GPS測量原理及應用第九章GPS測量數(shù)據(jù)處理2

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

GPS網(wǎng)平差的類型有多種，根據(jù)平差所進行的坐標空間，可將GPS網(wǎng)平差分為三維平差和二維平差，根據(jù)平差時所采用的觀測值和起算數(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系中進行，觀測值為三維空間中的觀測值，解算出的結果為點的三維空間坐標。GPS網(wǎng)的三維平差，一般在三維空間直角坐標系或三維空間大地坐標系下進行。2、二維平差所謂二維平差是指平差在二維平面坐標系下進行，觀測值為二維觀測值，解算出的結果為點的二維平面坐標。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不引入會造成GPS網(wǎng)產(chǎn)生由非觀測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所采用的觀測值完全是GPS觀測值（即GPS基線向量），而且，在平差時引入了使得GPS網(wǎng)產(chǎn)生由非觀測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所采用的觀測值除了GPS觀測值以外，還采用了地面常規(guī)觀測值，這些地面常規(guī)觀測值包括邊長、方向、角度等觀測值等。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系下進行，平差時不引入使得GPS網(wǎng)產(chǎn)生由非觀測量所引起的變形的外部約束條件。具體地說，就是在進行平差時，所采用的起算條件不超過三個。對于GPS網(wǎng)來說，在進行三維平差時，其必要的起算條件的數(shù)量為三個，這三個起算條件既可以是一個起算點的三維坐標向量，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主要作用：（1）評定GPS網(wǎng)的內部符合精度，發(fā)現(xiàn)和剔除GPS觀測值中可能存在的粗差由于三維無約束平差的結果完全取決于GPS網(wǎng)的布設方法和GPS觀測值的質量，因此，三維無約束平差的結果就完全反映了GPS網(wǎng)本身的質量好壞，如果平差結果質量不好，則說明GPS網(wǎng)的布設或GPS觀測值的質量有問題；反之，則說明GPS網(wǎng)的布設或GPS觀測值的質量沒有問題。（2）得到GPS網(wǎng)中各個點在WGS-84系下經(jīng)過了平差處理的三維空間直角坐標在進行GPS網(wǎng)的三維無約束平差時，如果指定網(wǎng)中某點準確的WGS-84坐標作為起算點，則最后可得到的GPS網(wǎng)中各個點經(jīng)過了平差處理的在WGS-84系下的坐標。（3）為將來可能進行的高程擬合，提供經(jīng)過了平差處理的大地高數(shù)據(jù)用GPS水準替代常規(guī)水準測量獲取各點的正高或正常高是目前GPS應用中一個較新的領域，現(xiàn)在一般采用的是利用公共點進行高程擬合的方法。在進行高程擬合之前，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值為基線向量，即GPS基線的起點到終點的坐標差，因此，對于每一條基線向量，都可以列出如下的一組觀測方程：與此相對應的方差-協(xié)方差陣、協(xié)因數(shù)陣和權陣分別為：為先驗的單位權中誤差。平差所用的觀測方程就是通過上面的方法列出的，但為了使平差進行下去，還必須引入位置基準，引入位置基準的方法一般有兩種。第一種是以GPS網(wǎng)中一個點的WGS-84坐標作為起算的位置基準，即可有一個基準方程：第二種是采用秩虧自由網(wǎng)基準，引入下面的基準方程：根據(jù)上面的觀測方程和基準方程，按照最小二乘原理進行平差解算，得到平差結果。待定點坐標參數(shù)：單位權中誤差：其中n為組成GPS網(wǎng)的基線數(shù)，p為點數(shù)。協(xié)因數(shù)陣：4、單位權方差檢驗平差后單位權方差的估值應與平差前先驗的單位權方差一致，判斷它們是否一致可以采用-檢驗。原假設H0：備選假設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地方坐標系下進行的，平差所采用的觀測量除了GPS基線向量外，有可能還引入了常規(guī)的地面觀測值，這些常規(guī)的地面觀測值包括邊長觀測值、角度觀測值、方向觀測值等；平差所采用的起算數(shù)據(jù)一般為地面點的三維大地坐標，除此之外，有時還加入了已知邊長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)合平差一般在一個平面坐標系下進行。與三維聯(lián)合平差一樣的是，平差所采用的觀測量除了GPS基線向量外，有可能還引入了常規(guī)的地面觀測值，這些常規(guī)的地面觀測值包括邊長觀測值、角度觀測值、方向觀測值等；平差所采用的起算數(shù)據(jù)一般為地面點的二維平面坐標，除此之外，有時還加入了已知邊長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)處理軟件進行GPS網(wǎng)平差時，需要按以下幾個步驟來進行：提取基線向量，構建GPS基線向量網(wǎng)三維無約束平差約束平差/聯(lián)合平差質量分析與控制一、提取基線向量，構建GPS基線向量網(wǎng)要進行GPS網(wǎng)平差，首先必須提取基線向量，構建GPS基線向量網(wǎng)。提取基線向量時需要遵循以下幾項原則：必須選取相互獨立的基線，若選取了不相互獨立的基線，則平差結果會與真實的情況不相符合。所選取的基線應構成閉合的幾何圖形。選取質量好的基線向量，基線質量的好壞，可以依據(jù)、、、同步環(huán)閉和差、異步環(huán)閉和差和重復基線較差來判定。選取能構成邊數(shù)較少的異步環(huán)的基線向量。選取邊長較短的基線向量。二、三維無約束平差在構成了GPS基線向量網(wǎng)后，需要進行GPS網(wǎng)的三維無約束平差，通過無約束平差主要達到以下幾個目的：根據(jù)無約束平差的結果，判別在所構成的GPS網(wǎng)中是否有粗差基線，如發(fā)現(xiàn)含有粗差的基線，需要進行相應的處理，必須使得最后用于構網(wǎng)的所有基線向量均滿足質量要求。調整各基線向量觀測值的權，使得它們相互匹配。三、約束平差/聯(lián)合平差在進行完三維無約束平差后，需要進行約束平差或聯(lián)合平差，平差可根據(jù)需要在三維空間進行或二維空間中進行。約束平差的具體步驟是：指定進行平差的基準和坐標系統(tǒng)。指定起算數(shù)據(jù)。檢驗約束條件的質量。進行平差解算。四、質量分析與控制在這一步，進行GPS網(wǎng)質量的評定，在評定時可以采用下面的指標：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、相鄰點的中誤差和相對中誤差。若在進行質量評定時，發(fā)現(xiàn)有質量問題，需要根據(jù)具體情況進行處理，如果發(fā)現(xiàn)構成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、重新對含有粗差的基線進行解算或重測含有粗差的基線等方法加以解決；如果發(fā)現(xiàn)個別起算數(shù)據(jù)有質量問題，則應該放棄有質量問題的起算數(shù)據(jù)。4、GPS網(wǎng)平差中起算數(shù)據(jù)的檢驗在進行GPS網(wǎng)的約束平差或聯(lián)合平差時，起算數(shù)據(jù)質量的檢驗是很必要的，由于在GPS網(wǎng)平差中所用的起算數(shù)據(jù)一般為點的坐標，因此，在這里將主要介紹對起算點坐標的檢驗。一、方差檢驗法在進行三維無約束平差時，要進行方差估計，調整觀測值的權，直至驗后的單位權方差與先驗的單位權方差相容。在進行約束平差時，以三維無約束平差所得到的驗后單位權方差作為先驗的單位權方差，逐個加入起算數(shù)據(jù)進行平差解算，同時檢驗驗后的單位權方差與先驗的單位權方差之間的相容性，當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)可能存在質量問題。二、附合路線法附合路線法是從一個起算點通過一條由GPS基線向量組成的GPS導線推算另一個起算點的坐標，將此坐標與已知值比較，根據(jù)它們差異的大小來判斷起算點的質量。為準確地判斷起算點質量的好壞，一般需要采用多條附合路線。三、檢查點法在進行平差解算時，不將所有起算點坐標固定，而是保留一個點作為檢查點，平差后比較該點坐標的平差值和已知值，根據(jù)它們差異的大小來判斷起算點質量的好壞。為準確地判斷起算點質量的好壞，一般需要輪換地將各個起算點分別作為檢查點。GPS接收機

