1、 南阳师范学院 20XX 届毕业生 毕业论文 题 目： GPS 基线解算 的 方法及精度分析 完 成 人： 班 级： 学 制： 专 业： 测绘工程 指导教师： 完成日期： 目 录 摘要 . 1 1 GPS 基线解算方法 . 1 1.1 GPS 定位及基线解算原理 . 1 1.2 GPS 基线解算的重要影响因素及解决方案 . 2 2 GPS 控制网基线解算的一般原则和质量分析方法 . 4 2.1 GPS 控制基本作业流程在大地测量和工程控制测量 . 4 2.2 通过基线解算结果来分析 GPS 野外数据的观测质量 . 4 2.3 基线解算的一般原则 . 5 2.4 GPS 网的三维无约束平差的主要
2、作用 . 6 2.5 基线解算质量分析 . 6 2.5.1 基线向量的改正数 . 6 2.5.2 数据删除率 . 6 2.5.3 RDOP . 6 2.5.4 同步环闭合差 . 7 2.5.5 异步环闭合差 . 7 2.5.6 重复基线较差 . 7 2.5.7 小结 . 7 3 GPS 控制网基线解算优化方法探讨 . 7 3.1 观测数据及基线解算质量评定要素 . 8 3.2 优化基线解算精度技术方法 . 8 3.2.1 提高起算点坐标精度 . 8 3.2.2 删除或优化卫星组合 . 9 3.2.3 调整卫星截止高度角等控制参数 . 9 3.2.4 截取观测时段 . 10 3.3 小结 . 1
3、0 4 GPS 双差解的 RATlO 定义及作用 . 11 4.1 初始整周未知数偏差搜索及 ratio 的定义 . 11 4.2 小结 . 11 5 GPS 基线解算的精度分析 . 11 5.1 精度分析 . 12 5.2 小结 . 12 6 总结 . 12 参 考 文 献 . 12 Abstract . 13 第 1 页 (共 13 页 ) GPS 基线解算的方法及精度分析 摘 要 ： 对 GPS 控制网基线处理中对观测数据及基线解算质量评定要素进行了总结，针对控制网内业数据处理基线解算中经常出现的一些问题，总结出优化解算的原则和方法，并提出合理建议。 关键词 ： GPS； 基线解算；优化
4、；精度分析 1 GPS 基线解算方法 GPS 测量数据的处理可分为基线解算和网平差两个阶段 ， 因为GPS 测量得到的是 GPS 相位中心到卫星发射中心的伪距 ， 载波相位和卫星 星等 ， 使得要得到工程测量的定位成果 ， 必须先进行基线向量解算 ， 评定基线精度 ， 它是 GPS 数据处理的重要环节 ， 其解算质量的好坏将直接影响到 GPS网的定位精度。 1.1 GPS 定位及基线解算原理 GPS技术在测量上均采用相对定位技术。即将两台 GPS 接收机分别安放在基线的两端 ， 同步观测相同的 GPS卫星 ， 以确定基线端点的相对位置或基线向量。基线解算就是利用 GPS 接收机接收到的载波 相
5、位观测值做为基本观测值 ， 对其进行差分处理 ， 建立观测值与基线向量的关系 ， 通过最小二乘原理求解基线向量及其精度。利用伪距法进行 GPS 定位的数学表 达式 ： P=p+c(dt- dT)+dion+dtrop (1 -1) 其中 P 为接收机到卫星的测量距离 (伪距 )； p 为接收机到卫星的实际距离； c 为光速 ； d为卫星钟差 ； dT 为接收机钟差 ； dion+dtrop分别为电离层和对流层时延产生的距离偏差。当我们假定卫星与 GPS标准时间同步 ， 则偏差只决定于接收机时钟。由此我们可以得到四个方程 ： 第 2 页 ( 共 13 页 ) CRzzyyxxCRzzyyxxCR
6、zzyyxxCRzzyyxxBBBB4222322222221222444333222111（ 1-2） 其中 Ri( i=1， 2， 3， 4)为伪距 ， CB 为距离校正量。 1.2 GPS 基线解算的重要影响因素及解决方案 基线解算的重要影响因素主要有起算坐标不准确、卫星观测时太 短、周跳过多、多路径效应、电离层传播延迟、对流层折射五大类因素。 (1)起算坐标不准确 基线解算时 ， 必须有一个点的坐标作为起算 ， 该点应为其中某个接收机的 WGS- 84 坐标 ， 其点位精度对基线解算精度的影响可用下式表示 ： bmb 106.0 4（ 1-3） 其中 m 为起算点的坐标误差 ； b 为
