第4章 GPS網(wǎng)基線向量解算

GPS數(shù)據(jù)處理第四章GPS網(wǎng)基線向量解算測(cè)繪工程系主講：劉輝第四章GPS網(wǎng)基線向量解算主要內(nèi)容4.1基線向量解算的基本模式4.2基線解算的基本原理4.3基線解算軟件的使用4.4基線解算的質(zhì)量控制4.1基線向量解算的基本模式

基線邊長與基線向量第四章GPS網(wǎng)基線向量解算1基線向量的表達(dá)方式

–空間直角坐標(biāo)的坐標(biāo)差–大地坐標(biāo)的坐標(biāo)差–站心地平坐標(biāo)的坐標(biāo)差第四章GPS網(wǎng)基線向量解算2同步觀測(cè)基線間的誤差相關(guān)性第四章GPS網(wǎng)基線向量解算提示：由于在計(jì)算AB、AC兩條基線向量時(shí)，均用到了A點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，因而A點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)中的誤差將同時(shí)對(duì)這些基線產(chǎn)生影響。ABC

3基線解算模式第四章GPS網(wǎng)基線向量解算?單基線解/基線模式?多基線解/時(shí)段模式?整體解/戰(zhàn)役模式第四章GPS網(wǎng)基線向量解算1）單基線解/基線模式–解算方法?一次僅同時(shí)提取兩臺(tái)GPS接收機(jī)的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算。–特點(diǎn)?模型簡(jiǎn)單，參數(shù)較少，計(jì)算量小?解算結(jié)果無法反映同步觀測(cè)基線間的誤差相關(guān)性?無法充分利用觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性–適用范圍?一般工程應(yīng)用第四章GPS網(wǎng)基線向量解算1）單基線解/基線模式–基線解結(jié)果

?基線向量估值

?基線向量估值的方差-協(xié)方差陣第四章GPS網(wǎng)基線向量解算2）多基線解/時(shí)段模式–解算方法?一次提取一個(gè)觀測(cè)時(shí)段中所有進(jìn)行同步觀測(cè)的n臺(tái)接收機(jī)所采集的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，在一個(gè)單一解算過程中共同解求出所有n-1條相互函數(shù)獨(dú)立的基線。–特點(diǎn)?數(shù)學(xué)模型嚴(yán)密，能反映出同步觀測(cè)基線間的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性?數(shù)學(xué)模型和解算過程比較復(fù)雜，計(jì)算量較大–適用范圍?對(duì)質(zhì)量要求嚴(yán)格的應(yīng)用第四章GPS網(wǎng)基線向量解算2）多基線解/時(shí)段模式–基線選擇方法

第四章GPS網(wǎng)基線向量解算2）多基線解/時(shí)段模式–基線解結(jié)果

?基線向量估值?基線向量估值的方差-協(xié)方差陣第四章GPS網(wǎng)基線向量解算3）整體解/戰(zhàn)役模式–解算方法?一次提取項(xiàng)目整個(gè)觀測(cè)過程中所有觀測(cè)數(shù)據(jù)，在一個(gè)單一解算過程中同時(shí)對(duì)它們進(jìn)行處理，得出所有獨(dú)立基線。–特點(diǎn)?數(shù)學(xué)模型嚴(yán)密，能反映出同步觀測(cè)基線間的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性?避免了結(jié)果在幾何上的不一致性?數(shù)學(xué)模型和解算過程復(fù)雜，計(jì)算量大–適用范圍?高精度定位、定軌第四章GPS網(wǎng)基線向量解算4.2基線解算的基本原理1基線解算的處理流程

–數(shù)據(jù)預(yù)處理–建立數(shù)學(xué)模型–確定基線向量的浮動(dòng)解–確定整周未知數(shù)–確定基線向量的固定解第四章GPS網(wǎng)基線向量解算1）數(shù)據(jù)預(yù)處理

–目的?獲得干凈的觀測(cè)值–過程?數(shù)據(jù)傳輸和解碼?數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化?數(shù)據(jù)篩選和編輯?接收機(jī)鐘差估算?差分觀測(cè)值或線性組合觀測(cè)值形成?基線向量近似解估算?周跳探測(cè)、修復(fù)或標(biāo)記第四章GPS網(wǎng)基線向量解算2）建立數(shù)學(xué)模型

