GPS技術測量數(shù)據(jù)處理方法分析

覃能

摘要：GPS技術是近年來應用較為廣泛的一種新型測量技術，具有諸多的優(yōu)點。本文結合實際工作經(jīng)驗，介紹了GPS技術的系統(tǒng)組成及特點，重點圍繞數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)基線解算等方面探討了GPS技術測量數(shù)據(jù)的計算過程，并分析了影響計算結構的因素及策略，以供借鑒。

關鍵詞：GPS技術；數(shù)據(jù)處理；系統(tǒng)組成；基線解算

1 引言

隨著我國社會經(jīng)濟建設步伐的加快，許多高新科學技術得到進一步的發(fā)展，計算機和微電子技術為代表的電子信息技術的應用范圍不斷擴大，這對應用領域的硬件、軟件開發(fā)都產(chǎn)生了較大的影響。GPS技術作為一種新型的全球定位系統(tǒng)核心技術，具有精度高、實時性強、靈活性高、操作方便、處理效率高和成本低等優(yōu)點，它改變了以往傳統(tǒng)的測量模式及習慣，能夠快速、準確地獲取空間數(shù)據(jù)，這不僅大大降低了測量人員的工作量，而且也提高了測量結果的準確性及施測效率，為城市工程的測量工作提供了科學的參考依據(jù)，近年來GPS技術在眾多測量領域的應用范圍也得到了不斷的擴大。本文通過分析GPS技術測量數(shù)據(jù)的計算過程，希望對拓展GPS技術的應用有所幫助。

2 GPS技術概況

全球定位系統(tǒng)（GPS）自研制成功以來，在應用基礎的研究、應用領域的開拓、硬件和軟件的開發(fā)等方面，都得到廣泛的應用和蓬勃發(fā)展。GPS定位系統(tǒng)是以衛(wèi)星為基礎的無線電三維導航系統(tǒng)，具有定位精度高、速度快、費用省、全天候、操作簡便等特點，目前，GPS不僅在軍事發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，而且對于民用和工業(yè)領域發(fā)展意義重大。在我國，GPS的應用已經(jīng)擴展到軍事、科研、礦業(yè)開發(fā)等各個領域，尤其是在大型測量工作中更體現(xiàn)出其獨特的優(yōu)越性。

3 GPS測量數(shù)據(jù)計算

GPS測量具有數(shù)據(jù)海量化、計算程序復雜化、計算方法多樣化和處理自動化程度高等特點，按照GPS數(shù)據(jù)特點，從原始數(shù)據(jù)處理到最終計算成果主要分為五個階段，即數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)預處理、基線解算、數(shù)據(jù)平差處理。

3.1 GPS數(shù)據(jù)預處理

在進行GPS原始數(shù)據(jù)計算之前，首先需要進行數(shù)據(jù)的平滑性檢驗、標準化處理，將各種數(shù)據(jù)處理成為標準化文件格式，主要包括S衛(wèi)星軌道方程的標準化，衛(wèi)星時鐘鐘差標準化和文件格式標準化等，同時針對觀測值進行模型修正。

（1）GPS軌道方程標準化

GPS衛(wèi)星每小時有一組獨立的星歷參數(shù)，因此需要多次進行數(shù)據(jù)的計算和處理，存在數(shù)據(jù)工作量大，工作復雜程度過高的特點，將衛(wèi)星軌道標準化處理，節(jié)約儲存空間和時間，方便進行數(shù)據(jù)處理，計算公式如下：