7、基线长度 (km)； b 为因起算误差引起的基线向量误差可以看出 ： 当基线长度一定时 ， m 越大 ， b越大。这里我们应该至少保证起算点为观测不少于 30min 单点定位结果的平差值所提供 WGS- 84 系坐标。为了使起算点坐标精度更加准确 ， 我们可以利用改进单点伪距定位结果的方法 ： 将观测的伪距定位值取平均值。 (2)卫星观测时间过短 卫星观测时间过短可以由以下两点来判别 ： 查 观测数据的记录文件对每颗卫星的观测数据数量 ， 数据量小则观测时间短。 直接查看卫星可见性图。 卫星可见性图如图 2 所示 第 3 页 ( 共 13 页 ) 图 2 卫星可见图 解决办法 ： 对于观测时间
8、过短的卫星观测数据予以删除 ， 不让其参加基线解算。 (3)周跳过多 卫星周跳可以由以下两点判别 ： 从基线解算后获得的观测值残差分析 ； 从相位观测图中看出。 解决办法有 ： 增长历元间隔 ， 跳过中断的数据解算 ； 多颗卫星经常发生周跳 ， 可删除周跳严重的时间段 ； 单颗卫星经常发生周跳 ， 可删除该卫星观测值 ； 根据测区卫星可见性预报表改变观测时段 ， 避开周跳严重的时间段。 (4)多路径效应 多路径效应一般造 成观测值残差偏大。减弱多路径效应的办法有 ： 通过缩小编辑因子的方法来剔除残差较大的观测值 ； 删除多路径效应严重的时间段或卫星 ； 避开高反射体 ， 采用扼流圈天线 ； 延
9、长每点的观测时间 ； 选择视野开阔地段 ， 尽量避开高大建筑物 ， 大面积水域等。 (5)电离层传播延迟、对流层折射 电离层传播延迟、对流层折射影响过大 ， 可采用以下方法解决 ： 提高卫星截止高度角 ： TG 软件默认为 13 度 ， 在进行基线解算前应改为 15 度 ； 第 4 页 ( 共 13 页 ) 采用模型对对流层和电离层延迟进行改正 ； TGO 软件默认HOPFIELD 模型 ； 当基线长大于 10km 时使用 ； 小于 10km 时影响可略 ； 若为双频观测值 ， 则可以使用消除了电离层折射影响的观测值来进行基线解算。 2 GPS 控制网基线解算的一般原则和质量分析方法 GPS
10、基线解算就是利用 GPS 观测值，通过数据处理，得到测站的坐标或测站间的基线向量值。基线向量是 GPS 最基本的观测量，基线量的质量是提高 GPS 控制网整体质量水平的关键。本文围绕着如何提高基线观测质量，如何选取基线，如何剔除坏基线以及质量分析等问题进行应用性的分析讨论。 2.1 GPS 控制基本作业流程在大地测量和工程控制测量 应用中，一般采用多台接收机进行组网观测。 每天观测完成后，对当天的观测结果，用厂商提供的后处理软件和接收机采集的广播星历进行基线处理，并进行初步平差；全网观测完毕后，再进行网平差，以提高全网的成果精度并使网中各点的精度尽可能均匀；最后用已知坐标进行约束平差，求出各待
11、定点的最终成果。 2.2 通过基线解算结果来分析 GPS 野外数据的观测质量 GPS 野外数据的观测质量直接影响到定位的精度，及时有效地对野外观测数据质量进行检测，及早发 现异常情况，不仅可以保证观测数据的可靠性，同时 一旦发现观测数据存在问题，可以进一步分析产生问题的原因是接收机出了问题，还是观测环境不 够理想，还是人为的原因，以便迅速 准确做出判断，调整作业计划，采取措施避免漏测和不复，节约时间 提高效率。 基线解算时所设定的起点坐标不准确，会导致基线出现尺度和方向上的偏差。在实际工作中，只有尽量提高起点坐标的准确度，以避免这种情况的发生。要解决基线起点坐标不准确的问题，可以在进行基线解算
12、时，使用坐标准确度较高的点作为基线解算的起点，较为准确的起点坐标可以通过进行较长时间的单点定位或通过与 WGS-84第 5 页 ( 共 13 页 ) 坐标较准确的点联测得到；也可以采用在进行整网的基线解算时，所有基线起点的坐 标均由一个点坐标衍生而来，使得基线结 果均具有某一系统偏差，然后 再在 GPS 网平差处理时，引入系统参数的方法加以解决。 少数卫星的观测时间太短，导致这些卫星的整周未知数无法准确确定，从而影响该卫星参与的基线解算精度。关于卫星观测时间太短这类问题的判断比较简单，只要查看观测数据的记录文件中有关对与每个卫星的观测数据的数量就可以了，有些数据处理软件还输出卫星的可见性图，这
13、就更直观了。若某颗卫星的观测时间太短，则可以删除该卫星的观测数据不让它们参加基线解算，这样可以保证基线解算结果的质量。 周跳太多的判别，在整个观测时段里，有个别时间段里周跳太多，致使 周跳修复不完善。对于卫星观测值中周跳太多的情况，可以从基线解算后所获得的观测值残差上来分析。目前，大部分的基线处理软件一般采用的双差观测值，当在某测站对某颗卫星的观测值中含有未修复的周跳时，与此相关的所有双差观测值的残差都会出现显著的整数倍的增大。多路径效应、对流层或电离层折射影响的判别我们也是通过观测值残差进行的。不过与整周跳变不同的是，当路径效应严重、对流层或电离层折射影响过大时，观测值残差不是象周跳未修复那
