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第十一 GPS数据处理
学习指南
本讲主要讲述 GPS测量数据处理全过程。进行GPS数据处理时,应了解GPS数据预处理,掌握GPS控制网基线向量解算和GPS网平差或与地面网联合平差。在GPS数据预处理中,要了解数据预处理的目的,学习统一数据文件格式,并将各类数据文件加工成标准化文件(如GPS卫星轨道方程的标准化);在基线解算中,应学习相对定位中常用双差观测值求解基线向量方法。同时,GPS基线解算工作之前,应学好基线解算的分类。这一阶段要重点掌握基线解算阶段的质量控制,卫星数据删除率、RATIO、RDOP、RMS、同步环闭合差、异步环闭合差等的基本概念。
完成了一个GPS控制网的点的基线解算工作之后,必须学差,它是以南方GPS后处理软件为作业基础,以具体学差。
在学习本讲内容时,要以南方GPS后处理软件为作业基础,结合一定实际,掌握GPS数据处理基本概念和各种数据基线解算、网平差。重点掌握GPS控制网基线解算、网平差。本讲的难点掌握是GPS基线解算问题。
采用GPS基线向量网平差,虽可以同时确定出点的三维位置,若网中有一点或多点具有精确的WGS-84大地坐标系的大地高程,则在GPS网平差后,可得各GPS点的WGS-84大地高程。但令人遗憾的是,所确定出的高程是相对于一个特定参考椭球的,即所谓的大地高,而不是在实际应用中广泛采用的与地球重力位密切相关的正高或正常高。不过,如果能够设法获得相应点上的大地水准面差距或高程异常,就可以进行相应高程系统的转换,将大地高转换为正高或正常高。因此,应找出GPS点的大地高程同正常高程的关系,并采用一定模型进行转换。本节介绍如何将GPS高程观测结果变为可实用的正常高程结果。
教学重点和难点
1、GPS接收机观测数据的传输与管理。
2、GPS基线处理软件的应用。
3、GPS数据解算成果的评定。
教学目标
1、掌握GPS接收机观测数据的传输与管理。
2、掌握GPS基线处理软件的应用。
3、学会对GPS数据解算成果的评定。
主要知识点
数据传输、数据分流、观测数据的平滑、滤波、平差计算、同步环、异步环、重复基线。
GPS接收机采集记录的是GPS接收机天线至卫星的伪距、载波相位和卫星星历等数据。如果采样间隔为15s,则每15s记录一组观测值,一台接收机连续观测一小时将有240组观测值。观测值中包含对4颗以上卫星的观测数据以及地面气象观测数据等。GPS数据处理就是从原始观测值出发得到最终的测量定位成果,其数据处理过程大致可划分为数据传输、格式转换(可选)、基线解算和网平差以及GPS网与地面网联合平差等几个阶段四个阶段。GPS测量数据处理的流程如图9-1所示。开始
数据传输
原始
观测数据
数据传输软件
(功能模块)
格式转换
标推格式
数据
格式转换软件
(功能模块)
基线解算
基线解算软件
(功能模块)
GPS基线
向量解
基线质量
合格
GPS基线
向量网平差
GPS网平差软件
(功能模块)
GPS
点坐标
基准转换参数及精度
结束
N
Y
图9-1 GPS测量数据处理流程
一、数据预处理
GPS数据预处理的目的是:对数据进行平滑滤波检验、剔除粗差;统一数据文件格式,并将各类数据文件加工成标准化文件(如GPS卫星轨道方程的标准化,卫星时钟钟差标准化,观测值文件标准化等);找出整周跳变点并修复观测值;对观测值进行各种模型改正。
1 GPS卫星轨道方程的标准化
数据处理中要多次进行位置的计算,而GPS广播星历每小时有一组独立的星历参数,使得计算工作十分繁杂。因此,需要将卫星轨道方程标准化,以便计算简便节省内存空间。GPS卫星轨道方程标准化一般采用以时间为变量的多项式进行拟合处理。
将已知的多组不同历元星历参数所对应卫星位置Pi(t)表达成时间t的多项式形式
(9-1)
利用拟合法求解多项式系数。解出的系数记入标准化星历文件,用它们来计算任一时刻的卫星位置。多项式的阶数n一般取8~10就足以保证米级轨道拟合精度。
拟合计算时,时间t的单位需规格化,规格化时间T为
(9-2)
式中:Ti为对应于ti的规格化时间;tl和tm分别为观测时段开始和结束的时间。显然,对应于tl和tm的T1及T2分别为-1和+1。对任意时刻ti有。
需要指出的是,如果拟合时引进了规格化的时间,在实际轨道计算时也应使用规格化的时间。
2卫星钟差的标准化
来自广播星历的卫星钟差(即卫星钟钟面时间与GPS标准时间系统之差Dts)是多个数值,需要通过多项式拟合求得惟一的、平滑的钟差改正多项式,用于确定真正的信号发射时刻并计算该时刻的卫星轨道位置,同时也用