的地面觀測(cè)值，這些常規(guī)的地面觀測(cè)值包括邊長(zhǎng)觀測(cè)值、角度觀測(cè)值、方向觀測(cè)值等；平差所采用的起算數(shù)據(jù)一般為地面點(diǎn)的三維大地坐標(biāo)，除此之外，有時(shí)還加入了已知邊長(zhǎng)和已知方位等作為起算數(shù)據(jù)。三、二維聯(lián)合平差二維聯(lián)合平差與三維聯(lián)合平差很相似，不同的是二維聯(lián)合平差一般在一個(gè)平面坐標(biāo)系下進(jìn)行。與三維聯(lián)合平差一樣的是，平差所采用的觀測(cè)量除了GPS基線向量外，有可能還引入了常規(guī)的地面觀測(cè)值，這些常規(guī)的地面觀測(cè)值包括邊長(zhǎng)觀測(cè)值、角度觀測(cè)值、方向觀測(cè)值等；平差所采用的起算數(shù)據(jù)一般為地面點(diǎn)的二維平面坐標(biāo)，除此之外，有時(shí)還加入了已知邊長(zhǎng)和已知方位等作為起算數(shù)據(jù)。3、GPS網(wǎng)平差的過程

在使用數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行GPS網(wǎng)平差時(shí)，需要按以下幾個(gè)步驟來進(jìn)行：提取基線向量，構(gòu)建GPS基線向量網(wǎng)三維無約束平差約束平差/聯(lián)合平差質(zhì)量分析與控制一、提取基線向量，構(gòu)建GPS基線向量網(wǎng)要進(jìn)行GPS網(wǎng)平差，首先必須提取基線向量，構(gòu)建GPS基線向量網(wǎng)。提取基線向量時(shí)需要遵循以下幾項(xiàng)原則：必須選取相互獨(dú)立的基線，若選取了不相互獨(dú)立的基線，則平差結(jié)果會(huì)與真實(shí)的情況不相符合。所選取的基線應(yīng)構(gòu)成閉合的幾何圖形。選取質(zhì)量好的基線向量，基線質(zhì)量的好壞，可以依據(jù)、、、同步環(huán)閉和差、異步環(huán)閉和差和重復(fù)基線較差來判定。選取能構(gòu)成邊數(shù)較少的異步環(huán)的基線向量。選取邊長(zhǎng)較短的基線向量。二、三維無約束平差在構(gòu)成了GPS基線向量網(wǎng)后，需要進(jìn)行GPS網(wǎng)的三維無約束平差，通過無約束平差主要達(dá)到以下幾個(gè)目的：根據(jù)無約束平差的結(jié)果，判別在所構(gòu)成的GPS網(wǎng)中是否有粗差基線，如發(fā)現(xiàn)含有粗差的基線，需要進(jìn)行相應(yīng)的處理，必須使得最后用于構(gòu)網(wǎng)的所有基線向量均滿足質(zhì)量要求。調(diào)整各基線向量觀測(cè)值的權(quán)，使得它們相互匹配。三、約束平差/聯(lián)合平差在進(jìn)行完三維無約束平差后，需要進(jìn)行約束平差或聯(lián)合平差，平差可根據(jù)需要在三維空間進(jìn)行或二維空間中進(jìn)行。約束平差的具體步驟是：指定進(jìn)行平差的基準(zhǔn)和坐標(biāo)系統(tǒng)。指定起算數(shù)據(jù)。檢驗(yàn)約束條件的質(zhì)量。進(jìn)行平差解算。四、質(zhì)量分析與控制在這一步，進(jìn)行GPS網(wǎng)質(zhì)量的評(píng)定，在評(píng)定時(shí)可以采用下面的指標(biāo)：1、基線向量的改正數(shù)。根據(jù)基線向量的改正數(shù)的大小，可以判斷出基線向量中是否含有粗差。2、相鄰點(diǎn)的中誤差和相對(duì)中誤差。若在進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定時(shí)，發(fā)現(xiàn)有質(zhì)量問題，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行處理，如果發(fā)現(xiàn)構(gòu)成GPS網(wǎng)的基線中含有粗差，則需要采用刪除含有粗差的基線、重新對(duì)含有粗差的基線進(jìn)行解算或重測(cè)含有粗差的基線等方法加以解決；如果發(fā)現(xiàn)個(gè)別起算數(shù)據(jù)有質(zhì)量問題，則應(yīng)該放棄有質(zhì)量問題的起算數(shù)據(jù)。4、GPS網(wǎng)平差中起算數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)在進(jìn)行GPS網(wǎng)的約束平差或聯(lián)合平差時(shí)，起算數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢驗(yàn)是很必要的，由于在GPS網(wǎng)平差中所用的起算數(shù)據(jù)一般為點(diǎn)的坐標(biāo)，因此，在這里將主要介紹對(duì)起算點(diǎn)坐標(biāo)的檢驗(yàn)。一、方差檢驗(yàn)法在進(jìn)行三維無約束平差時(shí)，要進(jìn)行方差估計(jì)，調(diào)整觀測(cè)值的權(quán)，直至驗(yàn)后的單位權(quán)方差與先驗(yàn)的單位權(quán)方差相容。在進(jìn)行約束平差時(shí)，以三維無約束平差所得到的驗(yàn)后單位權(quán)方差作為先驗(yàn)的單位權(quán)方差，逐個(gè)加入起算數(shù)據(jù)進(jìn)行平差解算，同時(shí)檢驗(yàn)驗(yàn)后的單位權(quán)方差與先驗(yàn)的單位權(quán)方差之間的相容性，當(dāng)在加入了某一起算數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)它們不一致，則說明該起算數(shù)據(jù)可能存在質(zhì)量問題。二、附合路線法附合路線法是從一個(gè)起算點(diǎn)通過一條由GPS基線向量組成的GPS導(dǎo)線推算另一個(gè)起算點(diǎn)的坐標(biāo)，將此坐標(biāo)與已知值比較，根據(jù)它們差異的大小來判斷起算點(diǎn)的質(zhì)量。為準(zhǔn)確地判斷起算點(diǎn)質(zhì)量的好壞，一般需要采用多條附合路線。三、檢查點(diǎn)法在進(jìn)行平差解算時(shí)，不將所有起算點(diǎn)坐標(biāo)固定，而是保留一個(gè)點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，平差后比較該點(diǎn)坐標(biāo)的平差值和已知值，根據(jù)它們差異的大小來判斷起算點(diǎn)質(zhì)量的好壞。為準(zhǔn)確地判斷起算點(diǎn)質(zhì)量的好壞，一般需要輪換地將各個(gè)起算點(diǎn)分別作為檢查點(diǎn)。GPS接收機(jī)

