第4章-GPS网基线向量解算

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,GPS,数据处理,第四章,GPS,网基线向量解算,测绘工程系,主讲：刘辉,第四章,GPS,网基线向量解算,主要内容,4.1,基线向量解算的基本模式,4.2,基线解算的基本原理,4.3,基线解算软件的使用,4.4,基线解算的质量控制,4.1,基线向量解算的基本模式,基线边长与基线向量,第四章,GPS,网基线向量解算,1,基线向量的表达方式,空间直角坐标的坐标差,大地坐标的坐标差,站心地平坐标的坐标差,第四章,GPS,网基线向量解算,2,同步观测基线间的误差相关性,第四章,GPS,网基线向量解算,提示：由于在计算,AB,、,AC,两,条基线向量时，均用到了,A,点,的观测数据，因而,A,点观测数,据中的误差将同时对这些基,线产生影响。,A,B,C,3,基线解算模式,第四章,GPS,网基线向量解算,单基线解,/,基线模式,多基线解,/,时段模式,整体解,/,战役模式,第四章,GPS,网基线向量解算,1,）单基线解,/,基线模式,解算方法,一次仅同时提取两台,GPS,接收机的同步观测数据进行基线解算。,特点,模型简单，参数较少，计算量小,解算结果无法反映同步观测基线间的误差相关性,无法充分利用观测数据之间的关联性,适用范围,一般工程应用,第四章,GPS,网基线向量解算,1,）单基线解,/,基线模式,基线解结果,基线向量估值,基线向量估值的方差,-,协方差阵,第四章,GPS,网基线向量解算,2,）多基线解,/,时段模式,解算方法,一次提取一个观测时段中所有进行同步观测的,n,台接收机所采集的同步观测数据，在一个单一解算过程中共同解求出所有,n,- 1,条相互函数独立的基线。,特点,数学模型严密，能反映出同步观测基线间的统计相关性,数学模型和解算过程比较复杂，计算量较大,适用范围,对质量要求严格的应用,第四章,GPS,网基线向量解算,2,）多基线解,/,时段模式,基线选择方法,第四章,GPS,网基线向量解算,2,）多基线解,/,时段模式,基线解结果,基线向量估值,基线向量估值的方差,-,协方差阵,第四章,GPS,网基线向量解算,3,）整体解,/,战役模式,解算方法,一次提取项目整个观测过程中所有观测数据，在一个单一解算过程中同时对它们进行处理，得出所有独立基线。,特点,数学模型严密，能反映出同步观测基线间的统计相关性,避免了结果在几何上的不一致性,数学模型和解算过程复杂，计算量大,适用范围,高精度定位、定轨,第四章,GPS,网基线向量解算,4.2,基线解算的基本原理,1,基线解算的处理流程,数据预处理,建立数学模型,确定基线向量的浮动解,确定整周未知数,确定基线向量的固定解,第四章,GPS,网基线向量解算,1,） 数据预处理,目的,获得干净的观测值,过程,数据传输和解码,数据标准化,数据筛选和编辑,接收机钟差估算,差分观测值或线性组合观测值形成,基线向量近似解估算,周跳探测、修复或标记,第四章,GPS,网基线向量解算,2,） 建立数学模型,包括,函数模型,和,随机模型,通常为双差模型,模型参数通常包括,坐标（基线向量）,整周模糊度,天顶方向的对流层延迟,第四章,GPS,网基线向量解算,3,） 确定基线向量的浮动解,直接利用所建立的数学模型求解,模糊度为实数,第四章,GPS,网基线向量解算,4,） 确定整周未知数,通常采用搜索算法，确定模糊度的整数值,对所确定出的模糊度进行检验，若能通过下列,检验，则将模糊度固定为整数值，否则不固定,与实数模糊度的一致性,最优整数值与次优整数值的可区分性,RATIO,值）,基线向量固定解与基线向量实数解的一致性,第四章,GPS,网基线向量解算,5,） 