GPS靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)處理研究

趙洪巖

[摘 要]GPS靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)處理是一項(xiàng)比較復(fù)雜的工作。本文介紹了GPS靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)處理的一般過程，包括基線向量解算、構(gòu)建GPS基線向量網(wǎng)、三維無約束平差或最小約束平差、約束平差或聯(lián)合平差、檢查相關(guān)精度指標(biāo)的方法，為進(jìn)一步的研究提供指導(dǎo)和參考。

[關(guān)鍵詞]GPS靜態(tài)測(cè)量； 基線向量； 無約束平差； 約束平差

—、GPS基線向量解算

GPS基線向量的解算是GPS外業(yè)測(cè)量檢核工作中的重要一環(huán)，因此做好基線向量的解算工作是相當(dāng)重要的。GPS基線向量的解算過程事實(shí)上是一個(gè)平差的過程，也是搜索整周模糊度的過程。它是根據(jù)GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用數(shù)學(xué)的原理，建立與觀測(cè)點(diǎn)位位置信息相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，然后求定點(diǎn)位三維坐標(biāo)的過程。

每一個(gè)廠商所生產(chǎn)的接收機(jī)都會(huì)配備相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件，它們?cè)谑褂梅椒ㄉ隙紩?huì)有各自不同的特點(diǎn)，但是，無論是那種軟件，它們?cè)谑褂貌襟E上卻是大體相同的。由此我們可以推廣出GPS基線處理的基本過程。GPS基線解算的過程是：

1.原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的讀入

在進(jìn)行基線解算時(shí)，首先需要讀取原始的GPS觀測(cè)值數(shù)據(jù)。一般說來，各接收機(jī)廠商隨接收機(jī)一起提供的數(shù)據(jù)處理軟件都可以直接處理從接收機(jī)中傳輸出來的GPS原始觀測(cè)值數(shù)據(jù)，而由第三方所開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件則不一定能對(duì)各接收機(jī)的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，要處理這些數(shù)據(jù)，首先需要進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。目前，最常用的格式是RINEX格式，對(duì)于按此種格式存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，大部分的數(shù)據(jù)處理軟件都能直接處理。

2.外業(yè)輸入數(shù)據(jù)的檢査與修改

在讀入了GPS觀測(cè)值數(shù)據(jù)后，就需要對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的檢查，檢查的項(xiàng)目包括：測(cè)站名、點(diǎn)號(hào)、測(cè)站坐標(biāo)、天線高、采樣間隔、起止時(shí)間等。對(duì)這些項(xiàng)目進(jìn)行檢查的目的，是為了避免數(shù)據(jù)采集過程中的誤操作。正是為了防止這種誤操作，在野外采集數(shù)據(jù)的過程中，特別是在輸入測(cè)站參數(shù)的過程中，應(yīng)當(dāng)細(xì)致，并加強(qiáng)檢查，確保原始數(shù)據(jù)采集成功。

3.設(shè)定基線解算的控制參數(shù)

基線解算的控制參數(shù)用以確定數(shù)據(jù)處理軟件采用何種處理方法來進(jìn)行基線解算，設(shè)定基線解算的控制參數(shù)是基線解算時(shí)的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，通過控制參數(shù)的設(shè)定，可以實(shí)現(xiàn)基線的精化處理。

4.基線解算

基線解算的過程一般由商用軟件自動(dòng)完成，無需過多的人工干預(yù)，對(duì)于特定的情況，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)真地分析研究，確定對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的取舍，以保證基線解算的準(zhǔn)確性和可靠性。

5.基線解算結(jié)束

通過對(duì)基線的干預(yù)，剔除確實(shí)不好的數(shù)據(jù)后，計(jì)算出的基線向量，作為基線向量結(jié)果參加GPS各種檢驗(yàn)和平差，最后確定點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

二、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：

1.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。

2.所選取的基線應(yīng)構(gòu)成閉合的幾何圖形。

3.選取質(zhì)量好的基線向量，基線質(zhì)量的好壞，可以依據(jù)RATIO、RDOP、RMS、同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差和重復(fù)基線較差來判定。同時(shí)，還可以根據(jù)無約束或最小約束平差結(jié)果中，選取改正數(shù)較小的基線向量參加平差。

4.選取能構(gòu)成邊數(shù)較少的異步環(huán)的基線向量。這項(xiàng)要求說明了，邊數(shù)越少，對(duì)于數(shù)據(jù)分析來說，就越簡(jiǎn)便，以至于能夠很快判斷出出現(xiàn)粗差的基線。

5.選取邊長(zhǎng)較短的基線向量。對(duì)于邊長(zhǎng)較短的基線，其誤差中僅含有固定的誤差，對(duì)于比例誤差項(xiàng)可以不用考慮。

