關(guān)于GPS數(shù)據(jù)處理軟件的思考

李 偉 蒲仁虎

（1.中國人民解放軍西藏軍區(qū)77535部隊(duì) 西藏 拉薩 850000；2.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 德陽 618000）

關(guān)于GPS數(shù)據(jù)處理軟件的思考

李 偉1蒲仁虎2

（1.中國人民解放軍西藏軍區(qū)77535部隊(duì) 西藏 拉薩 850000；2.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 德陽 618000）

當(dāng)今測繪科學(xué)研究以及工程實(shí)踐中GPS占有著舉足輕重的地位。尤其是在控制測量中，GPS以其高度的外業(yè)智能化和數(shù)據(jù)處理的自動化將這個領(lǐng)域牢牢占據(jù)。其中GPS數(shù)據(jù)處理軟件的應(yīng)用就成了控制測量的主要要解決的問題。本文將重點(diǎn)放在軟件應(yīng)用問題上面。

GPS；數(shù)據(jù)處理

GPS（Globe Position System）全球定位系統(tǒng)是由美軍的子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展而來，子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是為了滿足美海軍核潛艇實(shí)現(xiàn)全球?qū)Ш蕉鴮?shí)施的計(jì)劃。正是基于該系統(tǒng)在導(dǎo)航和民用方面取得的成功和存在的問題，美國才開始實(shí)施了GPS計(jì)劃。GPS是一個非常成熟的系統(tǒng)，不僅在軍事上能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位，在民用的各個領(lǐng)域也能達(dá)到很高的精度。比如利用相對定位的方法，對于上百千米的基線可以實(shí)現(xiàn)測距精度為毫米級。

1 GPS系統(tǒng)概述

1.1 GPS系統(tǒng)構(gòu)成

GPS系統(tǒng)由GPS空間衛(wèi)星、地面監(jiān)控及接收機(jī)三部分組成?？臻g衛(wèi)星部分由約30顆衛(wèi)星組成，包括工作衛(wèi)星及預(yù)備衛(wèi)星，其作用是發(fā)射載波等信號，同時(shí)充當(dāng)一個移動的已知控制點(diǎn)。地面監(jiān)控部分是整個系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，主要的作用是監(jiān)測和控制整個系統(tǒng)的運(yùn)行及軌道參數(shù)等的注入。從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星沿理想軌道運(yùn)行。接收機(jī)部分是定位系統(tǒng)的用戶使用部分，通過接收機(jī)的工作可以完成三維坐標(biāo)的采集。

1.2 GPS定位原理

GPS定位有多種分類，按照其定位原理可以分為絕對定位和相對定位，按照接收機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)可以分為動態(tài)定位和靜態(tài)定位等等。這里僅僅介紹靜態(tài)相對定位原理，因?yàn)橹挥羞@種定位是目前GPS定位精度最高且在控制測量領(lǐng)域應(yīng)用最廣也是對數(shù)據(jù)處理軟件要求相對較高的一種定位方式。

GPS靜態(tài)相對定位原理實(shí)質(zhì)上是一個空間后方交會測量。此方法是將空間的一組衛(wèi)星視為固定的已知點(diǎn)。通過接收衛(wèi)星的載波信號和電文從而建立測站點(diǎn)和衛(wèi)星間的偽距方程，由偽距方程（測相）通過同步觀測值求差的方式建立常見的雙差觀測方程，從而達(dá)到消除或減弱觀測方程未知數(shù)的目的。最后求解的未知數(shù)變?yōu)榱巳齻€坐標(biāo)差未知數(shù)和一個整周未知數(shù)，再由一組雙差觀測方程利用線性代數(shù)的方法可以求解出坐標(biāo)差向量，即基線的空間向量值。由空間向量計(jì)算出的基線距離，其誤差可以達(dá)到毫米級。在知道基線其中一個點(diǎn)三維坐標(biāo)的情況下可以直接求解出另一個點(diǎn)的坐標(biāo)。