确定基线向量的最终解,若模糊度能固定成为整数值，则在数学模型中将模糊度固定，重新解算基线，得到基线向量固定解,若模糊度无法固定成为整数值，则给出基线向量浮动解,第四章,GPS,网基线向量解算,2,影响基线解算结果质量的因素,观测值的质量,观测的几何条件,卫星轨道数据的质量,数据处理的模型和方法,第四章,GPS,网基线向量解算,1,）,观测值质量的影响,精度,越高越好,采样率,采样率高，有利于进行周跳探测，但考虑到存储容量和计算负担，静态测量最高不要超过,5,秒,周跳发生的频度,周跳发生频度高，将会影响周跳探测及周跳处理算法的效能,受包括多路径在内的干扰效应影响程度,干扰将影响观测值的准确度,第四章,GPS,网基线向量解算,2,）,观测几何条件的影响,卫星数量,卫星数量多，对基线解算有利,卫星分布,卫星分布均，对基线解算有利,观测期间卫星位置的变化,观测期间同一卫星位置变化大，对模糊度,/,基线解算有利,第四章,GPS,网基线向量解算,3,）,卫星轨道数据质量的影响,基线向量偏差,基线长度,卫星轨道偏差,卫星轨道高度,第四章,GPS,网基线向量解算,4,）,数据处理模型和方法的影响,数学模型,函数模型是否准确反映观测值之间、观测值与待定参数之间的关系,随机模型是否准确刻画观测值的精度及误差相关的特性,算法,周跳探测和修复或处理能力的高低,模糊度确定算法效能的高低,解的稳定性,第四章,GPS,网基线向量解算,基线解算函数模型需顾及的问题,几何关系,定义：,接收机天线与卫星天线的相位中心在地心地固系下的几何关系,特点：影响函数模型,观测值偏差,定义：,观测值中所含偏差,特点：影响观测值本身,第四章,GPS,网基线向量解算,影响几何关系的因素,卫星位置及姿态,：,姿态用于将轨道数据的参考位置由卫星质心改化到天,线相位中心,测站位置,：,受地球固体潮、大气负荷潮、海洋负荷潮影响,天线高,：,在GPS静态测量定位的观测过程中，接收机天线高保,持不变,卫星及接收机天线相位中心的物理特性,：,天线相位中心的偏移和变化,第四章,GPS,网基线向量解算,影响观测值的因素,卫星钟差,卫星信号通道延迟,大气传播延迟（包括电离层与对流层的传播延,迟）,接收机钟差,接收机信号通道延迟,第四章,GPS,网基线向量解算,4.3,基线解算软件的操作流程,1,软件操作流程图,第四章,GPS,网基线向量解算,2,基线解算结果的内容,解的类型（三差解，双差解，固定解，浮动解等）,观测值类型（,L1,，,Inon,-Free,，,Widelane,）,不同系统下的输入、输出坐标,接收机的相关信息（如序列号等）,坐标分量估值的标准偏差,所有坐标参数（包括整周未知数参数等），的相关矩阵或方差,-,协方差阵,卫星几何形状的信息（如,RDOP,值等）,信号跟踪记录（数据记录时间、卫星、通道、信号质量等）,第四章,GPS,网基线向量解算,2,基线解算结果的内容,数据删除率,、,采样率,、,数据剔除准则,星历内容综述,、,健康标志信息,进行的数据预处理措施（如对流层模型,）,观测值改正数（残差Residual,）,结果统计检验结果,整周未知数的确定结果,解的质量综述,第四章,GPS,网基线向量解算,4.4,基线解算质量控制,1,质量控制的目的和内容,基线质量控制的目的,为后续的数据处理分析提供合格的基线向量结果。,基线质量控制的内容,质量评定,通过一系列的指标，对基线向量结果的质量进行,评估，发现质量差（不合格的基线）。,质量改善,通过数据处理手段，提高基线向量结果的质量。