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GPS基线解算的优化技术


GPS 基线解算的优化技术
摘要:对影响 GPS 基线解算质量的主要因素进行分析和研究, 根据多年 GPS 测量实践经验, 结合实例阐明 基于 GPSuvey 软件的 GPS 基线解算的优化技术和方法。 一、引言 根据多年来的 GPS 短基线(簇 8k m)外业观测和基线数据处理的经验,即使通过选取恰当的点位来 保证良好的观测条件,进行星历预报来保证观测到的卫星数目及星

座的图形强度(GDOP-<6),但在实际 的基线解算过程中,时常会遇到基线只有浮动解而无固定解。在此情况下,对基线解算进行优化处理后通 常能够得到固定解,从而提高基线质量,避免或减少返工重测现象。 二、影响 GPS 基线解算质量的主要因素及处理措施 影响 GPS 基线解算质量的因素较多也较为复杂,如卫星的周跳、星历误差、对流层及电离层影响、 多路径误差、无线电干扰、不明因素影响及起算点误差过大等都会影响基线解算。 1. 起算点对基线解算的影响。基线解算时,需要一个点的 WGS-84 坐标作为起算,而该点的点位 精度直接影响基线解算的精度,其影响可用下式计算凡= 0 .6 x 1 0 一 4x 8 . b 式中,8m 为起算点的 坐标误差;b 为以 km 为单位的基线长度;6b 为因起算点误差而引起的基线向量误差。 边长 b 二 5k m 时, 如果要使 Sb<1m m 则要求(S,n < 3 m 。在 SA 政策取消前难以达到 3m 的绝对定位精度,随着 2000 年 5 月 1 日起 SA 政策取消,现在用测量型 GPS 接收机进行静态观测,绝对定位精度能达到或优于 1 m。 现在进行 GPS 静态测量,起算点的误差对基线解算的影响不会超过 0.3 mm. 2. 卫星整周模糊度难以确定的影响。由于个别或少数卫星观测时间太短,而导致这些卫星的整周模 糊度难以准确确定。对于参与解算的卫星,其整周模糊度不能确定,必将对这一组同步观测的基线解算带 来影响。 对于卫星观测时间过短,是非常容易识别的,因观测时间短,则观测记录的数据量就会小。解算基 线时观察卫星相位跟踪图,能直观地看到观测到的各颗卫星的出、没时间。当基线无固定解时,在基线报 告中可以看到各颗卫星的整周模糊度及其误差。 3. 确定适当的历元间隔及卫星截止高度角。一般地,对于同步观测时间较短时,可适当增加历元间 隔,让更多的数据参与基线解算;反之,可适当减少历元间隔,让更少的数据参与基线解算。既考虑到观测 的时间长短又要顾及到历元间隔(采样率),通常静态观测的采样率以巧 s 为宜。就基线解算而言,当观测 到的 GPS 卫星数目足够多时,可适当调高卫星截止高度角,让更多的高空卫星数据参与解算;反之,可适 当降低高度角,让更多的卫星数据参与解算,似乎有一定的益处。而实际上,增大高度角虽可提高相位观 测值的精度,但会使卫星图形强度变弱,影响到坐标精度,因此调高高度角是徒劳的;降低高度角,可能有 更小的中误差值,但此时对流层误差的影响特别严重,也会得不偿失。因此卫星截止高度角以 150 为好。 4. 多路径误差的影响。布设短边的小区域 GPS 控制网,多路径误差是主要的误差源之一。 文献 「 1」 对多径误差进行了研究分析, 认为如下措施有助于削弱多径误差:点位尽量避开高反射体; 选用能削弱多径误差的天线,如具有 Pinwheel 的天线;采用扼流圈天线;可能时,延长每点的观测时间, 最好在一天的不同时间观测。作者根据多年作业经验认为措施切实可行。