基本操作靜態(tài)GPS接收機(jī)(南方9600北極星)1.系統(tǒng)組成9600型GPS接收機(jī)包括硬件、軟件兩個(gè)部分：硬件：

a.9600接收機(jī)（內(nèi)置天線及抑制多路徑板）；

b.9600單片機(jī)內(nèi)置采集器（內(nèi)置采集軟件）；

c.可充電電池及充電器；

d.鋁或木三腳架；

e.數(shù)據(jù)傳輸電纜。軟件：包括數(shù)據(jù)傳輸軟件、GPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（包含基線向量處理、閉合差自動(dòng)搜索、網(wǎng)平差、高程擬合以及圖形輸出等功能）。9600型GPS測(cè)量系統(tǒng)采用靜態(tài)相對(duì)定位模式。此時(shí)外業(yè)部分需兩臺(tái)或兩臺(tái)以上GPS接收機(jī)。數(shù)據(jù)經(jīng)過處理可方便的進(jìn)入CAD進(jìn)行圖形編輯，數(shù)據(jù)成果可導(dǎo)入Mapinfo等GIS系統(tǒng)。應(yīng)用：土地管理部門、測(cè)量部門、海洋調(diào)查、水利水土保持、森林詳情普查、地質(zhì)調(diào)查、林業(yè)資源勘查、石油、地礦勘探等行業(yè)。２.主要技術(shù)參數(shù)一、9600接收機(jī)：12個(gè)并行的獨(dú)立通道、可同時(shí)接收12顆衛(wèi)星L1載波相位、C／A碼偽距，1575.42MHz扁平有源天線帶內(nèi)裝式抑徑板根據(jù)衛(wèi)星高度及衛(wèi)星運(yùn)行的健康狀況自動(dòng)選擇衛(wèi)星flash閃存內(nèi)存16M，可存儲(chǔ)連續(xù)約20天數(shù)據(jù)量240160液晶顯示屏兩塊高性能鋰電池連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)達(dá)16小時(shí)之久二、靜態(tài)相對(duì)定位精度：靜態(tài)基線：±（5mm+1ppm）高程：±（10mm＋2ppm）三、同步觀測(cè)時(shí)間：45分鐘左右３.9600型GPS測(cè)量系統(tǒng)文件及操作３.1開機(jī)初始界面：使用PWR鍵開機(jī)