,第四章,GPS,网基线向量解算,2,评定基线质量的指标,1,）相对指标,特点：仅具参考意义,指标：观测值的参考方差，观测值残差的,RMS,，,RATIO,，,数据删除率,2,）半绝对指标,特点：能用于判定基线是否不合格，但不能用于判定基线,是否合格,指标：同步环闭合差,3,）绝对指标,特点：可用于判定基线是否合格,指标：独立环闭合差，复测基线较差,第四章,GPS,网基线向量解算,1,） 相对指标,观测值的参考方差（Reference,Variance）,定义,实质,一定程度地反映了观测值质量的优劣,第四章,GPS,网基线向量解算,1,） 相对指标,观测值残差的,RMS,（,Root Mean Square/,均方根）,定义,实质,反映了观测值与参数估值间的符合程度,一定程度地反映了观测值质量的优劣, 一般认为，RMS越小越好,第四章,GPS,网基线向量解算,1,） 相对指标,数据剔除率,定义,在基线解算时，如果观测值的改正数大于某一个阈值时，则认为该观测值含有粗差，则需要将其删除。被删除观测值的数量与观测值的总数的比值，就是所谓的数据删除率。,实质,数据删除率从某一方面反映出了GPS原始观测值的质量。数据删除率越高，通常表明观测值的质量越差。,第四章,GPS,网基线向量解算,1,） 相对指标, RATIO,值,定义,实质, 反映了所确定出的整周未知数参数的可靠性，该值总大于等于1，值越大，可靠性越高。,这一指标取决于多种因素，既与观测值的质量有关，也与观测条件（卫星星座的几何图形的分布和变化）的好坏有关,。,第四章,GPS,网基线向量解算,1,） 相对指标, RDOP,值,定义,所谓,RDOP,值指的是在基线解算时待定参数的协因数阵的迹的平方根，即,实质, RDOP值的大小与基线位置和卫星在空间中的几何分布及运行轨迹（即观测条件）有关，当基线位置确定后，RDOP值就只与观测条件有关了，而观测条件又是时间的函数，因此，实际上对与某条基线向量来讲， 其RDOP值的大小与观测时间段有关。, RDOP表明了GPS卫星的状态对相对定位的影响，即取决于观测条件的好坏，它不受观测值质量好坏的影响。,第四章,GPS,网基线向量解算,2,） 半绝对指标,同步环闭合差,定义,由同步观测基线所组成的闭合环的闭合差。,特点,理论上：由于同步观测基线间具有一定的内在联系，同步环闭合差在理论上应总是为,0,。,实践中：只要数学模型正确、数据处理无误，即使观测值质量不好，同步环闭合差将非常小。,实质,若同步环闭合差超限，则说明组成同步环的基线中至少存在一条基线向量是错误的,若同步环闭合差没有超限，还不能说明组成同步环的所有基线在质量上均合格。,第四章,GPS,网基线向量解算,3,） 绝对指标, 异步环闭合差,定义,由相互独立的基线所组成的闭合环的闭合差。,实质,异步环闭合差满足限差要求时，则表明组成异步环的基线向量的质量是合格的,。,当异步环闭合差不满足限差要求时，则表明组成异步环的基线向量中至少有一条基线向量的质量不合格,。,要确定出哪些基线向量的质量不合格，可以通过多个相邻的异步环或重复基线来判定,。,第四章,GPS,网基线向量解算,3,） 绝对指标, 重复基线较差,定义,不同观测时段，对同一条基线的观测结果，就是所谓重复基线。这些观测结果之间的差异，就是复测基线较差,。,实质,复测基线较差满足限差要求时，则表明基线向量的质量是合格的,。,复测基线较差不满足限差要求时，则表明复测基线中至少有一条基线向量的质量不合格,。,要确定出哪些基线向量的质量不合格，可以通过多条复测基线来判定,。