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

a.9600接收機（內置天線及抑制多路徑板）；

b.9600單片機內置采集器（內置采集軟件）；

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、閉合差自動搜索、網(wǎng)平差、高程擬合以及圖形輸出等功能）。9600型GPS測量系統(tǒng)采用靜態(tài)相對定位模式。此時外業(yè)部分需兩臺或兩臺以上GPS接收機。數(shù)據(jù)經(jīng)過處理可方便的進入CAD進行圖形編輯，數(shù)據(jù)成果可導入Mapinfo等GIS系統(tǒng)。應用：土地管理部門、測量部門、海洋調查、水利水土保持、森林詳情普查、地質調查、林業(yè)資源勘查、石油、地礦勘探等行業(yè)。２.主要技術參數(shù)一、9600接收機：12個并行的獨立通道、可同時接收12顆衛(wèi)星L1載波相位、C／A碼偽距，1575.42MHz扁平有源天線帶內裝式抑徑板根據(jù)衛(wèi)星高度及衛(wèi)星運行的健康狀況自動選擇衛(wèi)星flash閃存內存16M，可存儲連續(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)工作時間長達16小時之久二、靜態(tài)相對定位精度：靜態(tài)基線：±（5mm+1ppm）高程：±（10mm＋2ppm）三、同步觀測時間：45分鐘左右３.9600型GPS測量系統(tǒng)文件及操作３.1開機初始界面：使用PWR鍵開機

