覃能

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

關(guān)鍵詞：GPS技術(shù)；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(jì)建設(shè)步伐的加快，許多高新科學(xué)技術(shù)得到進(jìn)一步的發(fā)展，計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)為代表的電子信息技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，這對應(yīng)用領(lǐng)域的硬件、軟件開發(fā)都產(chǎn)生了較大的影響。GPS技術(shù)作為一種新型的全球定位系統(tǒng)核心技術(shù)，具有精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、靈活性高、操作方便、處理效率高和成本低等優(yōu)點(diǎn)，它改變了以往傳統(tǒng)的測量模式及習(xí)慣，能夠快速、準(zhǔn)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(jié)果的準(zhǔn)確性及施測效率，為城市工程的測量工作提供了科學(xué)的參考依據(jù)，近年來GPS技術(shù)在眾多測量領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也得到了不斷的擴(kuò)大。本文通過分析GPS技術(shù)測量數(shù)據(jù)的計(jì)算過程，希望對拓展GPS技術(shù)的應(yīng)用有所幫助。

2 GPS技術(shù)概況

全球定位系統(tǒng)（GPS）自研制成功以來，在應(yīng)用基礎(chǔ)的研究、應(yīng)用領(lǐng)域的開拓、硬件和軟件的開發(fā)等方面，都得到廣泛的應(yīng)用和蓬勃發(fā)展。GPS定位系統(tǒng)是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電三維導(dǎo)航系統(tǒng)，具有定位精度高、速度快、費(fèi)用省、全天候、操作簡便等特點(diǎn)，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(lǐng)域發(fā)展意義重大。在我國，GPS的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到軍事、科研、礦業(yè)開發(fā)等各個(gè)領(lǐng)域，尤其是在大型測量工作中更體現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)越性。

3 GPS測量數(shù)據(jù)計(jì)算

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

3.1 GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理

在進(jìn)行GPS原始數(shù)據(jù)計(jì)算之前，首先需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的平滑性檢驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)化處理，將各種數(shù)據(jù)處理成為標(biāo)準(zhǔn)化文件格式，主要包括S衛(wèi)星軌道方程的標(biāo)準(zhǔn)化，衛(wèi)星時(shí)鐘鐘差標(biāo)準(zhǔn)化和文件格式標(biāo)準(zhǔn)化等，同時(shí)針對觀測值進(jìn)行模型修正。

（1）GPS軌道方程標(biāo)準(zhǔn)化

GPS衛(wèi)星每小時(shí)有一組獨(dú)立的星歷參數(shù)，因此需要多次進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理，存在數(shù)據(jù)工作量大，工作復(fù)雜程度過高的特點(diǎn)，將衛(wèi)星軌道標(biāo)準(zhǔn)化處理，節(jié)約儲存空間和時(shí)間，方便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算公式如下：

多組不同星歷參數(shù)對應(yīng)衛(wèi)星位pi（t）表達(dá)成時(shí)間t的多項(xiàng)式形式，即

Pi（t）=ai0+ai1t+ai2t2+…+aintn （1）

式中：p（i）t為衛(wèi)星任意時(shí)刻位置；

t為時(shí)間；

n取參數(shù)8-10。

運(yùn)用擬合的方法進(jìn)行多項(xiàng)式求解，計(jì)算出衛(wèi)星任意時(shí)刻的位置。

擬合計(jì)算時(shí)，時(shí)間t的單位需規(guī)格化，規(guī)格化時(shí)間T為：

（2）

式中：Ti為對應(yīng)于ti的規(guī)格化時(shí)間，t1和tm分別對應(yīng)開始時(shí)段和結(jié)束時(shí)段。對應(yīng)于t1和tm的T1及T2分別為-1和+1，對任意時(shí)刻ti有 ≤1。

（2）衛(wèi)星鐘差的標(biāo)準(zhǔn)化

星歷的衛(wèi)星鐘差，即衛(wèi)星鐘面時(shí)間與GPS標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)間之差Δts，此時(shí)間差是多個(gè)數(shù)值，需要經(jīng)過修正多項(xiàng)式才能求得唯一的、平滑的數(shù)據(jù)，確定衛(wèi)星發(fā)射時(shí)刻，此時(shí)可衛(wèi)星所在軌道位置，也可以實(shí)現(xiàn)各站點(diǎn)對衛(wèi)星時(shí)間的基準(zhǔn)，估算相對時(shí)鐘差值，鐘差標(biāo)準(zhǔn)化多項(xiàng)式：

式中，a0，a1，a2為星鐘參數(shù)；t0為衛(wèi)星鐘參數(shù)的參考?xì)v元。由多個(gè)參考?xì)v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(xiàng)式系數(shù)ai，再根據(jù)Ti計(jì)算公式求得相應(yīng)時(shí)間。