初始界面中模式的選擇指示燈含義F1F2F3F4PWR３.2系統(tǒng)界面選手動(dòng)或智能模式后進(jìn)入主界面F1F2F3F4PWR主界面分三大部分：衛(wèi)星分布圖、系統(tǒng)提示框、功能項(xiàng)3.2.1“文件”功能操作按F1鍵進(jìn)入“文件”功能的操作F1F2F3F4PWRPWR鍵返回主界面按F2鍵進(jìn)入“設(shè)置”功能的操作3.2.2“設(shè)置”功能操作F1F2F3F4PWR注意：同時(shí)工作的幾臺(tái)9600主機(jī)高度截止角、采集間隔最好保證一致，即同樣的設(shè)置值。PWR鍵“取消”:返回主界面。按F3鍵進(jìn)入“測(cè)量”功能的操作3.2.3“測(cè)量”功能操作F1F2F3F4PWR有狀態(tài)、衛(wèi)星、點(diǎn)名（采集）、返回、記錄圖標(biāo)五個(gè)子項(xiàng)F2鍵“衛(wèi)星”：F1F2F3F4PWRF3鍵“點(diǎn)名”：

F1F2F3F4PWR智能模式下顯示點(diǎn)名。在人工模式下顯示采集，此時(shí)用戶可以輸入測(cè)站的相關(guān)信息，如：測(cè)站點(diǎn)名、測(cè)站采集的時(shí)段號(hào)、測(cè)站天線高。按F4鍵進(jìn)入“系統(tǒng)”功能的操作3.2.4“系統(tǒng)”功能的操作F1F2F3F4PWR長(zhǎng)按PWR鍵關(guān)機(jī)4.9600型文件系統(tǒng)野外數(shù)據(jù)采集

打開主機(jī)電源后，初始界面有三種采集工作方式選擇,用戶可根據(jù)實(shí)際情況和方便性來選擇不同的工作方式來采集數(shù)據(jù)，若不選擇，則延時(shí)10秒后自動(dòng)進(jìn)入默認(rèn)采集方式“智能模式”。注意：每一次只能用一種工作方式來采集數(shù)據(jù)。4.1智能模式采集4.1.1數(shù)據(jù)的采集在初始界面下選F1鍵進(jìn)入“智能模式”F1F2F3F4PWR4.1.2給記錄的數(shù)據(jù)取一個(gè)文件名

按F3鍵“測(cè)量”進(jìn)入測(cè)量功能界面(可看到接收機(jī)狀態(tài)，單點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)，定位狀態(tài)、精度因子)F1F2F3F4PWR按F3鍵“點(diǎn)名”進(jìn)入點(diǎn)名輸入功能界面，給正在記錄的數(shù)據(jù)起一個(gè)文件名、輸入時(shí)段號(hào)及輸入測(cè)站天線高。F1F2F3F4PWR4.1.3退出數(shù)據(jù)記錄退回到主界面，然后長(zhǎng)按PWR鍵關(guān)機(jī)。在任何界面下同時(shí)按下F1+F4快捷鍵關(guān)機(jī)，即可退出采集，且不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。注意:“智能模式”和“人工模式”的區(qū)別：人工模式先取文件名再記錄采集數(shù)據(jù)；智能模式先已自動(dòng)記錄采集數(shù)據(jù)再取文件名。4.2.1數(shù)據(jù)的采集在9600主機(jī)電源打開后，在初始界面下選F2鍵進(jìn)入“人工模式”4.2人工模式采集F1F2F3F4PWR4.2.2給記錄的數(shù)據(jù)取一個(gè)文件名