初始界面中模式的選擇指示燈含義F1F2F3F4PWR３.2系統(tǒng)界面選手動或智能模式后進入主界面F1F2F3F4PWR主界面分三大部分：衛(wèi)星分布圖、系統(tǒng)提示框、功能項3.2.1“文件”功能操作按F1鍵進入“文件”功能的操作F1F2F3F4PWRPWR鍵返回主界面按F2鍵進入“設置”功能的操作3.2.2“設置”功能操作F1F2F3F4PWR注意：同時工作的幾臺9600主機高度截止角、采集間隔最好保證一致，即同樣的設置值。PWR鍵“取消”:返回主界面。按F3鍵進入“測量”功能的操作3.2.3“測量”功能操作F1F2F3F4PWR有狀態(tài)、衛(wèi)星、點名（采集）、返回、記錄圖標五個子項F2鍵“衛(wèi)星”：F1F2F3F4PWRF3鍵“點名”：

F1F2F3F4PWR智能模式下顯示點名。在人工模式下顯示采集，此時用戶可以輸入測站的相關信息，如：測站點名、測站采集的時段號、測站天線高。按F4鍵進入“系統(tǒng)”功能的操作3.2.4“系統(tǒng)”功能的操作F1F2F3F4PWR長按PWR鍵關機4.9600型文件系統(tǒng)野外數(shù)據(jù)采集

打開主機電源后，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10秒后自動進入默認采集方式“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鍵進入“智能模式”F1F2F3F4PWR4.1.2給記錄的數(shù)據(jù)取一個文件名

按F3鍵“測量”進入測量功能界面(可看到接收機狀態(tài)，單點經(jīng)緯度坐標，定位狀態(tài)、精度因子)F1F2F3F4PWR按F3鍵“點名”進入點名輸入功能界面，給正在記錄的數(shù)據(jù)起一個文件名、輸入時段號及輸入測站天線高。F1F2F3F4PWR4.1.3退出數(shù)據(jù)記錄退回到主界面，然后長按PWR鍵關機。在任何界面下同時按下F1+F4快捷鍵關機，即可退出采集，且不會丟失數(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主機電源打開后，在初始界面下選F2鍵進入“人工模式”4.2人工模式采集F1F2F3F4PWR4.2.2給記錄的數(shù)據(jù)取一個文件名

當滿足條件時，請按下F3鍵“采集”進入文件名輸入界面，輸入完文件名、時段號、天線高后，按F4鍵“確定”，接收機就開始記錄數(shù)據(jù)。

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

本方式操作最簡單實用，完全“傻瓜式”操作，進入該方式后，你就可以去一邊休息，等采集時間足夠時就可收機搬站。

4.3.1數(shù)據(jù)的采集在9600主機電源打開后，在初始界面下選F3鍵進入“節(jié)電模式”。節(jié)電模式一進入之后就自動關閉液晶顯示屏，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.未進入3D狀態(tài)時,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.進入3D狀態(tài)時,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按下F1+F4快捷鍵關機，即可退出采集?！肮?jié)電模式”的優(yōu)點：節(jié)電模式適合在北方嚴寒地區(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入智能模式。5.北極星9600內業(yè)數(shù)據(jù)傳輸

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

計算機設置菜單新建文件夾對話框設置菜單GPS設置對話框對9600內存中數(shù)據(jù)進行選擇刪除。對9600內存中的數(shù)據(jù)全部清空。通訊菜單通訊菜單主要是進行計算機和GPS接收機通訊的設置

查看菜單查看菜單主要是進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)及傳輸進度；連接狀態(tài)：對傳輸過程序中各種狀態(tài)進行跟蹤顯示；文件信息：顯示計算機文件目錄信息。幫助菜單關于傳輸軟件操作的在線幫助和GPS接收機注冊等的操作5.1.2工具欄

工具欄中菜單都為菜單項中的快捷方式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過程

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

5.2如何進行數(shù)據(jù)傳輸5.2.1連接前的準備保證9600主機電源充足，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主機進入主界面后再進行連接和傳輸（初始界面不能傳輸）。設置要存放野外觀測數(shù)據(jù)的文件夾，可以在數(shù)據(jù)通訊軟件中設置。5.2.2進行通訊參數(shù)的設置

選擇“通訊”菜單中的“通訊接口