三、三維無約束平差或最小約束平差

通過選擇基線向量（或獨(dú)立基線向量）構(gòu)成了GPS基線向量網(wǎng)，并進(jìn)行GPS網(wǎng)的三維無約束或最小約束平差，所謂最小約束平差就是在平差過程中，引入一個(gè)提供位置基準(zhǔn)的起算點(diǎn)坐標(biāo)外，不再引入其它的外部起算數(shù)據(jù)的平差方式。由于GPS向量本身含有方位和尺度基準(zhǔn)的信息，而不含有位置基準(zhǔn)信息，通過引入起算點(diǎn)坐標(biāo)來提供所缺少的位置基準(zhǔn)信息，這是我們GPS平差中通常采用的常見方式。雖然我們?cè)谄讲钸^程中引入了作為位置基準(zhǔn)的坐標(biāo)進(jìn)行約束，并沒有引入會(huì)使網(wǎng)的尺度、方位發(fā)生變化的起算數(shù)據(jù)，因此，不會(huì)引起幾何圖形的變化。故從本質(zhì)上講最小約束平差可以歸結(jié)為無約束平差一類。通過無約束或最小約束平差達(dá)到以下目的：

1.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。

2.調(diào)整各基線向量觀測(cè)值的權(quán)，使得它們相互匹配。利用軟件進(jìn)行平差處理時(shí)，先進(jìn)行平差，先驗(yàn)賦權(quán)為1.0，然后利用平差統(tǒng)計(jì)出各觀測(cè)值的權(quán)再進(jìn)行平差處理。

四、約束平差或聯(lián)合平差

在進(jìn)行完三維無約束或最小約束平差后，需要根據(jù)三維無約束或最小約束平差的結(jié)果，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。

約束網(wǎng)平差的具體步驟是：

1.指定進(jìn)行平差的基準(zhǔn)和坐標(biāo)系統(tǒng)。進(jìn)行約束網(wǎng)平差，首先必須指定平差基準(zhǔn)（或坐標(biāo)系統(tǒng)），目前大多采用CGCS2000坐標(biāo)系統(tǒng)中進(jìn)行平差。

2.輸入起算數(shù)據(jù)。進(jìn)行約束網(wǎng)平差的基本條件是：引入約束條件。約束條件可以分為尺度條件、位置條件以及坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)軸指向條件。通常包含局部轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換需要至少三個(gè)及以上的約束三維位置信息，不需要進(jìn)行局部轉(zhuǎn)換的，可在不破壞網(wǎng)的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，引入一個(gè)位置基準(zhǔn)信息即可，而這又是最小約束平差的范圍。

3.檢驗(yàn)約束條件的質(zhì)量。檢查約束條件的質(zhì)量主要有參加約束點(diǎn)的位置中誤差應(yīng)當(dāng)小于所測(cè)定網(wǎng)的中誤差的三分之一，若高精度的GPS網(wǎng)轉(zhuǎn)換至低精度的地方坐標(biāo)系中，會(huì)造成精度的損失。因此，做此類約束時(shí)應(yīng)當(dāng)慎重。

4.進(jìn)行平差解算。按照相關(guān)要求參數(shù)進(jìn)行平差。并査看平差的信息，以確定平差是否合適。若沒有通過平差，則要根據(jù)平差后輸出的相關(guān)信息，進(jìn)行分析。以確定含有較大誤差的基線向量，做出重新解算基線向量或更換基線向量的決定，然后重新進(jìn)行平差處理，直至滿足一定的精度要求為止。

5.輸出結(jié)果，并進(jìn)行精度估計(jì)。平差解算完畢，應(yīng)當(dāng)利用軟件的相關(guān)功能，輸出待測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，并整理輸出點(diǎn)位中誤差的信息，按一定的格式輸出成果表以提供使用。

五、檢查相關(guān)精度指標(biāo)

平差結(jié)束后，應(yīng)當(dāng)利用平差軟件提供的信息查詢工具進(jìn)行相關(guān)平差精度的查詢，以確定本次平差是否成功。對(duì)于某些指標(biāo)不能達(dá)到要求的情況，應(yīng)當(dāng)根據(jù)平差的相關(guān)信息，確定可能存在錯(cuò)誤的基線向量，以重新進(jìn)行基線向量計(jì)算或直接刪除基線向量，對(duì)于獨(dú)立基線還可以重新選擇一個(gè)基線來代替有錯(cuò)誤的基線向量，但必須保證替代的基線向量與參與平差的基線向量是不相關(guān)（或獨(dú)立）的。

參考文獻(xiàn)：

[1]李征航，魏二虎，王正濤.空間大地測(cè)量學(xué)[M].武漢.武漢大學(xué)出版社，2010.

[2]黃勁松，李英冰，GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理實(shí)習(xí)教程[M].武漢.武漢大學(xué)出版社，2010.