2 GPS數(shù)據(jù)處理軟件使用

2.1 GPS數(shù)據(jù)處理簡介

GPS數(shù)據(jù)處理包括的過程有：數(shù)據(jù)預(yù)處理，基線結(jié)算，網(wǎng)平差。首先數(shù)據(jù)預(yù)處理就是將原始觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過去噪或者平滑濾波處理，最終統(tǒng)一數(shù)據(jù)文件格式，便于GPS數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)化?；€處理指的的是通過差分觀測模型將基線向量以坐標(biāo)差位置向量的形式求解出來，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理奠定基礎(chǔ)。此過程要做的檢核有多種，但是其中的三種即：同步環(huán)閉合差，異步環(huán)閉合差和復(fù)測基線較差是必須要做的三種檢核。當(dāng)所有的檢核都滿足相應(yīng)規(guī)范精度要求時(shí)即完成了基線解算。最后一個步驟就是網(wǎng)平差，所謂網(wǎng)平差就是將控制點(diǎn)坐標(biāo)換算到相應(yīng)目標(biāo)坐標(biāo)系下來。從本質(zhì)上來說網(wǎng)平差就是一個坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)運(yùn)算。最常用的就是七參數(shù)轉(zhuǎn)換法。

現(xiàn)在國內(nèi)外處理靜態(tài)GPS數(shù)據(jù)的軟件有很多種，其中應(yīng)用得最為廣泛的有國外的TGO,GAMIT,萊卡等等。國內(nèi)的南方軟件、華測、中海達(dá)、科傻等GPS數(shù)據(jù)處理軟件也日漸趨于成熟。盡管數(shù)據(jù)處理軟件多種多樣但是其數(shù)據(jù)處理的步驟是大致相同的。包括：數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，基線解算，網(wǎng)平差，成果輸出等。

2.2 華測軟件的使用

本文以上海華測公司的COMPASS軟件為例介紹其數(shù)據(jù)處理的過程。第一步，數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。該軟件支持多種數(shù)據(jù)格式的導(dǎo)入和轉(zhuǎn)換。例如，天寶接收機(jī)的*.dat原始數(shù)據(jù)文件及GPS數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)rinex格式。還包括文件名及測站點(diǎn)位名稱和天線高等外業(yè)記錄的檢查。第二步，基線處理。首先要進(jìn)行基線處理的設(shè)置，其中比較重要的幾項(xiàng)設(shè)置有：截止高度角，采樣間隔，RATIO警告下界，整周未知數(shù)求解模型的設(shè)置。然后直接執(zhí)行基線的解算命令。本步驟結(jié)束以后進(jìn)行第三個步驟即基線解算的質(zhì)量控制。質(zhì)量控制實(shí)際上是讓基線解算后的各項(xiàng)質(zhì)量控制指標(biāo)滿足規(guī)范要求，其中最復(fù)雜最重要的是根據(jù)殘差圖進(jìn)行觀測數(shù)據(jù)的修改和參數(shù)重置。第三步，進(jìn)行網(wǎng)平差。網(wǎng)平差過程中要輸入已知控制點(diǎn)坐標(biāo)，即輸入約束條件。已知點(diǎn)的個數(shù)根據(jù)平差的類型（二維和三維）有不同點(diǎn)選擇。最后可以通過平差報(bào)告查看最后的平差結(jié)果。

2.3 GPS數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量控制指標(biāo)

在GPS數(shù)據(jù)處理過程中，尤其是基線解算步驟，需要對各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行判別。這些指標(biāo)中起控制作用的指標(biāo)包括：

2.3.1 同步環(huán)閉合差

三臺或三臺以上的GPS接收機(jī)進(jìn)行同步觀測所獲得的基線向量（完全由同一觀測時(shí)段的基線向量）所構(gòu)成的閉合環(huán)的向量不符值。

理論上采用嚴(yán)密算法所得到的同步環(huán)，無論觀測值中是否含有誤差，其環(huán)閉合差必為零。（構(gòu)成同步環(huán)的基線向量之間是線性相關(guān)的）。然而實(shí)踐過程中算法不嚴(yán)密（目前大多數(shù)的商用軟件均屬于此種情況），其環(huán)閉合差通常不為零，但通常很小。因此此指標(biāo)只做為判斷基線不合格的依據(jù)，不能用于判斷基線合格的依據(jù)。

2.3.2 異步環(huán)閉合差

由相互函數(shù)獨(dú)立（線性無關(guān)）的基線向量所構(gòu)成的閉合環(huán)稱為異步環(huán)，實(shí)質(zhì)上就是由不同時(shí)段觀測的基線所構(gòu)成的閉合環(huán)。與同步環(huán)閉合差不同，即使采用嚴(yán)密算法，并且計(jì)算過程中未發(fā)生錯誤，獨(dú)立觀測環(huán)的閉合差通常也不為零，也不一定是個微小量。獨(dú)立觀測環(huán)閉合差的大小，可作為評定基線解算結(jié)果質(zhì)量的有力指標(biāo)。也就是說該指標(biāo)滿足要求即能說明基線合格。