–包括函數(shù)模型和隨機(jī)模型–通常為雙差模型–模型參數(shù)通常包括?坐標(biāo)（基線向量）?整周模糊度?天頂方向的對(duì)流層延遲第四章GPS網(wǎng)基線向量解算3）確定基線向量的浮動(dòng)解

–直接利用所建立的數(shù)學(xué)模型求解–模糊度為實(shí)數(shù)第四章GPS網(wǎng)基線向量解算4）確定整周未知數(shù)

–通常采用搜索算法，確定模糊度的整數(shù)值–對(duì)所確定出的模糊度進(jìn)行檢驗(yàn)，若能通過下列檢驗(yàn)，則將模糊度固定為整數(shù)值，否則不固定?與實(shí)數(shù)模糊度的一致性?最優(yōu)整數(shù)值與次優(yōu)整數(shù)值的可區(qū)分性RATIO值）?基線向量固定解與基線向量實(shí)數(shù)解的一致性第四章GPS網(wǎng)基線向量解算5）確定基線向量的最終解

–若模糊度能固定成為整數(shù)值，則在數(shù)學(xué)模型中將模糊度固定，重新解算基線，得到基線向量固定解–若模糊度無法固定成為整數(shù)值，則給出基線向量浮動(dòng)解第四章GPS網(wǎng)基線向量解算2影響基線解算結(jié)果質(zhì)量的因素?觀測(cè)值的質(zhì)量?觀測(cè)的幾何條件?衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)的質(zhì)量?數(shù)據(jù)處理的模型和方法第四章GPS網(wǎng)基線向量解算1）觀測(cè)值質(zhì)量的影響?精度–越高越好?采樣率–采樣率高，有利于進(jìn)行周跳探測(cè)，但考慮到存儲(chǔ)容量和計(jì)算負(fù)擔(dān)，靜態(tài)測(cè)量最高不要超過5秒?周跳發(fā)生的頻度–周跳發(fā)生頻度高，將會(huì)影響周跳探測(cè)及周跳處理算法的效能?受包括多路徑在內(nèi)的干擾效應(yīng)影響程度–干擾將影響觀測(cè)值的準(zhǔn)確度第四章GPS網(wǎng)基線向量解算2）觀測(cè)幾何條件的影響?衛(wèi)星數(shù)量

–衛(wèi)星數(shù)量多，對(duì)基線解算有利?衛(wèi)星分布

–衛(wèi)星分布均，對(duì)基線解算有利?觀測(cè)期間衛(wèi)星位置的變化

–觀測(cè)期間同一衛(wèi)星位置變化大，對(duì)模糊度/基線解算有利第四章GPS網(wǎng)基線向量解算3）衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響基線向量偏差基線長度衛(wèi)星軌道偏差衛(wèi)星軌道高度第四章GPS網(wǎng)基線向量解算4）數(shù)據(jù)處理模型和方法的影響?數(shù)學(xué)模型

