关于GPS数据处理软件的思考

2012-08-15蒲仁虎

科技视界 2012年26期

关键词：网平数据处理基线

李伟蒲仁虎

（1.中国人民解放军西藏军区77535部队西藏拉萨 850000；2.四川建筑职业技术学院四川德阳 618000）

关于GPS数据处理软件的思考

李伟1蒲仁虎2

（1.中国人民解放军西藏军区77535部队西藏拉萨 850000；2.四川建筑职业技术学院四川德阳 618000）

当今测绘科学研究以及工程实践中GPS占有着举足轻重的地位。尤其是在控制测量中，GPS以其高度的外业智能化和数据处理的自动化将这个领域牢牢占据。其中GPS数据处理软件的应用就成了控制测量的主要要解决的问题。本文将重点放在软件应用问题上面。

GPS；数据处理

GPS（Globe Position System）全球定位系统是由美军的子午卫星导航系统发展而来，子午卫星导航系统是为了满足美海军核潜艇实现全球导航而实施的计划。正是基于该系统在导航和民用方面取得的成功和存在的问题，美国才开始实施了GPS计划。GPS是一个非常成熟的系统，不仅在军事上能够实现精确定位，在民用的各个领域也能达到很高的精度。比如利用相对定位的方法，对于上百千米的基线可以实现测距精度为毫米级。

1 GPS系统概述

1.1 GPS系统构成

GPS系统由GPS空间卫星、地面监控及接收机三部分组成。空间卫星部分由约30颗卫星组成，包括工作卫星及预备卫星，其作用是发射载波等信号，同时充当一个移动的已知控制点。地面监控部分是整个系统的神经中枢，主要的作用是监测和控制整个系统的运行及轨道参数等的注入。从而实现卫星沿理想轨道运行。接收机部分是定位系统的用户使用部分，通过接收机的工作可以完成三维坐标的采集。

1.2 GPS定位原理

GPS定位有多种分类，按照其定位原理可以分为绝对定位和相对定位，按照接收机的运动状态可以分为动态定位和静态定位等等。这里仅仅介绍静态相对定位原理，因为只有这种定位是目前GPS定位精度最高且在控制测量领域应用最广也是对数据处理软件要求相对较高的一种定位方式。

GPS静态相对定位原理实质上是一个空间后方交会测量。此方法是将空间的一组卫星视为固定的已知点。通过接收卫星的载波信号和电文从而建立测站点和卫星间的伪距方程，由伪距方程（测相）通过同步观测值求差的方式建立常见的双差观测方程，从而达到消除或减弱观测方程未知数的目的。最后求解的未知数变为了三个坐标差未知数和一个整周未知数，再由一组双差观测方程利用线性代数的方法可以求解出坐标差向量，即基线的空间向量值。由空间向量计算出的基线距离，其误差可以达到毫米级。在知道基线其中一个点三维坐标的情况下可以直接求解出另一个点的坐标。

2 GPS数据处理软件使用

2.1 GPS数据处理简介

GPS数据处理包括的过程有：数据预处理，基线结算，网平差。首先数据预处理就是将原始观测数据经过去噪或者平滑滤波处理，最终统一数据文件格式，便于GPS数据处理标准化。基线处理指的的是通过差分观测模型将基线向量以坐标差位置向量的形式求解出来，为后续的数据处理奠定基础。此过程要做的检核有多种，但是其中的三种即：同步环闭合差，异步环闭合差和复测基线较差是必须要做的三种检核。当所有的检核都满足相应规范精度要求时即完成了基线解算。最后一个步骤就是网平差，所谓网平差就是将控制点坐标换算到相应目标坐标系下来。从本质上来说网平差就是一个坐标转换的数学运算。最常用的就是七参数转换法。

现在国内外处理静态GPS数据的软件有很多种，其中应用得最为广泛的有国外的TGO,GAMIT,莱卡等等。国内的南方软件、华测、中海达、科傻等GPS数据处理软件也日渐趋于成熟。尽管数据处理软件多种多样但是其数据处理的步骤是大致相同的。包括：数据的导入，基线解算，网平差，成果输出等。