2.3.3 復(fù)測基線較差

所謂復(fù)測基線，就是不同觀測時(shí)段觀測的同一條基線。在理論上該基線的長度應(yīng)該相等。但是由于環(huán)境誤差、儀器誤差等影響。使得同一基線不同時(shí)段解算出來的結(jié)果是有差異的。因此，復(fù)測基線較差是質(zhì)量控制中的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

3 GPS數(shù)據(jù)處理軟件待解決的問題及對策

經(jīng)過對不同GPS數(shù)據(jù)處理軟件的使用，發(fā)現(xiàn)有幾項(xiàng)問題有待改善并將提出一些處理方法。

3.1 數(shù)據(jù)處理格式不統(tǒng)一

現(xiàn)今GPS生產(chǎn)廠商很多，幾乎各廠商都有自己的數(shù)據(jù)處理軟件。然而對于不同的接收機(jī)和不同的數(shù)據(jù)格式無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和成果的交流。因此，可以通過將GPS原始數(shù)據(jù)盡量的轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式。目前應(yīng)用最多的就是與接收機(jī)無關(guān)的rinex格式的GPS數(shù)據(jù)。

3.2 殘差圖的識別與處理

前面已經(jīng)提到，殘差圖是數(shù)據(jù)處理中一個非常有用的工具。通過殘差圖的識讀，可以有效的過濾粗差，使得信號更加純凈。但是在殘差圖中，很多軟件有一個缺陷。就是橫軸的時(shí)間刻度不明確。例如，通過殘差圖的判別，只能知道在11點(diǎn)到12點(diǎn)之間存在一個不明系統(tǒng)誤差的影響。但是具體在哪個時(shí)間刻度卻不能準(zhǔn)確的得到。因此，在軟件的設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，應(yīng)該對時(shí)間刻度給出精細(xì)的劃分。這樣就能實(shí)現(xiàn)殘差圖的精細(xì)處理。

3.3 數(shù)據(jù)處理質(zhì)量控制指標(biāo)的使用

就上文提到的質(zhì)量控制指標(biāo)，尤其是質(zhì)量控制指標(biāo)是數(shù)據(jù)處理后必須要滿足要求的指標(biāo)。而目前數(shù)據(jù)處理軟件只能給出指標(biāo)的值，而未能就指標(biāo)滿足要求與否給出是非判斷。因此，在軟件設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該設(shè)計(jì)質(zhì)量控制指標(biāo)判別模塊。通過該模塊可以輸入目標(biāo)GPS網(wǎng)精度等級，從而可以據(jù)此技術(shù)處相應(yīng)控制指標(biāo)的臨界值。即可自動的完成GPS網(wǎng)精度的判別，實(shí)現(xiàn)軟件智能化和自動化。

3.4 軟件中解算模型比較單一

GPS數(shù)據(jù)處理方法每年都在進(jìn)行著飛速的發(fā)展，其中對于整周未知數(shù)的解算更是變幻莫測。而常用軟件中對于整周未知數(shù)的求解模型，還僅僅局限于較早的搜索法等少數(shù)方法。在軟件開發(fā)過程中應(yīng)盡量更新諸如整周未知數(shù)的解算模型。甚至可以提供與用戶交互的平臺，用戶可以根據(jù)自己的需要實(shí)現(xiàn)對軟件的再開發(fā)。

4 結(jié)論

GPS數(shù)據(jù)處理軟件經(jīng)過這么多年的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，但是正如“道高一尺，魔高一丈”，其發(fā)展永遠(yuǎn)沒有止境。只有通過不斷的發(fā)現(xiàn)問題處理問題再發(fā)現(xiàn)問題，這樣的循環(huán)往復(fù)才能不斷滿足科技的發(fā)展和用戶的需求。不僅如此對于我國正在發(fā)展的北斗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件的設(shè)計(jì)也有很重要的借鑒意義。

［1］周忠謨.GPS衛(wèi)星測量原理與應(yīng)用[M].測繪出版社,2004:266－282.

王洪澤］