當(dāng)滿足條件時(shí)，請(qǐng)按下F3鍵“采集”進(jìn)入文件名輸入界面，輸入完文件名、時(shí)段號(hào)、天線高后，按F4鍵“確定”，接收機(jī)就開始記錄數(shù)據(jù)。

F1F2F3F4PWR4.2.3退出數(shù)據(jù)記錄：操作同“智能模式”。

本方式操作最簡(jiǎn)單實(shí)用，完全“傻瓜式”操作，進(jìn)入該方式后，你就可以去一邊休息，等采集時(shí)間足夠時(shí)就可收機(jī)搬站。

4.3.1數(shù)據(jù)的采集在9600主機(jī)電源打開后，在初始界面下選F3鍵進(jìn)入“節(jié)電模式”。節(jié)電模式一進(jìn)入之后就自動(dòng)關(guān)閉液晶顯示屏，僅靠指示燈來顯示衛(wèi)星狀態(tài)和采集狀態(tài)。4.3節(jié)電模式采集電源燈衛(wèi)星燈信息燈A電池為綠燈B電池為黃燈A、B均不足，為紅燈衛(wèi)星燈和信息燈的工作情況：1.未進(jìn)入3D狀態(tài)時(shí),信息燈每閃N次紅燈，則衛(wèi)星閃爍1次紅燈

可視的衛(wèi)星數(shù)2.進(jìn)入3D狀態(tài)時(shí),信息燈每閃M次綠燈，則衛(wèi)星閃爍1次綠燈

采集間隔4.3.2退出數(shù)據(jù)記錄在任何界面下同時(shí)按下F1+F4快捷鍵關(guān)機(jī)，即可退出采集?！肮?jié)電模式”的優(yōu)點(diǎn)：節(jié)電模式適合在北方嚴(yán)寒地區(qū)使用，以克服液晶顯示屏可能低溫情況下無法正常顯示。節(jié)電模式能被任意鍵激活顯示屏而進(jìn)入智能模式。5.北極星9600內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)傳輸

5.1數(shù)據(jù)傳輸軟件簡(jiǎn)介和界面菜單項(xiàng)工具欄狀態(tài)欄程序視窗5.1.1菜單項(xiàng)

計(jì)算機(jī)設(shè)置菜單新建文件夾對(duì)話框設(shè)置菜單GPS設(shè)置對(duì)話框?qū)?600內(nèi)存中數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇刪除。對(duì)9600內(nèi)存中的數(shù)據(jù)全部清空。通訊菜單通訊菜單主要是進(jìn)行計(jì)算機(jī)和GPS接收機(jī)通訊的設(shè)置

查看菜單查看菜單主要是進(jìn)行傳輸軟件本身界面的操作工具欄：控制工具欄的可見性；狀態(tài)欄：顯示連接狀態(tài)及傳輸進(jìn)度；連接狀態(tài)：對(duì)傳輸過程序中各種狀態(tài)進(jìn)行跟蹤顯示；文件信息：顯示計(jì)算機(jī)文件目錄信息。幫助菜單關(guān)于傳輸軟件操作的在線幫助和GPS接收機(jī)注冊(cè)等的操作5.1.2工具欄

工具欄中菜單都為菜單項(xiàng)中的快捷方式5.1.3狀態(tài)欄

位于程序左窗口，顯示用戶每一步操作的詳細(xì)過程

位于程序右窗口，其中上半部分顯示計(jì)算機(jī)中的文件內(nèi)容，下半部分顯示9600主機(jī)中的數(shù)據(jù)。5.1.4程序視窗

5.2如何進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸5.2.1連接前的準(zhǔn)備保證9600主機(jī)電源充足，打開電源。用通訊電纜連接好電腦的串口1（COM1）或串口2（COM2）。要等待（約10秒鐘）9600主機(jī)進(jìn)入主界面后再進(jìn)行連接和傳輸（初始界面不能傳輸）。設(shè)置要存放野外觀測(cè)數(shù)據(jù)的文件夾，可以在數(shù)據(jù)通訊軟件中設(shè)置。5.2.2進(jìn)行通訊參數(shù)的設(shè)置

選擇“通訊”菜單中的“通訊接口