GPS数据处理课程总结

《GPS数据处理》课程总结报告

班级：地101

学号：2103071011122

姓名：宋楠

成绩：

北京建筑工程学院.测绘与城市空间信息学院

二零一三年. 五月

1.GPS数据采集的基本作业流程

①收集资料

②选点（观测站址的选择）、埋石

③GPS接收机的选用及仪器检验

④拟定作业计划（分区观测、卫星可见性预报及观测时段的选择、调度命令）

⑤观测（预热与静置、对中、定向、整平、量仪器高、拆除觇标、观测、记录）

⑥外业数据质量检核、重测和补测

2.GPS数据处理涉及的计算公式

①观测方程

在空间直角坐标系下, GPS 基线向量观测值与基线两端点之间的数学关系为:

式中: 为i点的空间直角坐标向量; 为j点的空间直角坐标向量;为i点至j点的基线向量。

利用上述数学关系, 可以很容易地得出地心地固系下空间直角坐标形式的基线向量观测方程:

若令:, 为基线向量观测值;, 为基线向量

观测值的改正数;, 为i 点坐标向量的估值;, 为j 点坐标向量估值。则可以将地心地固系下采用直角坐标形式表示的基线向量观测方程表示为:

②误差方程

根据在地心地固系下空间直角坐标形式的基线向量观测方程, 并令:

式中: 为i点空间直角坐标向量的近似值;为相应的改正数向量;为j 点

坐标向量的近似值; 为相应的改正数向量; 为由基线两端点的坐标近似

值计算出来的基线向量的近似值( 计算值) 。则可导出地心地固系下空间直角坐标形式的基线向量误差方程:

也可将该误差方程写成如下形式:

利用空间直角坐标与大地坐标间的微分关系可以得出在GPS 网平差中, 点k的大地坐标向量改正数

与空间直角坐标向量改正数的关系为:

或

将此关系代入空间直角坐标系下基线向量的误差方程, 可得出地心地固系下大地坐标形

式的基线向量误差方程:

③单基线解模式：

在每一个单基线解中仅包含一条基线向量的估值, 可表示为:

单基线解基线向量估值的验后方差-协方差阵具有如下形式:

式中:σΔXi 2, σΔYi2, σΔZ i2分别为基线向量i 各分量的方差;σΔXiΔYi , σΔXiΔZ i , σΔYiΔZ i , σΔYiΔXi , σΔZ iΔXi ,σΔZ iΔYi分别为基线向量i 各分量间的协方差, 且有

σΔXiΔYi = σΔYiΔXi , σΔXiΔZi = σΔZ iΔXi , σΔYiΔZi =σΔZ iΔYi。

所有参与构网的基线向量提供了下列信息:

式中, B 为所有参与构网的基线向量, DB 为相应的方差-协方差阵。

④多基线解模式：

在一个基线向量的多基线解中, 含有mi - 1 条函数独立的基线向量, 具有如下形式:

式中: mi 为进行同步观测的接收机数量; bi , k为第k 条基线向量, 具有如下形式:

对于上述一个基线向量多基线解中的mi - 1 条基线向量估值, 其验后方差-协方差阵具有如下形式:

式中, dbi, k, bi, l为基线向量k, l 间的协方差子阵, 具有如下形式:

所有参与构网的基线向量提供了下列信息:

在以上两式中, B 为参与构网的所有基线向量, DB 为相应的方差-协方差阵。

⑤三维无约束平差

误差方程

基准方程:或

⑥三维约束平差

基本观测方程:

误差方程：

3.GPS数据处理的质量检验方法与公式

⑴数据删除率:根据GB/T18314-2009 同一时段观测值的数据剔除率宜小于10%

⑵同步环闭合差：根据GB/T18314-2009，应对所有三边同步环进行检验，闭合差宜满足如下的要求：

σ为对基线测量中误差的要求（按网的实际平均变长计算）

⑶异步环闭合差：根据GB/T18314-2009，B、C、D、E级GPS网外业基线处理结果，其独立环或附合路线坐标闭合差应满足如下的要求：

n为闭合环边数：σ为对基线测量中误差的要求（按网的实际平均变长计算）Ws 为闭合差矢量, 即

⑷复测基线较差（重复基线互差）:根据GB/T18314-2009，B级网基线外业预处理和C级以下

各级GPS网基线处理，复测基线长度较差ds、两两比较应满足下式的规定：

σ为对基线测量中误差的要求(按网的实际平均变长计算)

⑸精处理后基线分量及边长的重复性:

AA、A、B 级基线向量的分量Δx、Δy、Δz 及边长s的重复性检验。

重复性的定义为:

式中: n 为同一基线的总观测时段数; Ci 为一个时段所求得的基线分量及边长; 为相应于ci分量的方差; Cm 为各时段的加权平均值。其中, 对边长分量、北分量和东分量的重复性还需进行固定误差和比例误差的拟合, 以作为衡量基线精度的参考指标。

⑹各时段间的较差:对于AA、A、B 级基线而言, 各时段间的较差应满足下式:

AA、A、B 级基线进行基线向量精处理后, 独立环闭合差或附合路线的坐标分量闭合

差应满足下列条件:

而

式中: r 为环线中的基线数, ( c = Δx, Δy, Δz) 为环线中第i 条基线c 分量的方差, 由基线处理时输

出。

⑺环线全长闭合差满足:

⑻网无约束平差基线向量残差：

(9)残差检验：

或

(10)无约束平差：基线分量的改正数绝对值应满足：

(11)约束平差：基线分量的相应改正数较差绝对值应满足：

σ2

≤

σ2

≤

σ2

≤

(12)单位权方差的检验：

在平差完成后, 需要进行单位权方差估值的检验。它应与平差前的先验单位权方差

一致, 判断它们是否一致可采用检验。检验方法为:

原假设备选假设

若

其中α为显著性水平, 则H0 成立, 检验通过; 反之, 则H1 成立, 检验未通过。

4.GPS数据处理的基本流程

5.GPS商业处理软件的使用

5.1 Trimble软件的使用

①用样本数据模块建立项目

②输入样本数据文件

③处理GPS基线（处理潜在的基线、评估解算结果）

④查阅GPS 基线处理报告

⑤GPS环的闭合差

⑥最小约束网平差（显示点的误差椭圆、在网中固定一个控制点、实施最小约束网平差、查阅网平差结果）

⑦查看RTK和常规测量数据，输出数据

5.2 Compass软件的使用

①安装，注意安装完毕按照说明进行破解。并且不能安装在中文目录名内，而且英文字符不能超过8位。

②安装完毕运行首先进行单位设置，推荐使用国际单位SI标准，方法是点击Utilities菜单，选择units 再调入预设的SI单位集合即可，注意此时狗腿度的单位是度/30m，可以根据个人习惯进行调整。

③第一次使用首先建立一个新公司（company）如二勘、六勘等等，注意在company对话框内一定要选择中国钻井行业规定的标准－曲率半径法（Radius of Curvature），并且根据需要选择坐标的原点（Co-ordinate）是区块(site)的中心还是井口（slot）的中心。如果不涉及防碰，不需要比较两井的相当位置时，建议选择井口的中心作为原点。

④建立一个油田（field）如胜利、大庆、塔指等等。

⑤建立一个区块（site）如哈得、塔河等等。可以输入本区块的中心坐标（如果愿意）。

⑥建立一口井（well），名字用井号如：轮古37等等，并输入本井的井口坐标。

⑦建一个轨道（wellpath），一口井可以建立数个轨道。并可以指定其中的一个为确定的（definitive）轨道。

⑧选择EDIT(编辑)－Wellpath（轨道）－targets（靶点）菜单（或直接点工具栏的按钮），进入靶点设计，输入靶点的名字、垂深、坐标、形状，保存退出。

⑨选择Planning－new plan菜单，输入轨道设计的名字和起始点，进行轨道设计。

⑩选择Survey－new survey菜单，输入测量过程的名字和起始点，进行实际测量的参数计算。

Ps：实际使用过程中，每进行一次测量都要重复9的过程建立一个以最后测量点为起点的新设计，随时调整下一步的定向方式。

6.RINEX格式的作用

RINEX格式已经成为了GPS测量应用等的标准数据格式，几乎所有测量型GPS接收机厂商都提供将其格式文件转换为RINEX格式文件的工具，而且几乎所有的数据分析处理软件都能够直接读取RINEX格式的数据。这意味着在实际观测作业中可以采用不同厂商、不同型号的接收机进行混合编队，而数据处理则可采用某一特定软件进行。

7.RINEX格式的观测文件读取程序说明

基于matlab语言开发程序。

Rinex格式文件：

由程序命令一个字串一个字串的进行，然后根据文件头的取舍将有效数据重新组合平面数据矩阵（二维）或立体数据矩阵（三维）。一般情况下，当读取指定的字符串（如“END OF HEADER”）时，即开始读取有效数据，在上述观测文件和导航文件中，有效数据为字符串“END OF HEADER”以后的数据

相关函数：

fopen 开启所要读取的文件

fscanf 读取所开启文件中的资料

textread 读取所开启的文本文件中的资料

strcmp 比较两字串是否相同

8.RINEX格式的导航文件读取程序说明

同样基于matlab语言程序。

因观测文件和上述星历文件的头文件包含的信息量不同，观测头文件中包含有很多有效

信息，所以必须对头文件进行必要的细致读取。认为主要是1) “ANTENNA: DELTA H/E/N”2)“'APPROX POSITION XYZ”3) “# / TYPES OF OBSERV”，这三行数据对整个数据把握和以后的运算有帮助。