5. 对流层或电离层折射的影响。对于短基线,通过选择适当的计算模型,基本上可消除对流层或电 离层折射对基线的影响。在 GPSurvey 2.35 中,电离层改正可选择的模型为:广播模型 (Broadcastmodel),自由模型(Iono free)和无电离层模型(None);对 流层改正模型为:霍普费尔特模型 (Hopfield),戈得一古德曼模型(Goad-Goodman),萨斯塔莫宁模型(Saastamoinen),勃兰克模型 (Black),赖勒模型(Niell)和无对流层模型(None), 6. 卫星的周跳及星历误差的影响。卫星的周跳可在相位观测图中看出,当观测数据中包含有较多周 跳时,可增长历元间隔,这样可跳过中断的数据而继续解算。尽管各种后处理软件都有处理周跳的功能, 但还是不参加计算为好。如观测到的卫星较多,可删除该星,不参加基线解算。若卫星有较大的星历误差, 必然与其他卫星不兼容,这在基线解算后的卫星残差曲线图中能反映出来。 7. 其他因素的影响。除上述多种因素影响外,基线没有固定解的可能原因:观测条件不好,如测站附近有 微波、无线电等干扰源,或被建筑物、树阴等遮挡;所观测到的卫星星座的图形结构较差;不明因素的影响 使卫星信号不正常,同步观测时间太短等。 三、基线解算质量分析 按照 GPS 作业规程及多年的外业观测和基线数据处理的经验,在 GPSurvey2.35 软件中,其卫星截止高 度角默认值 150 较适宜。电离层和对流层改正模型也可酌情进行选择,电离层改正默认值为广播模型,对 流层改正默认值为霍普费尔特模型。对于在基线解算中出现基线无固定解的情况,通常对下面的内容进行 分析,找到基线质量较差的原因,采取相应的方法和措施来优化基线解算结果。 1. 基线解摘要分析 在基线解详细摘要(DetailedS ummary)中能够获得基线解算的重要信息,如基线是否有固定解 (Fixed)等。通常,只要方差比(Ratio)_}> 1 .5, 则认为基线就有双差固定解,否则为浮动解(Float)。 对于方差比(也称质量因子),该值越大说明基线质量越可靠,对于参考方差则数值越小越好。 2. 整周模糊度分析 当基线无固定解时,在基线解摘要中可以进一步查看模糊度摘要(Ambiguity Summary),其中列 出了各颗卫星的模糊度值及其相应的误差。模糊度的误差值越小越好,该值越小其解越可靠。小于 1 周较 为常见,大于 1 周则可初步判定可能含有粗差,数值更大者无疑是粗差,该星应删除。 3. 卫星相位跟踪图分析 从卫星相位跟踪图中可看出观测到多少颗卫星。若 GPS 接收机为单频接收机,则只能跟踪到 L1; 若为双频接收机则可同时跟踪到 L1 和 L2。倘若卫星有周跳,则直线有间断点,但较长时间的间断不是周 跳,而是障碍所致,可能是高山或其他遮挡。 4. 卫星残差曲线图分析 在 GPSurvey2.35 中,基线解算完成后,通常情况下,除参考卫星外,两台接收机同步观测到的 每颗卫星都有残差曲线图。每颗卫星的相位观测质量,可以通过残差曲线的观察分析得出正确的结论,决 定是否删除该卫星数据,如果经分析认为该星数据误差较大则应删除,使其不参与基线解算,从而提高基 线质量。

