GPS静态测量数据处理研究

赵洪岩

[摘 要]GPS静态测量数据处理是一项比较复杂的工作。本文介绍了GPS静态测量数据处理的一般过程，包括基线向量解算、构建GPS基线向量网、三维无约束平差或最小约束平差、约束平差或联合平差、检查相关精度指标的方法，为进一步的研究提供指导和参考。

[关键词]GPS静态测量； 基线向量； 无约束平差； 约束平差

—、GPS基线向量解算

GPS基线向量的解算是GPS外业测量检核工作中的重要一环，因此做好基线向量的解算工作是相当重要的。GPS基线向量的解算过程事实上是一个平差的过程，也是搜索整周模糊度的过程。它是根据GPS观测数据，利用数学的原理，建立与观测点位位置信息相关的数学模型，然后求定点位三维坐标的过程。

每一个厂商所生产的接收机都会配备相应的数据处理软件，它们在使用方法上都会有各自不同的特点，但是，无论是那种软件，它们在使用步骤上却是大体相同的。由此我们可以推广出GPS基线处理的基本过程。GPS基线解算的过程是：

1.原始观测数据的读入

在进行基线解算时，首先需要读取原始的GPS观测值数据。一般说来，各接收机厂商随接收机一起提供的数据处理软件都可以直接处理从接收机中传输出来的GPS原始观测值数据，而由第三方所开发的数据处理软件则不一定能对各接收机的原始观测数据进行处理，要处理这些数据，首先需要进行格式转换。目前，最常用的格式是RINEX格式，对于按此种格式存储的数据，大部分的数据处理软件都能直接处理。

2.外业输入数据的检査与修改

在读入了GPS观测值数据后，就需要对观测数据进行必要的检查，检查的项目包括：测站名、点号、测站坐标、天线高、采样间隔、起止时间等。对这些项目进行检查的目的，是为了避免数据采集过程中的误操作。正是为了防止这種误操作，在野外采集数据的过程中，特别是在输入测站参数的过程中，应当细致，并加强检查，确保原始数据采集成功。

3.设定基线解算的控制参数

基线解算的控制参数用以确定数据处理软件采用何种处理方法来进行基线解算，设定基线解算的控制参数是基线解算时的一个非常重要的环节，通过控制参数的设定，可以实现基线的精化处理。

4.基线解算

基线解算的过程一般由商用软件自动完成，无需过多的人工干预，对于特定的情况，需要对数据进行认真地分析研究，确定对数据进行必要的取舍，以保证基线解算的准确性和可靠性。

5.基线解算结束

通过对基线的干预，剔除确实不好的数据后，计算出的基线向量，作为基线向量结果参加GPS各种检验和平差，最后确定点的三维坐标。

二、构建GPS基线向量网

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：

1.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。

2.所选取的基线应构成闭合的几何图形。

3.选取质量好的基线向量，基线质量的好坏，可以依据RATIO、RDOP、RMS、同步环闭合差、异步环闭合差和重复基线较差来判定。同时，还可以根据无约束或最小约束平差结果中，选取改正数较小的基线向量参加平差。

4.选取能构成边数较少的异步环的基线向量。这项要求说明了，边数越少，对于数据分析来说，就越简便，以至于能够很快判断出出现粗差的基线。

5.选取边长较短的基线向量。对于边长较短的基线，其误差中仅含有固定的误差，对于比例误差项可以不用考虑。

三、三维无约束平差或最小约束平差

通过选择基线向量（或独立基线向量）构成了GPS基线向量网，并进行GPS网的三维无约束或最小约束平差，所谓最小约束平差就是在平差过程中，引入一个提供位置基准的起算点坐标外，不再引入其它的外部起算数据的平差方式。由于GPS向量本身含有方位和尺度基准的信息，而不含有位置基准信息，通过引入起算点坐标来提供所缺少的位置基准信息，这是我们GPS平差中通常采用的常见方式。虽然我们在平差过程中引入了作为位置基准的坐标进行约束，并没有引入会使网的尺度、方位发生变化的起算数据，因此，不会引起几何图形的变化。故从本质上讲最小约束平差可以归结为无约束平差一类。通过无约束或最小约束平差达到以下目的：

1.根据无约束平差的结果，判别在所构成的GPS网中是否有粗差基线，如发现含有粗差的基线，需要进行相应的处理，必须使得最后用于构网的所有基线向量均满足质量要求。

2.调整各基线向量观测值的权，使得它们相互匹配。利用软件进行平差处理时，先进行平差，先验赋权为1.0，然后利用平差统计出各观测值的权再进行平差处理。

四、约束平差或联合平差

在进行完三维无约束或最小约束平差后，需要根据三维无约束或最小约束平差的结果，进行约束平差或联合平差，平差可根据需要在三维空间进行或二维空间中进行。

约束网平差的具体步骤是：

1.指定进行平差的基准和坐标系统。进行约束网平差，首先必须指定平差基准（或坐标系统），目前大多采用CGCS2000坐标系统中进行平差。

2.输入起算数据。进行约束网平差的基本条件是：引入约束条件。约束条件可以分为尺度条件、位置条件以及坐标系统坐标轴指向条件。通常包含局部转换系统的转换需要至少三个及以上的约束三维位置信息，不需要进行局部转换的，可在不破坏网的结构的基础上，引入一个位置基准信息即可，而这又是最小约束平差的范围。

3.检验约束条件的质量。检查约束条件的质量主要有参加约束点的位置中误差应当小于所测定网的中误差的三分之一，若高精度的GPS网转换至低精度的地方坐标系中，会造成精度的损失。因此，做此类约束时应当慎重。

4.进行平差解算。按照相关要求参数进行平差。并査看平差的信息，以确定平差是否合适。若没有通过平差，则要根据平差后输出的相关信息，进行分析。以确定含有较大误差的基线向量，做出重新解算基线向量或更换基线向量的决定，然后重新进行平差处理，直至满足一定的精度要求为止。

5.输出结果，并进行精度估计。平差解算完毕，应当利用软件的相关功能，输出待测点的三维坐标信息，并整理输出点位中误差的信息，按一定的格式输出成果表以提供使用。

五、检查相关精度指标

平差结束后，应当利用平差软件提供的信息查询工具进行相关平差精度的查询，以确定本次平差是否成功。对于某些指标不能达到要求的情况，应当根据平差的相关信息，确定可能存在错误的基线向量，以重新进行基线向量计算或直接删除基线向量，对于独立基线还可以重新选择一个基线来代替有错误的基线向量，但必须保证替代的基线向量与参与平差的基线向量是不相关（或独立）的。

参考文献：

[1]李征航，魏二虎，王正涛.空间大地测量学[M].武汉.武汉大学出版社，2010.

[2]黄劲松，李英冰，GPS测量与数据处理实习教程[M].武汉.武汉大学出版社，2010.