多組不同星歷參數(shù)對應衛(wèi)星位pi（t）表達成時間t的多項式形式，即

Pi（t）=ai0+ai1t+ai2t2+…+aintn （1）

式中：p（i）t為衛(wèi)星任意時刻位置；

t為時間；

n取參數(shù)8-10。

運用擬合的方法進行多項式求解，計算出衛(wèi)星任意時刻的位置。

擬合計算時，時間t的單位需規(guī)格化，規(guī)格化時間T為：

（2）

式中：Ti為對應于ti的規(guī)格化時間，t1和tm分別對應開始時段和結束時段。對應于t1和tm的T1及T2分別為-1和+1，對任意時刻ti有 ≤1。

（2）衛(wèi)星鐘差的標準化

星歷的衛(wèi)星鐘差，即衛(wèi)星鐘面時間與GPS標準系統(tǒng)時間之差Δts，此時間差是多個數(shù)值，需要經(jīng)過修正多項式才能求得唯一的、平滑的數(shù)據(jù)，確定衛(wèi)星發(fā)射時刻，此時可衛(wèi)星所在軌道位置，也可以實現(xiàn)各站點對衛(wèi)星時間的基準，估算相對時鐘差值，鐘差標準化多項式：

式中，a0，a1，a2為星鐘參數(shù)；t0為衛(wèi)星鐘參數(shù)的參考歷元。由多個參考歷元組成的衛(wèi)星鐘差，可以直接利用最小二乘法原理求多項式系數(shù)ai，再根據(jù)Ti計算公式求得相應時間。

（3）觀測值文件標準化

不同的GPS接收機提供的數(shù)據(jù)格式各不相同，例如測時刻的記錄，可以參考接收機參考歷元，也可以用經(jīng)改正歸算至GPS標準時間，因此，在進行基線向量解算之前，必須對文件進行標準化、格式化處理，主要處理內容包括記錄格式標準化、記錄項目標準化、采樣密度標準化和數(shù)據(jù)單位的標準化。

3.2 GPS數(shù)據(jù)基線解算

基線解算一般采用雙差觀測值的方法，即由兩個測站的原始觀測值分別在測站和衛(wèi)星間求差后所得到的觀測值。

假設在某一歷元中，對k顆衛(wèi)星進行了同步觀測，可以獲得k-1雙差觀測值，若在整個同步觀測時段內同步觀測衛(wèi)星的總數(shù)為l則整周未知數(shù)的數(shù)量為l-1。在基線解算過程中，雙差觀測值中電離層延遲和對流層延遲已經(jīng)消除，因此，基線解算參數(shù)只涉及測站的坐標參數(shù)和整周未知參數(shù)?；€解算的過程一般分三個階段，第一階段主要進行初平差，算出整周未知參數(shù)、基線向量參數(shù)實數(shù)解；在第二階段將整周未知數(shù)看成整數(shù)；在第三階段將已經(jīng)計算出來結果的整周未知數(shù)看作已知數(shù)，待定的測站坐標為未知參數(shù)，進行平差解算，求得最終解。

（1）初始平差

誤差方程方程的形成是根據(jù)雙差觀測值相關的

方程組成，然后組合為法方程，求解相應的未知數(shù)

精度信息，主要如下：

待定參數(shù)：

需計算參數(shù)的因素數(shù)陣：

單位權中誤差：

按照初始平差的計算過程進行求解，計算出來的整周未知參數(shù)XN原本應該是整數(shù)，但由于存在測值誤差、計算模型、模擬函數(shù)模型不完善的原因，計算出來的數(shù)值為實數(shù)，為了使得基線解算結果滿足要求，需要通過軟件等手段計算確定位置參數(shù)的整數(shù)值。

（2）整周未知參數(shù)的確定

整周未知數(shù)的計算方法和模型很多，但是，都是基于搜索法，本文主要介紹如何運用搜索法確定整周未知參數(shù)值。

①按照首次平差計算結果的數(shù)值XN和DXNXN，讓XN中每個未知參數(shù)為為中心數(shù)據(jù)，用他們的誤差值的倍數(shù)為半徑進行搜索，確定出為位置參數(shù)的證書數(shù)值。

②以上面的計算結果為基礎，從位置參數(shù)計算結果中選取整數(shù)作為被選組，并將這些數(shù)值作為已知數(shù)，在基線方程中進行求解，計算相應的基線向量解。