在一条基线内,若某颗观测卫星的残差曲线图,其曲线在较小范围内波动且接近残差 0 线,说明该 卫星的相位观测质量良好。若曲线呈倾斜状,或振幅较大的曲线,则说明该卫星的数据质量较差,可考虑 是否剔除,重新处理基线。若所有的残差曲线形状相似且卫星的数据质量较差,则可能是参考卫星的数据 质量存在问题,可考虑是否剔除该参考卫星或更换参考星后再重新处理基线。 观察各条基线的残差曲线图,若其中的某颗卫星虽在较小范围内波动,甚至几乎是直线,但在各条基线中 的残差曲线图都明显偏离中央,则应删除该卫星后再解算基线。 若残差曲线表明开机或关机时候的某一时间内的观测数据质量较差,如参考卫星也有显著的残差曲 线图,则可裁剪时间,去掉数据质量差的部分再重新解算基线。 根据作者多年的探索,认为只要有较好的观测条件和足够的观测时间,即使是只有浮动解的基线, 可以通过剔除某(几)颗卫星,或者对观测时间进行裁剪,大部分都能得到固定解。 四、基线解算的优化实例 2001 年 7 月 28 日在待补至昭通高速公路四等 GPS 网测量,用 4 台 Trimble 4600LS GPS 接收 机以静态模式观测,观测时间段为 7:30-8:30(即北京时间 15:30-16:30)。数据采样率为 15s ,PD OP 值感 6,观测到的有效卫星数为 9 颗。卫星截止高度角为 150,基线解算采用随机软件 GPSurvey 2.35 进行。4 个点的位置精度都优于 1 m(最大位置误差为 0.8 m)。基线解算结果见如表 la 从表 1 可知:6 条基线中有 3 条为固定解,有 3 条为浮动解。对浮动解的基线应进一步查阅其基线 解详细摘要和模糊度摘要情况,如表 1 中 41-39,41-40 及 42-393 条浮动解基线,再进一步查看模糊度 摘要。以 42-39 基线为例,其模糊度摘要中的模糊度值和误差如表 20 从表 2 可看出,由于 29 号卫星的模糊度值不能确定,29 号卫星的模糊度解中明显含有粗差。此外 在详细摘要中可查看各颗卫星的相位观测情况,如图 to 由图 1 知,跟踪到 9 颗 GPS 卫星的相位,从上图知各颗卫星的相位跟踪情况良好。由于 18 号卫星 是参考卫星,因此表 2 中没有其模糊度值。 有了上文的初步判定,进一步查阅各颗卫星的基线解算残差图,进而确定是由于哪一颗(或者是哪几 颗)卫星的原因导致基线没有固定解。仔细查看残差图,还会发现在某一时间段内的残差较大,或者残差突 变等不正常现象。所观测到的 9 颗卫星的残差曲线图,限于篇幅选择其中有代表性的 4 颗卫星 5,8,23,29 号的残差曲线图示. 观察 9 颗卫星和残差曲线图可知,残差最大值为 5 号卫星,其值为 6.0 cm;原因是观测到该星的 时间太短。其次为 23 号卫星残差为 5.5 cm;再次为 18 号(参考卫星),其残差为 4.3 c m。通常情况下, 参考卫星的残差应该是零,也就是残差图中没有该卫星的曲线图。再对各颗星的残差曲线图从左到右观察, 可看出接近右端的残差都偏大且向正方向呈同一趋势,因此认为在关机前的 15 min 时间里存在不明因素 的严重影响或干扰,致使在较好的观测条件下,还得不到基线的固定解。设想剔除这一时间段,残差曲线 就呈较为理想状态。 基于以上分析,裁剪掉最后 15m in 的观测时间,再剔除掉 29 号卫星后再进行基线解算,得到了 全部固定解。

从表 3 知,各条基线都得到了固定解,各条基线的参考方差也都有所改善。进而可再查看 42-39 基线中各颗卫星的残差曲线图。现只有 6 颗星的残差图,其原因是 29 号星已被剔除,5 号星在 15:30 -16:15 时间内观测不到,18 号参考星在这一观测间段内没有受到不明原因的影响,因此没有残差曲线。 现将 21,23 号 2 颗卫星的残差曲线示于图 30 由图 3 可看出,其残差曲线较为正常。进行时间裁剪和剔除 29 号星后重新处理的基线参与 GPS 网 平差,平差结果精度优良。在这几条基线下布设的一级导线网精度良好,说明这样优化处理后的基线解算 结果可靠。 五、结论 对于没有固定解的基线进行优化处理,如果有较长的观测时间和较多的观测卫星,对初次基线解算 结果中的有关信息,如相位跟踪图、模糊度误差及卫星残差曲线图等进行认真的分析研究,确定是某一时 间段内观测效果不好或是某(几)颗卫星的观测数据质量较差,进而对观测时间进行裁剪或剔除某(几)颗卫 星后再重新处理基线,一般均可以获得满意的基线解算结果。多数条件下,只要删除个别卫星数据基线就 能成功解算。按这种方法重新进行基线处理后,一般就不需再进行外业重测,从而能够节省大量的返工时 间;优化后的基线参与网平差,能有效提高网的精度和可靠性。


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