靜態(tài)GPS 基線解算經(jīng)驗(yàn)之我談

1、靜態(tài)GPS基線解算經(jīng)驗(yàn)之我談（2.5版）郭仁安（福建省八閩測繪院 福建 廈門 361012） 摘要GPS測量采用的技術(shù)與傳統(tǒng)測量采用的方法有著本質(zhì)的不同。想要獲取高精度的GPS測量成果，必須深刻理解GPS測量方法和原理，掌握觀測和數(shù)據(jù)處理的方法。本文主要論述了靜態(tài)GPS內(nèi)業(yè)基線處理的一些經(jīng)驗(yàn)與技巧，對提高GPS成果精度有事半功倍之效。關(guān)鍵詞GPS 基線 靜態(tài) 經(jīng)驗(yàn) 高度角 星歷 1.引言隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，它的應(yīng)用也越來越廣泛。目前GPS技術(shù)在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用已涉及到諸多方面：靜態(tài)GPS在控制測量中的應(yīng)用已有取代傳統(tǒng)導(dǎo)線控制的趨勢；動(dòng)態(tài)RTK技術(shù)的迅速發(fā)展更是在工程放樣、地形測圖等方

2、面廣泛應(yīng)用，極大地提高了外業(yè)效率。GPS具有精度高、速度快、通用性強(qiáng)、便于操作、不受通視條件限制、護(hù)干擾能力強(qiáng)、可全天候作業(yè)等特點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)的充分發(fā)揮有賴于作業(yè)員的正解操作及作業(yè)技巧、經(jīng)驗(yàn)。若操作不當(dāng)，將可能獲得不到正解理解的成果。當(dāng)前基線解算軟件眾多，諸如南方測繪GPS數(shù)據(jù)處理、GPS_Vect、HDS2003數(shù)據(jù)處理、LTP GPS50以及TGOffice等都是不錯(cuò)的基線解算軟件，雖然各軟件界面設(shè)計(jì)不同，但主體功能相差不大。筆者在使用TGOffice解算基線過程中，通過發(fā)現(xiàn)問題與解決問題，對GPS有了更深刻的認(rèn)識(shí)，現(xiàn)對GPS基線解算這個(gè)最基本的過程談一談自己的一些經(jīng)驗(yàn)，供廣大同行參考。2.

3、靜態(tài)與快速靜態(tài)定位技術(shù)所謂靜態(tài)定位，就是在進(jìn)行 GPS 定位時(shí)，認(rèn)為接收機(jī)的天線在整個(gè)觀測進(jìn)程中的位置是保持不變的。也就是說，在數(shù)據(jù)處理時(shí)，將接收機(jī)天線的位置作為一個(gè)不隨時(shí)間的改變而改變的量。在測量中，靜態(tài)定位一般用于高精度的測量定位，其具體觀測模式是多臺(tái)接收機(jī)在不同的觀測站上進(jìn)行靜止同步觀測，觀察時(shí)間有幾分鐘、幾小時(shí)到數(shù)十小時(shí)不等。由于普通的靜態(tài)定位技術(shù)需要的觀測時(shí)間較長，影響了其在低等級(jí)控制測量（如三四等控制測量，I、II級(jí)導(dǎo)線等）中的競爭力，從而產(chǎn)生了快速靜態(tài)定位技術(shù)?？焖凫o態(tài)利用載波相位觀測值本身的具有的毫米級(jí)或更好的精度，故只需一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)歷元的觀測值就可滿足厘米級(jí)定位的需求。目前

4、快速靜態(tài)定位主要有下列兩種方法。2.1go and stop 法該法是首先通過初始化來確定基準(zhǔn)站和流動(dòng)站間的雙差整周模糊度。然后要求流動(dòng)站在遷站過程中保持對衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤。這樣我們就利用在連續(xù)跟蹤過程中整周模糊度保持固定不變的特性將其傳遞到待定點(diǎn)去。由于在待定點(diǎn)上無需重新確定整周模糊度，故有幾個(gè)歷元的載波相位觀測值即可在短基線上獲得厘米級(jí)精度的相對定位結(jié)果。2.2FARA法該法在觀測值非常多時(shí)，可以大大減少計(jì)算工作量。采用這種方法時(shí)所需的觀測時(shí)間稍長，例如雙頻觀測時(shí)510分鐘，單頻觀測時(shí)1020分鐘。但遷站時(shí)無需開機(jī)，只需像普通靜態(tài)定位那樣組織觀測即可。3.基線解算3.1基線解算類型3.1.1