2.2 华测软件的使用

本文以上海华测公司的COMPASS软件为例介绍其数据处理的过程。第一步，数据的导入。该软件支持多种数据格式的导入和转换。例如，天宝接收机的*.dat原始数据文件及GPS数据标准rinex格式。还包括文件名及测站点位名称和天线高等外业记录的检查。第二步，基线处理。首先要进行基线处理的设置，其中比较重要的几项设置有：截止高度角，采样间隔，RATIO警告下界，整周未知数求解模型的设置。然后直接执行基线的解算命令。本步骤结束以后进行第三个步骤即基线解算的质量控制。质量控制实际上是让基线解算后的各项质量控制指标满足规范要求，其中最复杂最重要的是根据残差图进行观测数据的修改和参数重置。第三步，进行网平差。网平差过程中要输入已知控制点坐标，即输入约束条件。已知点的个数根据平差的类型（二维和三维）有不同点选择。最后可以通过平差报告查看最后的平差结果。

2.3 GPS数据处理的质量控制指标

在GPS数据处理过程中，尤其是基线解算步骤，需要对各项统计指标进行判别。这些指标中起控制作用的指标包括：

2.3.1 同步环闭合差

三台或三台以上的GPS接收机进行同步观测所获得的基线向量（完全由同一观测时段的基线向量）所构成的闭合环的向量不符值。

理论上采用严密算法所得到的同步环，无论观测值中是否含有误差，其环闭合差必为零。（构成同步环的基线向量之间是线性相关的）。然而实践过程中算法不严密（目前大多数的商用软件均属于此种情况），其环闭合差通常不为零，但通常很小。因此此指标只做为判断基线不合格的依据，不能用于判断基线合格的依据。

2.3.2 异步环闭合差

由相互函数独立（线性无关）的基线向量所构成的闭合环称为异步环，实质上就是由不同时段观测的基线所构成的闭合环。与同步环闭合差不同，即使采用严密算法，并且计算过程中未发生错误，独立观测环的闭合差通常也不为零，也不一定是个微小量。独立观测环闭合差的大小，可作为评定基线解算结果质量的有力指标。也就是说该指标满足要求即能说明基线合格。

2.3.3 复测基线较差

所谓复测基线，就是不同观测时段观测的同一条基线。在理论上该基线的长度应该相等。但是由于环境误差、仪器误差等影响。使得同一基线不同时段解算出来的结果是有差异的。因此，复测基线较差是质量控制中的一项重要指标。

3 GPS数据处理软件待解决的问题及对策

经过对不同GPS数据处理软件的使用，发现有几项问题有待改善并将提出一些处理方法。

3.1 数据处理格式不统一

现今GPS生产厂商很多，几乎各厂商都有自己的数据处理软件。然而对于不同的接收机和不同的数据格式无法实现数据的共享和成果的交流。因此，可以通过将GPS原始数据尽量的转换为统一的数据格式。目前应用最多的就是与接收机无关的rinex格式的GPS数据。

3.2 残差图的识别与处理

前面已经提到，残差图是数据处理中一个非常有用的工具。通过残差图的识读，可以有效的过滤粗差，使得信号更加纯净。但是在残差图中，很多软件有一个缺陷。就是横轴的时间刻度不明确。例如，通过残差图的判别，只能知道在11点到12点之间存在一个不明系统误差的影响。但是具体在哪个时间刻度却不能准确的得到。因此，在软件的设计过程当中，应该对时间刻度给出精细的划分。这样就能实现残差图的精细处理。

3.3 数据处理质量控制指标的使用

就上文提到的质量控制指标，尤其是质量控制指标是数据处理后必须要满足要求的指标。而目前数据处理软件只能给出指标的值，而未能就指标满足要求与否给出是非判断。因此，在软件设计过程中应该设计质量控制指标判别模块。通过该模块可以输入目标GPS网精度等级，从而可以据此技术处相应控制指标的临界值。即可自动的完成GPS网精度的判别，实现软件智能化和自动化。