GPS靜態測量數據處理研究

趙洪巖

[摘 要]GPS靜態測量數據處理是一項比較復雜的工作。本文介紹了GPS靜態測量數據處理的一般過程，包括基線向量解算、構建GPS基線向量網、三維無約束平差或最小約束平差、約束平差或聯合平差、檢查相關精度指標的方法，為進一步的研究提供指導和參考。

[關鍵詞]GPS靜態測量； 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外業測量檢核工作中的重要一環，因此做好基線向量的解算工作是相當重要的。GPS基線向量的解算過程事實上是一個平差的過程，也是搜索整周模糊度的過程。它是根據GPS觀測數據，利用數學的原理，建立與觀測點位位置信息相關的數學模型，然后求定點位三維坐標的過程。

每一個廠商所生產的接收機都會配備相應的數據處理軟件，它們在使用方法上都會有各自不同的特點，但是，無論是那種軟件，它們在使用步驟上卻是大體相同的。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.原始觀測數據的讀入

在進行基線解算時，首先需要讀取原始的GPS觀測值數據。一般說來，各接收機廠商隨接收機一起提供的數據處理軟件都可以直接處理從接收機中傳輸出來的GPS原始觀測值數據，而由第三方所開發的數據處理軟件則不一定能對各接收機的原始觀測數據進行處理，要處理這些數據，首先需要進行格式轉換。目前，最常用的格式是RINEX格式，對于按此種格式存儲的數據，大部分的數據處理軟件都能直接處理。

2.外業輸入數據的檢査與修改

在讀入了GPS觀測值數據后，就需要對觀測數據進行必要的檢查，檢查的項目包括：測站名、點號、測站坐標、天線高、采樣間隔、起止時間等。對這些項目進行檢查的目的，是為了避免數據采集過程中的誤操作。正是為了防止這種誤操作，在野外采集數據的過程中，特別是在輸入測站參數的過程中，應當細致，并加強檢查，確保原始數據采集成功。

3.設定基線解算的控制參數

基線解算的控制參數用以確定數據處理軟件采用何種處理方法來進行基線解算，設定基線解算的控制參數是基線解算時的一個非常重要的環節，通過控制參數的設定，可以實現基線的精化處理。

4.基線解算

基線解算的過程一般由商用軟件自動完成，無需過多的人工干預，對于特定的情況，需要對數據進行認真地分析研究，確定對數據進行必要的取舍，以保證基線解算的準確性和可靠性。

5.基線解算結束

通過對基線的干預，剔除確實不好的數據后，計算出的基線向量，作為基線向量結果參加GPS各種檢驗和平差，最后確定點的三維坐標。

二、構建GPS基線向量網

要進行GPS網平差，首先必須提取基線向量，構建GPS基線向量網。提取基線向量時需要遵循以下幾項原則：

1.必須選取相互獨立的基線，若選取了不相互獨立的基線，則平差結果會與真實的情況不相符合。

2.所選取的基線應構成閉合的幾何圖形。

3.選取質量好的基線向量，基線質量的好壞，可以依據RATIO、RDOP、RMS、同步環閉合差、異步環閉合差和重復基線較差來判定。同時，還可以根據無約束或最小約束平差結果中，選取改正數較小的基線向量參加平差。

4.選取能構成邊數較少的異步環的基線向量。這項要求說明了，邊數越少，對于數據分析來說，就越簡便，以至于能夠很快判斷出出現粗差的基線。

5.選取邊長較短的基線向量。對于邊長較短的基線，其誤差中僅含有固定的誤差，對于比例誤差項可以不用考慮。

三、三維無約束平差或最小約束平差

通過選擇基線向量（或獨立基線向量）構成了GPS基線向量網，并進行GPS網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，引入一個提供位置基準的起算點坐標外，不再引入其它的外部起算數據的平差方式。由于GPS向量本身含有方位和尺度基準的信息，而不含有位置基準信息，通過引入起算點坐標來提供所缺少的位置基準信息，這是我們GPS平差中通常采用的常見方式。雖然我們在平差過程中引入了作為位置基準的坐標進行約束，并沒有引入會使網的尺度、方位發生變化的起算數據，因此，不會引起幾何圖形的變化。故從本質上講最小約束平差可以歸結為無約束平差一類。通過無約束或最小約束平差達到以下目的：

1.根據無約束平差的結果，判別在所構成的GPS網中是否有粗差基線，如發現含有粗差的基線，需要進行相應的處理，必須使得最后用于構網的所有基線向量均滿足質量要求。

2.調整各基線向量觀測值的權，使得它們相互匹配。利用軟件進行平差處理時，先進行平差，先驗賦權為1.0，然后利用平差統計出各觀測值的權再進行平差處理。

四、約束平差或聯合平差

在進行完三維無約束或最小約束平差后，需要根據三維無約束或最小約束平差的結果，進行約束平差或聯合平差，平差可根據需要在三維空間進行或二維空間中進行。

約束網平差的具體步驟是：

1.指定進行平差的基準和坐標系統。進行約束網平差，首先必須指定平差基準（或坐標系統），目前大多采用CGCS2000坐標系統中進行平差。

2.輸入起算數據。進行約束網平差的基本條件是：引入約束條件。約束條件可以分為尺度條件、位置條件以及坐標系統坐標軸指向條件。通常包含局部轉換系統的轉換需要至少三個及以上的約束三維位置信息，不需要進行局部轉換的，可在不破壞網的結構的基礎上，引入一個位置基準信息即可，而這又是最小約束平差的范圍。

3.檢驗約束條件的質量。檢查約束條件的質量主要有參加約束點的位置中誤差應當小于所測定網的中誤差的三分之一，若高精度的GPS網轉換至低精度的地方坐標系中，會造成精度的損失。因此，做此類約束時應當慎重。

4.進行平差解算。按照相關要求參數進行平差。并査看平差的信息，以確定平差是否合適。若沒有通過平差，則要根據平差后輸出的相關信息，進行分析。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，然后重新進行平差處理，直至滿足一定的精度要求為止。

5.輸出結果，并進行精度估計。平差解算完畢，應當利用軟件的相關功能，輸出待測點的三維坐標信息，并整理輸出點位中誤差的信息，按一定的格式輸出成果表以提供使用。

五、檢查相關精度指標

平差結束后，應當利用平差軟件提供的信息查詢工具進行相關平差精度的查詢，以確定本次平差是否成功。對于某些指標不能達到要求的情況，應當根據平差的相關信息，確定可能存在錯誤的基線向量，以重新進行基線向量計算或直接刪除基線向量，對于獨立基線還可以重新選擇一個基線來代替有錯誤的基線向量，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（或獨立）的。

參考文獻：

[1]李征航，魏二虎，王正濤.空間大地測量學[M].武漢.武漢大學出版社，2010.

[2]黃勁松，李英冰，GPS測量與數據處理實習教程[M].武漢.武漢大學出版社，2010.