5、單基線解 （1）定義：當(dāng)有臺(tái)GPS接收機(jī)進(jìn)行了一個(gè)時(shí)段的同步觀測后，每兩臺(tái)接收機(jī)之間就可以形成一條基線向量，共有條同步觀測基線，其中最多可以選出相互獨(dú)立的條同步觀測基線，至于這條獨(dú)立基線如何選取，只要保證所選的條獨(dú)立基線不構(gòu)成閉和環(huán)就可以了。這也是說，凡是構(gòu)成了閉和環(huán)的同步基線是函數(shù)相關(guān)的，同步觀測所獲得的獨(dú)立基線雖然不具有函數(shù)相關(guān)的特性，但它們卻是誤差相關(guān)的，實(shí)際上所有的同步觀測基線間都是誤差相關(guān)的。所謂單基線解算，就是在基線解算時(shí)不顧及同步觀測基線間誤差相關(guān)性，對每條基線單獨(dú)進(jìn)行解算。 （2）特點(diǎn)：單基線解算的算法簡單，但由于其解算結(jié)果無法反映同步基線間的誤差相關(guān)的特性，不利于后面的網(wǎng)平差

6、處理，一般只用在普通等級(jí)GPS網(wǎng)的測設(shè)中。3.1.2多基線解 （1）定義：與單基線解算不同的是，多基線解算顧及了同步觀測基線間的誤差相關(guān)性，在基線解算時(shí)對所有同步觀測的獨(dú)立基線一并解算。 （2）特點(diǎn)：多基線解由于在基線解算時(shí)顧及了同步觀測基線間的誤差相關(guān)特性，因此，在理論上是嚴(yán)密的。3.1.3基線解算過程（1）單基線解算過程：（2）利用基線解算軟件解算基線向量的過程：3.2基線解算策略3.2.1參數(shù)設(shè)置Timeline: 少數(shù)衛(wèi)星的觀測時(shí)間太短，導(dǎo)致這些衛(wèi)星的整周未知數(shù)無法準(zhǔn)確確定，此時(shí)就要剔除觀測時(shí)間太短的衛(wèi)星，不允許此數(shù)據(jù)參與解算。另外，在觀測很短時(shí)間就消失的衛(wèi)星要去掉，剛開始出現(xiàn)的前一部

7、分可去掉。有時(shí)由于衛(wèi)星的顆數(shù)較少，可以把一些衛(wèi)星有條件的保留下來。截止高度角:系統(tǒng)缺省預(yù)置的截止高度角是15度，增大截止高度角，對求解整周未知數(shù)與提高成果精度有益。因?yàn)樗邢辔坏脑肼曤S衛(wèi)星的高度角增大而降低。如果能滿足具有良好的GDOP值、衛(wèi)星數(shù)4，選擇25度截止高度角最理想。星歷:系統(tǒng)有兩種星歷：廣播星歷和精密星歷。廠方一般情況下不提供精密星歷，所以只能采用廣播星歷。如果系統(tǒng)內(nèi)已有精密星歷文件則采用精密星歷。解算類型:系統(tǒng)支持三種解算類型：編碼、浮動(dòng)及固定。編碼解算類型一般不用，做靜態(tài)GPS測量選擇固定解。如果基線解算是浮動(dòng)的則必須通過修改各參數(shù)讓它為固定解。對流層模型:系統(tǒng)有六種對流層模型

8、可供選擇，當(dāng)經(jīng)過試驗(yàn)或幾次作業(yè)的驗(yàn)證與探討，認(rèn)為某種模型適合某一測區(qū)時(shí)，可選擇最實(shí)用的一種。如果對這幾種模型都不熟悉，則可選擇系統(tǒng)默認(rèn)模型。電流層模型:電流層模型有兩個(gè)值控制：模糊度解算通過與最后通過。如果對電流層模型的選擇不清楚，應(yīng)選擇系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置。其他:其他參數(shù)包括：靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、全部、質(zhì)量、事件、OTF搜索。這些參數(shù)一般采用系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置即可。對于某些科研項(xiàng)目可適當(dāng)選擇修改。3.2.2分組解算由于基線長短不同，解算模式有區(qū)別，比如超過20km的基線不解算整周未知數(shù)，若將觀測時(shí)間長短不同、基線距離不同的所有觀測數(shù)據(jù)混為一組解，會(huì)出現(xiàn)大量的短基線也不能解出整周未知數(shù)的異?，F(xiàn)象。因觀測時(shí)間的長短對