在读主要的观测值时，采用的思路也是将所有的观测值看做是全矩阵（立体）的矩阵组成，将同历元的数据放在一个二维矩阵中，有n颗卫星，m类观测值如载波相位观测值、伪

距观测值、多普勒观测值等，然后将所有的观测值进行组装。最终形成7×７×31的一个大型矩阵，因最终进行计算的时候为了循环的需要，同时对应于按照时间的顺序组织矩阵，所以要对这一中间过程进行排序（按照星历文件卫星号的排列顺序）。

根据所需要的定位方式（载波定位、伪距定位等），合理的对读取数据的结果进行取舍，方式就是根据行列号提取或者将所选以外的数据进行赋值为空（NULL）。

9.GPS单点坐标计算公式及流程图

①计算卫星运动的平均角速度n

n = n0 + Δn

②计算观测瞬间卫星的平近点角M

M =M0 + n( t - TOE)

③计算偏近点角

E = M+ esinE E°=M°+ ρ°·esinE°

④计算真近点角f

⑤计算升交距角u′

u′= ω+ f

⑥计算摄动改正项δu , δr , δ

⑦对u′、r′、i0 进行摄动改正

⑧计算卫星在轨道面坐标系中的位置

⑨计算观测瞬间升交点的经度L

⑩计算卫星在瞬时地球坐标系中的位置

(11)计算卫星在协议地球坐标系中的位置

10.个人课程总结【1000字】

时光飞逝，日月如梭，转眼间已经到了学期的中旬，而我们为期八周的《GPS数据处理》的课程也接近了尾声。经过这个学期的学习，我不仅巩固了上个学期《全球定位系统》的理论基础，还加强了对GPS数据处理的技能。

与大部分的测量任务一样，由GPS进行数据采集了之后也是要经过一系列的数据处理之后才能得到可用的数据结果的。由于GPS接收机采集到的是地面接收天线到卫星的距离和卫星星历等与常规测量技术测量所得到的地面店见的相对关系不同的量，并且GPS测得的成果是基于WGS-84坐标系，这与使用者需要的本国或某一地区的点位坐标不同，所以要得到有使用价值的量测定位成果，测量后的数据处理是极为复杂且不可缺少的。

如上面写到的，数据处理一般先要将GPS数据进行预处理以对数据进行平滑滤波检验、剔除粗差，统一数据文件格式并将各类数据加工成标准化文件，找出整周跳变点并修复观测值，对观测值进行各种模型改正，包括GPS卫星轨道方程的标准化，卫星种茶的标准化和

观测值文件的标准化等；然后再进行GPS基线向量的解算，包括单基线解算和多基线解算；下一步进行网平差，网平差的步骤包括约束平差、无约束平差和联合平差；最后还要进行质量分析与控制，完成GPS数据的处理报告，再根据实际生产需要，转化为当地的坐标。其中GPS数据的质量分析与控制一般涉及到数据删除率、同步环闭合差、异步环闭合差、复测基线较差、精处理后基线分量及边长的重复性、各时段间的较差等几个指标。

并且我们了解学会了compass、TGO这两个软件的基本操作，能够使用这两个软件进行简单的操作。同时，我们接触了一种叫RINEX的数据格式，并学会了编写RINEX格式的观测文件的读取程序以及编写RINEX格式的导航文件读取的程序。指的一提的是，RINEX 是一种在GPS测量应用的标准数据格式，几乎所有测量型GPS接收机厂商都提供将其专有格式文件转换为RINEX格式文件的文件转换工具，同时，几乎所有的数据分析处理软件都能够直接读取RINEX格式的数据。这意味着我们在实际观测作业中可以采用不同厂商不同型号的接收机进行混合编队，同时数据处理可采用某一特定软件进行。经过不断的修订和完善，目前应用最为普遍的是RINEX格式的第2版，该版本增加了可用于包括静态和动态GPS 测量在内的不同观测模式数据的功能。

同时，我对GPS数据采集的基本作业流程更加熟悉了，更加熟练的掌握了GPS数据处理中涉及到的计算公式以及GPS数据处理的质量检验的具体方法。

总而言之，虽然只有短短的八次课，我学到的东西却很多，不仅是课程方面的学习，我还认识到了我现在的知识是多么的有限，学习是无止境的。最后我还要感谢老师的不辞辛劳的备课和讲课，并且在处理数据时候遇到的困难老师并不是直接帮助我们解决，而是循循渐进一步步提示我们然后让我们自己去思考该怎么解决这个问题然后总结这个问题发生的原因以及解决的方法，正如俗话说的，授人以鱼不如授人以渔。