–函數(shù)模型是否準(zhǔn)確反映觀測(cè)值之間、觀測(cè)值與待定參數(shù)之間的關(guān)系

–隨機(jī)模型是否準(zhǔn)確刻畫觀測(cè)值的精度及誤差相關(guān)的特性?算法

–周跳探測(cè)和修復(fù)或處理能力的高低–模糊度確定算法效能的高低–解的穩(wěn)定性第四章GPS網(wǎng)基線向量解算

基線解算函數(shù)模型需顧及的問題?幾何關(guān)系

–定義：接收機(jī)天線與衛(wèi)星天線的相位中心在地心地固系下的幾何關(guān)系

–特點(diǎn)：影響函數(shù)模型?觀測(cè)值偏差

–定義：觀測(cè)值中所含偏差

–特點(diǎn)：影響觀測(cè)值本身第四章GPS網(wǎng)基線向量解算?影響幾何關(guān)系的因素

–衛(wèi)星位置及姿態(tài)：

姿態(tài)用于將軌道數(shù)據(jù)的參考位置由衛(wèi)星質(zhì)心改化到天線相位中心

–測(cè)站位置：

受地球固體潮、大氣負(fù)荷潮、海洋負(fù)荷潮影響

–天線高：

在GPS靜態(tài)測(cè)量定位的觀測(cè)過程中，接收機(jī)天線高保持不變

–衛(wèi)星及接收機(jī)天線相位中心的物理特性：

天線相位中心的偏移和變化第四章GPS網(wǎng)基線向量解算?影響觀測(cè)值的因素

–衛(wèi)星鐘差–衛(wèi)星信號(hào)通道延遲–大氣傳播延遲（包括電離層與對(duì)流層的傳播延遲）–接收機(jī)鐘差–接收機(jī)信號(hào)通道延遲第四章GPS網(wǎng)基線向量解算4.3基線解算軟件的操作流程1軟件操作流程圖第四章GPS網(wǎng)基線向量解算2基線解算結(jié)果的內(nèi)容?解的類型（三差解，雙差解，固定解，浮動(dòng)解等）?觀測(cè)值類型（L1，Inon-Free，Widelane）?不同系統(tǒng)下的輸入、輸出坐標(biāo)?接收機(jī)的相關(guān)信息（如序列號(hào)等）?坐標(biāo)分量估值的標(biāo)準(zhǔn)偏差?所有坐標(biāo)參數(shù)（包括整周未知數(shù)參數(shù)等），的相關(guān)矩陣或方差-協(xié)方差陣?衛(wèi)星幾何形狀的信息（如RDOP值等）?信號(hào)跟蹤記錄（數(shù)據(jù)記錄時(shí)間、衛(wèi)星、通道、信號(hào)質(zhì)量等）第四章GPS網(wǎng)基線向量解算2基線解算結(jié)果的內(nèi)容?數(shù)據(jù)刪除率、采樣率、數(shù)據(jù)剔除準(zhǔn)則?星歷內(nèi)容綜述、健康標(biāo)志信息?進(jìn)行的數(shù)據(jù)預(yù)處理措施（如對(duì)流層模型）?觀測(cè)值改正數(shù)（殘差Residual）?結(jié)果統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果?整周未知數(shù)的確定結(jié)果?解的質(zhì)量綜述第四章GPS網(wǎng)基線向量解算4.4基線解算質(zhì)量控制1質(zhì)量控制的目的和內(nèi)容?基線質(zhì)量控制的目的–為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理分析提供合格的基線向量結(jié)果。?基線質(zhì)量控制的內(nèi)容–質(zhì)量評(píng)定?通過一系列的指標(biāo)，對(duì)基線向量結(jié)果的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量差（不合格的基線）。

–質(zhì)量改善?通過數(shù)據(jù)處理手段，提高基線向量結(jié)果的質(zhì)量。第四章GPS網(wǎng)基線向量解算2評(píng)定基線質(zhì)量的指標(biāo)1）相對(duì)指標(biāo)–特點(diǎn)：僅具參考意義–指標(biāo)：觀測(cè)值的參考方差，觀測(cè)值殘差的RMS，RATIO，數(shù)據(jù)刪除率2）半絕對(duì)指標(biāo)–特點(diǎn)：能用于判定基線是否不合格，但不能用于判定基線是否合格–指標(biāo)：同步環(huán)閉合差3）絕對(duì)指標(biāo)–特點(diǎn)：可用于判定基線是否合格–指標(biāo)：獨(dú)立環(huán)閉合差，復(fù)測(cè)基線較差第四章GPS網(wǎng)基線向量解算1）相對(duì)指標(biāo)①觀測(cè)值的參考方差（ReferenceVariance）

–定義

–實(shí)質(zhì)

?一定程度地反映了觀測(cè)值質(zhì)量的優(yōu)劣第四章GPS網(wǎng)基線向量解算1）相對(duì)指標(biāo)②觀測(cè)值殘差的RMS（RootMeanSquare/均方根）

–定義

–實(shí)質(zhì)

?反映了觀測(cè)值與參數(shù)估值間的符合程度?一定程度地反映了觀測(cè)值質(zhì)量的優(yōu)劣?一般認(rèn)為，RMS越小越好第四章GPS網(wǎng)基線向量解算1）相對(duì)指標(biāo)③數(shù)據(jù)剔除率