9、基線的解算精度有影響，隨著內(nèi)業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)積累，可根據(jù)觀測時(shí)間的長短不同，對GPS成果的精度要求不同，靈活、適當(dāng)?shù)倪x擇計(jì)算參數(shù)與處理方法，并使設(shè)計(jì)、觀測及計(jì)算處理達(dá)到最優(yōu)。根據(jù)筆者在實(shí)際作業(yè)過程中積累的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為較為理想的分組方案是：a.按基線距離分，小于10km的基線分為一組，10km至20km的基線分為一組；大于20km的基線分為一組。b.按觀測時(shí)間的長短分，60分鐘以下分為一組；60分鐘至120分鐘可分為一組；120分鐘以上分為一組。3.3基線解算結(jié)果的質(zhì)量評定指標(biāo)3.3.1單位權(quán)方差因子: ，反映觀測值的質(zhì)量，又稱為參考方差因子。越小越好。 3.3.2RMS - 均方根誤差： ，表明了觀測

10、值的質(zhì)量，觀測值質(zhì)量越好，越小，反之，觀測值質(zhì)量越差，則越大，它不受觀測條件（觀測期間衛(wèi)星分布圖形）的好壞的影響。3.3.3數(shù)據(jù)刪除率：在基線解算時(shí)，如果觀測值的改正數(shù)大于某一個(gè)閾值時(shí)，則認(rèn)為該觀測值含有粗差，則需要將其刪除。被刪除觀測值的數(shù)量與觀測值的總數(shù)的比值。數(shù)據(jù)刪除率從某一方面反映出了GPS原始觀測值的質(zhì)量。數(shù)據(jù)刪除率越高，說明觀測值的質(zhì)量越差。 3.3.4RATIO：ATIO值為在采用搜索算法確定整周未知數(shù)參數(shù)的整數(shù)值時(shí)，產(chǎn)生次最小的單位權(quán)方差與最小的單位權(quán)方差的比值。反映了所確定出的整周未知數(shù)參數(shù)的可靠性，這一指標(biāo)取決于多種因素，既與觀測值的質(zhì)量有關(guān)，也與觀測條件的好壞有關(guān)。3.3

11、.5RDOP: RDOP值指的是在基線解算時(shí)待定參數(shù)的協(xié)因數(shù)陣的跡的平方根， RDOP值的大小與基線位置和衛(wèi)星在空間中的幾何分布及運(yùn)行軌跡（即觀測條件）有關(guān)，當(dāng)基線位置確定后，RDOP值就只與觀測條件有關(guān)了，而觀測條件又是時(shí)間的函數(shù)，因此，實(shí)際上對與某條基線向量來講，其RDOP值的大小與觀測時(shí)間段有關(guān)。表明了GPS衛(wèi)星的狀態(tài)對相對定位的影響，即取決于觀測條件的好壞，它不受觀測值質(zhì)量好壞的影響。    3.3.6同步環(huán)閉合差: 同步環(huán)閉合差是由同步觀測基線所組成的閉合環(huán)的閉合差。由于同步觀測基線間具有一定的內(nèi)在聯(lián)系，從而使得同步環(huán)閉合差在理論上應(yīng)總是為0的，如果同步

12、環(huán)閉合差超限，則說明組成同步環(huán)的基線中至少存在一條基線向量是錯(cuò)誤的，但反過來，如果同步環(huán)閉合差沒有超限，還不能說明組成同步環(huán)的所有基線在質(zhì)量上均合格。 3.3.7異步環(huán)閉合差: 由獨(dú)立基線所組成的閉合環(huán)稱為異步閉合環(huán)，簡稱異步環(huán)異步環(huán)的閉合差稱為異步環(huán)閉合差。當(dāng)異步環(huán)閉合差滿足限差要求時(shí)，則表明組成異步環(huán)的基線向量的質(zhì)量是合格的；當(dāng)異步環(huán)閉合差不滿足限差要求時(shí)，則表明組成異步環(huán)的基線向量中至少有一條基線向量的質(zhì)量不合格，要確定出哪些基線向量的質(zhì)量不合格，可以通過多個(gè)相鄰的異步環(huán)或重復(fù)基線來進(jìn)行。3.3.8重復(fù)基線較（互）差: 不同觀測時(shí)段，對同一條基線的觀測結(jié)果，就是所謂重復(fù)基線。這些觀測結(jié)果之間的差異，就是重復(fù)基線較（互）差。當(dāng)重復(fù)基線較（互）差滿足限差要求時(shí)，則表明這些基線向量的質(zhì)量是合格的；否則，則表明這些基線向量中至少有一條基線向量的質(zhì)量不合格，要確定出哪些基線向量的質(zhì)量不合格，可以通過多重條件進(jìn)