③在計算出的基線向量解中，讓單位權重誤差值最小基線向量解作為整數(shù)解解算結果。

在計算過程中，可能出現(xiàn)整周未知參數(shù)無法確定，其可靠程度小于一定的數(shù)值時候，無法求得未知基線向量的整數(shù)解，即：

（3）確定基向量固定解

基向量的固定解計算相對容易，只要按照以上步驟求解出周知參數(shù)，與此對應的向量就可以作為基線向量的整數(shù)解。

4 影響GPS計算結果因素分析及策略

按照GPS基線解算程序和過程，影響GPS計算結果的因素主要包括：衛(wèi)星觀測時間太短、多路徑效應嚴重、周跳太多、基線起點坐標不準確、對流層或電離層折射影響過大等，根據(jù)多年測量工作經(jīng)驗，針對以上問題，提出如下解決的辦法：

（1）基線解算時所設定的初始點坐標不準確針對基線解算初始點坐標不準確問題，可以用兩種方法進行解決：一是在進行基線解算的時候，選取精度較高的點作為基線起算點，或是通過長時間的進行單點定位，運用WGS-84坐標點聯(lián)測獲取起點坐標。二是采用整網(wǎng)的基線解算時候，所有基線起點坐標均為一個點位坐標，這樣基線計算結果均具有某一系統(tǒng)偏差，在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中，運用系統(tǒng)參數(shù)處理方法進行處理。

（2）衛(wèi)星觀測時間短，整周未知數(shù)無法準確確定

針對衛(wèi)星觀測時間短的問題，判斷時間過短只要看觀測數(shù)據(jù)記錄文件中每個衛(wèi)星的數(shù)據(jù)數(shù)量即可，也可以根據(jù)數(shù)據(jù)處理軟件輸出衛(wèi)星的可見圖，這樣會更加直觀判斷衛(wèi)星觀測時間過短的問題。針對觀測時間過短，可以對相關數(shù)據(jù)予以刪除處理，不參加基線的解算運算。

如果在數(shù)據(jù)比較充足的情況下，可以對時間較短的數(shù)據(jù)予以刪除處理，這些數(shù)據(jù)不能參加基線解算運算。

（3）周跳太多的解決方法

針對周跳過多的問題，可以通過基線解算后殘差數(shù)值進行分析，當某測站的觀測值中含有周跳數(shù)據(jù)時，雙差觀測值就會出現(xiàn)成倍增加的現(xiàn)象，由此可以判斷周跳的存在。

針對多顆衛(wèi)星相同的時間段內發(fā)生周跳時，可用刪除周跳嚴重時間段方法改善計算結果的質量；若個別衛(wèi)星發(fā)生周期性的周跳，可以使用直接刪除周跳衛(wèi)星觀測值的方法改善計算結果。

（4）流層或電離層折射影響過大

對于對流層或電離層折射影響過大問題，可采用下列兩種方法予以解決：一是將截止高度角角度進行調整，提高相應的角度，這樣可以直接刪除電離層低角度的觀測數(shù)據(jù)，但是，由于高角度的信號不一定受到電離層的影響最大，因此，運用這種方法進行判斷也并非十分準確和科學。二是針對延遲進行模型修正，模型修正是建立在實際觀測數(shù)據(jù)之上，對于雙頻觀測值可以直接進行基線解算，具有較高科學性。

5 結束語

綜上所述，GPS技術具有許多優(yōu)點，在城市工程測量工作中的應用也日益廣泛。但GPS技術測量數(shù)據(jù)處理仍存在一些不足之處，影響到測量結果的準確性。因此，測量人員應進一步提高對GPS技術的認識，通過分析影響GPS測量數(shù)據(jù)計算的因素，制定出科學的應對策略，最大限度提高GPS測量數(shù)據(jù)結果的準確性。

參考文獻：

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