14、样出现整数倍的增大，而只是出现非整数倍的增大，一般不超过 1 周，但却又明显地大于正常观测值的残差 。通过提高截止高度角，剔除易受对流 层或电离层影响的低高度角观测数据。但这种方法，具有一定的盲目性。因为 高度角低的信号，不一定受对流层或电离层的影响就大。 2.3 基线解算的一般原则 要进行 GPS 网平差，首先必须提取基线向量，构建 GPS 基线向量网。提取基线向量时需要遵循以下几项原则：必须选取相互独立的基线，若选取了不相互独立的基线，则平差结果会与真实的情况不相符合；选取的基线应构成闭合的几 何图形；选取质量好的基线向量， 基线质量的好坏，可以依据 RMS、 RDOP 、 RATIO 、
15、同步环闭和差、异步环闭和差和重复基线较差来判定；取能构成边数较少的异步环的第 6 页 ( 共 13 页 ) 基线向量；选取边长较短的基线向量。 2.4 GPS 网的三维无约束平差的主要作用 评定 GPS 网的内部符合精度，发现和剔除 GPS 观测值中可能存在的粗差由于三维无约束平差的结果完全取决于 GPS 网的布设方法和 GPS 观测值的质量，因此，三维无约束平差的结果就完全反映了GPS 网本身的质量好坏， 如果平差结果质量不好，则说明 GPS 网的布设或 GPS 观测值的质量有问题；反 之，则说明 GPS 网的布设或 G P S 观测值的质量没有问题。得到 GPS 网中各个点在 WGS-84
16、 系下经过了平差处理的三维空间直角坐标在进网中某点准确的 WGS-84 坐标作为起算点，则最后可得到的 GPS 网中各个点经过了平差处理的在 WGS-84 系下的坐标。为将来可能进行的高程拟合，提供经过了平差处理的大地高数据用 GPS 水准替代常规水准测量获取各点的正高或正常高是目前 GPS 应用中一个较新的领域，现在一般采用的是利用公共点进行高程拟合的方法。在进行高程拟合之前，必须获得经过平差的大地高数据，三维无约束平差可以提供这些数 据。 2.5 基线解算质量分析 2.5.1 基线向量的改正数 根据基线向量的改正 数的大小，可以判断出基线向量中是否含有粗差。 若在进行质量评定时，发现有质量
17、问题，需要根据具体情况进行处理，如果发现构成 GPS 网的基线中含有粗差，则需要采用删除含有粗差的基线、重新对含有粗差的基线进行解算或重测含有粗差的基线等方法加以解决；如果发现个别起算数据有质量问题，则应该放弃有质量问题的起算数据。 2.5.2 数据删除率 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。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，说明观测值的质量越差。 2.5.3 RDOP 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第 7 页
18、( 共 13 页 ) 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 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。 2.5.4 同步环闭合差 由于同步观测基线间具有一定的内在联系，从而 使得同步环闭合差在理论上应总是 0 的，如果同步环闭 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 ;但反过来，如果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。 2.5.5 异步环闭
19、合差 当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进行。 2.5.6 重复基线较差 RATIO、 RDOP 和 RMS 这几个质量指，标只具有 某种相对意义，它们数值的高低不能绝对的说明基线质量的高低。若 RMS 偏大，则说明观测值质量较差 。 2.5.7 小 结 GPS 控制网外业设站时间一般为 30-60 分钟，相对较长。如何通过内业严谨细致的基线处理工作，尽可能地找出基线不合格的原因。无疑会提高 GPS 控制网的质量和工作效率。 3 GPS 控制网基线解算优化方法探讨 随着静态 GPS 定位测量技术在控制测量、工程测量及矿山测量的不断普及，如何建立一个高精度的 GPS 控制网成为工程建设中的一个关键的环节，从 GPS 控制网的点位选埋，网形优化、外业观测及内业解算每个过程都会影响 GPS 最终 的成果质量，其中基线结算