,第四章,GPS,网基线向量解算,3,规范要求,全球定位系统（,GPS,）测量规范（,GB/T 18314-2001,）,第四章,GPS,网基线向量解算,3,规范要求,全球定位系统（,GPS,）测量规范（,GB/T 18314-2001,）,第四章,GPS,网基线向量解算,4,影响基线质量的因素,1,）所设定的起点坐标不准确,影响方式：,导致基线向量发生偏差,影响程度：,2,） 少数卫星的观测时间太短,影响方式：,导致与该卫星有关的整周未知数固定困难,影响程度：,对于基线解算来讲，对于参与计算的卫星，,如果与其相关的整周未知数没有准确确定的话，就将严,重影响整个基线解算结果的质量,第四章,GPS,网基线向量解算,4,影响基线质量的因素,3,）,个别卫星或,时段,周跳太多，致使周跳修复不完善,影响方式：,导致整周未知数固定困难,影响程度：,严重影响基线向量的质量,4,）,多路径效应严重，改正数普遍较大,影响方式：,导致基线向量质量下降，严重时导致整周未知,数固定困难,影响程度,随多路径效应的严重程度，对基线质量的影响将有所不同,多路径效应对基线向量的水平方向影响较大,第四章,GPS,网基线向量解算,4,影响基线质量的因素,5,）,对流层或电离层折射影响较大,影响方式,导致基线向量质量下降，严重时导致整周未知数固定困难,影响程度,随大气折射影响的严重程度，对基线质量的影响将有所不同,大气折射影响对基线向量的垂直方向影响较大,6,）,其它因素,卫星轨道误差较大,数学模型问题：地球潮汐、地球自转、卫星姿态及天线相位,中心问题等,第四章,GPS,网基线向量解算,5,影响基线质量因素的判别,1,）起点坐标不准确的判别,无明确的方法,2,）卫星观测时间短的判别,通过卫星可见性图,3,）周跳,通过残差图（残差跳跃）,上述,3,幅双差残插图表面,SV12,存在周跳,第四章,GPS,网基线向量解算,5,影响基线质量因素的判别,4,）,多路径效应严重,通过残差图（残差中部分区间成系统性变化，且,呈现周日特征,）,5,）,对流层或电离层折射,影响过大,通过残差图（残差中,部分区间成系统性变,化,，,但无周日特征,）,受多路径效应或大气折射影响的残差图,第四章,GPS,网基线向量解算,6,改善基线向量的方法,1,）,基线起点坐标不准确的应对方法,使用坐标精度高的点作为起算点,与已知点（IGS跟踪站）联测（可获得分米级以上精度的地心坐标）,长时间单点定位（数小时单点定位，可获得米级精度的地心坐标,）,所有基线从一点或由该点衍生出的点起算,第四章,GPS,网基线向量解算,6,改善基线向量的方法,2,）删除卫星、截取时段、改变截止高度角,仅有个别卫星残差不正常时，可删卫星,仅有个别子时段观测值残差不正常时，可截时,段,当在卫星起落部分的观测值残差不正常时，可,改变截止高度角,注意：以上方法都将减少有效的观测数据，从而减弱图形强度，一般不应大量地删除观测数据。,第四章,GPS,网基线向量解算,6,改善基线向量的方法,3,）改变其他控制参数,数据删除标准,编辑因子, RATIO之阈值,取消此阈值，用户根据结果判定模糊度固定正确与否,大气折射延迟改正方法或模型, 当L2相位为全波长时，可尽量采用Iono-free组合消除电离层折射影响；当L2相位为半波长，对于短基线，可尝试仅使用L1单频数据处理,对于对流层折射，可尝试不同的改正模型，以及天顶对流层延迟参数的估计方法（分段时间长度或随机过程的控制参数,）,第四章,GPS,网基线向量解算,基线精化处理时的注意事项,1,）当观测值残差普遍较大，且具有一定系统性趋势时，不宜简单采用剔除观测值的方法,第四章,GPS,网基线向量解算,基线精化处理时的注意事项,2,）采用,Iono,-free,观测值将改善残差的系统性分布趋势，但残差将会显著增大，究竟是否采用，应更具具体情况决定,第四章,GPS,网基线向量解算,基线精化处理时的注意事项,4,）缩短天顶对流层估计的间隔将改善残差的系统性趋势，但不一定会改善成果，究竟是否采用，应更具具体情况决定,5,）周跳较多时，应采用修复的方法；反之，则采用参数估计的方法,6,）有时，浮动解要比固定解质量好,