–定義 在基線解算時(shí)，如果觀測(cè)值的改正數(shù)大于某一個(gè)閾值時(shí)，則認(rèn)為該觀測(cè)值含有粗差，則需要將其刪除。被刪除觀測(cè)值的數(shù)量與觀測(cè)值的總數(shù)的比值，就是所謂的數(shù)據(jù)刪除率。

–實(shí)質(zhì)

數(shù)據(jù)刪除率從某一方面反映出了GPS原始觀測(cè)值的質(zhì)量。數(shù)據(jù)刪除率越高，通常表明觀測(cè)值的質(zhì)量越差。第四章GPS網(wǎng)基線向量解算1）相對(duì)指標(biāo)④RATIO值

–定義

–實(shí)質(zhì)

?反映了所確定出的整周未知數(shù)參數(shù)的可靠性，該值總大于等于1，值越大，可靠性越高。?這一指標(biāo)取決于多種因素，既與觀測(cè)值的質(zhì)量有關(guān)，也與觀測(cè)條件（衛(wèi)星星座的幾何圖形的分布和變化）的好壞有關(guān)。第四章GPS網(wǎng)基線向量解算1）相對(duì)指標(biāo)⑤RDOP值

–定義

所謂RDOP值指的是在基線解算時(shí)待定參數(shù)的協(xié)因數(shù)陣的跡的平方根，即

–實(shí)質(zhì)

?RDOP值的大小與基線位置和衛(wèi)星在空間中的幾何分布及運(yùn)行軌跡（即觀測(cè)條件）有關(guān)，當(dāng)基線位置確定后，RDOP值就只與觀測(cè)條件有關(guān)了，而觀測(cè)條件又是時(shí)間的函數(shù)，因此，實(shí)際上對(duì)與某條基線向量來講，其RDOP值的大小與觀測(cè)時(shí)間段有關(guān)。?RDOP表明了GPS衛(wèi)星的狀態(tài)對(duì)相對(duì)定位的影響，即取決于觀測(cè)條件的好壞，它不受觀測(cè)值質(zhì)量好壞的影響。第四章GPS網(wǎng)基線向量解算2）半絕對(duì)指標(biāo)同步環(huán)閉合差

–定義?由同步觀測(cè)基線所組成的閉合環(huán)的閉合差。

–特點(diǎn)?理論上：由于同步觀測(cè)基線間具有一定的內(nèi)在聯(lián)系，同步環(huán)閉合差在理論上應(yīng)總是為0。?實(shí)踐中：只要數(shù)學(xué)模型正確、數(shù)據(jù)處理無誤，即使觀測(cè)值質(zhì)量不好，同步環(huán)閉合差將非常小。

–實(shí)質(zhì)?若同步環(huán)閉合差超限，則說明組成同步環(huán)的基線中至少存在一條基線向量是錯(cuò)誤的?若同步環(huán)閉合差沒有超限，還不能說明組成同步環(huán)的所有基線在質(zhì)量上均合格。第四章GPS網(wǎng)基線向量解算3）絕對(duì)指標(biāo)①異步環(huán)閉合差

–定義?由相互獨(dú)立的基線所組成的閉合環(huán)的閉合差。–實(shí)質(zhì)

?異步環(huán)閉合差滿足限差要求時(shí)，則表明組成異步環(huán)的基線向量的質(zhì)量是合格的。?當(dāng)異步環(huán)閉合差不滿足限差要求時(shí)，則表明組成異步環(huán)的基線向量中至少有一條基線向量的質(zhì)量不合格。?要確定出哪些基線向量的質(zhì)量不合格，可以通過多個(gè)相鄰的異步環(huán)或重復(fù)基線來判定。第四章GPS網(wǎng)基線向量解算3）絕對(duì)指標(biāo)②重復(fù)基線較差

–定義

?不同觀測(cè)時(shí)段，對(duì)同一條基線的觀測(cè)結(jié)果，就是所謂重復(fù)基線。這些觀測(cè)結(jié)果之間的差異，就是復(fù)測(cè)基線較差。–實(shí)質(zhì)