（3）觀測值文件標(biāo)準(zhǔn)化

不同的GPS接收機(jī)提供的數(shù)據(jù)格式各不相同，例如測時(shí)刻的記錄，可以參考接收機(jī)參考?xì)v元，也可以用經(jīng)改正歸算至GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，因此，在進(jìn)行基線向量解算之前，必須對文件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、格式化處理，主要處理內(nèi)容包括記錄格式標(biāo)準(zhǔn)化、記錄項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)化、采樣密度標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)單位的標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(shè)在某一歷元中，對k顆衛(wèi)星進(jìn)行了同步觀測，可以獲得k-1雙差觀測值，若在整個(gè)同步觀測時(shí)段內(nèi)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(biāo)參數(shù)和整周未知參數(shù)。基線解算的過程一般分三個(gè)階段，第一階段主要進(jìn)行初平差，算出整周未知參數(shù)、基線向量參數(shù)實(shí)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(jì)算出來結(jié)果的整周未知數(shù)看作已知數(shù)，待定的測站坐標(biāo)為未知參數(shù)，進(jìn)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(guān)的

方程組成，然后組合為法方程，求解相應(yīng)的未知數(shù)

精度信息，主要如下：

待定參數(shù)：

需計(jì)算參數(shù)的因素?cái)?shù)陣：

單位權(quán)中誤差：

按照初始平差的計(jì)算過程進(jìn)行求解，計(jì)算出來的整周未知參數(shù)XN原本應(yīng)該是整數(shù)，但由于存在測值誤差、計(jì)算模型、模擬函數(shù)模型不完善的原因，計(jì)算出來的數(shù)值為實(shí)數(shù)，為了使得基線解算結(jié)果滿足要求，需要通過軟件等手段計(jì)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(jì)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(yùn)用搜索法確定整周未知參數(shù)值。

①按照首次平差計(jì)算結(jié)果的數(shù)值XN和DXNXN，讓XN中每個(gè)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(jìn)行搜索，確定出為位置參數(shù)的證書數(shù)值。

②以上面的計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，從位置參數(shù)計(jì)算結(jié)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(jìn)行求解，計(jì)算相應(yīng)的基線向量解。

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

在計(jì)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(shí)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(jì)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(yīng)的向量就可以作為基線向量的整數(shù)解。

4 影響GPS計(jì)算結(jié)果因素分析及策略

按照GPS基線解算程序和過程，影響GPS計(jì)算結(jié)果的因素主要包括：衛(wèi)星觀測時(shí)間太短、多路徑效應(yīng)嚴(yán)重、周跳太多、基線起點(diǎn)坐標(biāo)不準(zhǔn)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(yàn)，針對以上問題，提出如下解決的辦法：

（1）基線解算時(shí)所設(shè)定的初始點(diǎn)坐標(biāo)不準(zhǔn)確針對基線解算初始點(diǎn)坐標(biāo)不準(zhǔn)確問題，可以用兩種方法進(jìn)行解決：一是在進(jìn)行基線解算的時(shí)候，選取精度較高的點(diǎn)作為基線起算點(diǎn)，或是通過長時(shí)間的進(jìn)行單點(diǎn)定位，運(yùn)用WGS-84坐標(biāo)點(diǎn)聯(lián)測獲取起點(diǎn)坐標(biāo)。二是采用整網(wǎng)的基線解算時(shí)候，所有基線起點(diǎn)坐標(biāo)均為一個(gè)點(diǎn)位坐標(biāo)，這樣基線計(jì)算結(jié)果均具有某一系統(tǒng)偏差，在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中，運(yùn)用系統(tǒng)參數(shù)處理方法進(jìn)行處理。

（2）衛(wèi)星觀測時(shí)間短，整周未知數(shù)無法準(zhǔn)確確定

針對衛(wèi)星觀測時(shí)間短的問題，判斷時(shí)間過短只要看觀測數(shù)據(jù)記錄文件中每個(gè)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(shí)間過短的問題。針對觀測時(shí)間過短，可以對相關(guān)數(shù)據(jù)予以刪除處理，不參加基線的解算運(yùn)算。

如果在數(shù)據(jù)比較充足的情況下，可以對時(shí)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(yùn)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(jìn)行分析，當(dāng)某測站的觀測值中含有周跳數(shù)據(jù)時(shí)，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(shí)間段內(nèi)發(fā)生周跳時(shí)，可用刪除周跳嚴(yán)重時(shí)間段方法改善計(jì)算結(jié)果的質(zhì)量；若個(gè)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(jì)算結(jié)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(jìn)行調(diào)整，提高相應(yīng)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(yùn)用這種方法進(jìn)行判斷也并非十分準(zhǔn)確和科學(xué)。二是針對延遲進(jìn)行模型修正，模型修正是建立在實(shí)際觀測數(shù)據(jù)之上，對于雙頻觀測值可以直接進(jìn)行基線解算，具有較高科學(xué)性。

5 結(jié)束語

綜上所述，GPS技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)，在城市工程測量工作中的應(yīng)用也日益廣泛。但GPS技術(shù)測量數(shù)據(jù)處理仍存在一些不足之處，影響到測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，測量人員應(yīng)進(jìn)一步提高對GPS技術(shù)的認(rèn)識，通過分析影響GPS測量數(shù)據(jù)計(jì)算的因素，制定出科學(xué)的應(yīng)對策略，最大限度提高GPS測量數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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