?復(fù)測(cè)基線較差滿足限差要求時(shí)，則表明基線向量的質(zhì)量是合格的。?復(fù)測(cè)基線較差不滿足限差要求時(shí)，則表明復(fù)測(cè)基線中至少有一條基線向量的質(zhì)量不合格。?要確定出哪些基線向量的質(zhì)量不合格，可以通過多條復(fù)測(cè)基線來判定。第四章GPS網(wǎng)基線向量解算3規(guī)范要求全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范（GB/T18314-2001）

第四章GPS網(wǎng)基線向量解算3規(guī)范要求全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范（GB/T18314-2001）

第四章GPS網(wǎng)基線向量解算4影響基線質(zhì)量的因素1）所設(shè)定的起點(diǎn)坐標(biāo)不準(zhǔn)確

–影響方式：導(dǎo)致基線向量發(fā)生偏差

–影響程度：2）少數(shù)衛(wèi)星的觀測(cè)時(shí)間太短–影響方式：導(dǎo)致與該衛(wèi)星有關(guān)的整周未知數(shù)固定困難

–影響程度：對(duì)于基線解算來講，對(duì)于參與計(jì)算的衛(wèi)星，如果與其相關(guān)的整周未知數(shù)沒有準(zhǔn)確確定的話，就將嚴(yán)重影響整個(gè)基線解算結(jié)果的質(zhì)量第四章GPS網(wǎng)基線向量解算4影響基線質(zhì)量的因素3）個(gè)別衛(wèi)星或時(shí)段周跳太多，致使周跳修復(fù)不完善

–影響方式：導(dǎo)致整周未知數(shù)固定困難

–影響程度：嚴(yán)重影響基線向量的質(zhì)量4）多路徑效應(yīng)嚴(yán)重，改正數(shù)普遍較大

–影響方式：導(dǎo)致基線向量質(zhì)量下降，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致整周未知數(shù)固定困難

–影響程度

?隨多路徑效應(yīng)的嚴(yán)重程度，對(duì)基線質(zhì)量的影響將有所不同?多路徑效應(yīng)對(duì)基線向量的水平方向影響較大第四章GPS網(wǎng)基線向量解算4影響基線質(zhì)量的因素5）對(duì)流層或電離層折射影響較大

–影響方式

導(dǎo)致基線向量質(zhì)量下降，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致整周未知數(shù)固定困難

–影響程度

?隨大氣折射影響的嚴(yán)重程度，對(duì)基線質(zhì)量的影響將有所不同?大氣折射影響對(duì)基線向量的垂直方向影響較大6）其它因素

–衛(wèi)星軌道誤差較大–數(shù)學(xué)模型問題：地球潮汐、地球自轉(zhuǎn)、衛(wèi)星姿態(tài)及天線相位中心問題等第四章GPS網(wǎng)基線向量解算5影響基線質(zhì)量因素的判別1）起點(diǎn)坐標(biāo)不準(zhǔn)確的判別–無明確的方法2）衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)間短的判別–通過衛(wèi)星可見性圖3）周跳–通過殘差圖（殘差跳躍）上述3幅雙差殘插圖表面SV12存在周跳第四章GPS網(wǎng)基線向量解算5影響基線質(zhì)量因素的判別4）多路徑效應(yīng)嚴(yán)重

–通過殘差圖（殘差中部分區(qū)間成系統(tǒng)性變化，且呈現(xiàn)周日特征）5）對(duì)流層或電離層折射影響過大

–通過殘差圖（殘差中部分區(qū)間成系統(tǒng)性變化，但無周日特征）受多路徑效應(yīng)或大氣折射影響的殘差圖第四章GPS網(wǎng)基線向量解算6改善基線向量的方法1）基線起點(diǎn)坐標(biāo)不準(zhǔn)確的應(yīng)對(duì)方法

–使用坐標(biāo)精度高的點(diǎn)作為起算點(diǎn)

①與已知點(diǎn)（IGS跟蹤站）聯(lián)測(cè)（可獲得分米級(jí)以上精度的地心坐標(biāo)）②長時(shí)間單點(diǎn)定位（數(shù)小時(shí)單點(diǎn)定位，可獲得米級(jí)精度的地心坐標(biāo)）

–所有基線從一點(diǎn)或由該點(diǎn)衍生出的