高精度GPS数据处理及整周模糊度搜索算法的研究（可编辑）

高精度GPS数据处理及整周模糊度搜索算法的研究（可编辑） 分类号: . 谖步犬海 硕士学位论文 高精度数据处理及整周模糊度 搜索算法的研究 樊文静 导师姓名职称 杨建华副教授 大地测量学与测量工程 工学硕士 学科专业名称 申请学位级别 论文提交日期年月日论文答辩日期年月日 学位授予单位 长安大学 任晓春高工 答辩委员会主席 学位论文评阅人 汤伏全副教授 刘万林副教授 ? 哆 .讹 : : . 。: . ’ 坝’,论文独创性声明 本人声明:本人所呈交的学位论文是在导师的指导下,独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外,对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 . 论文作者签名: 口年‖月日 碳主旆 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品,知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时,署名单位仍然为长安大学。 保密的论文在解密后应遵守此规定 刈年月日 刈年月日 论文作者签名:攒裤 导师签名: 钞年石月日 勘志千摘要 随着技术的发展和完善,高精度测量的应用领域也越来越广。既包括尺 度达几百甚至上千公里的地心参考框架或地壳形变监测网的建立,也包括基线长度在几 公里以下的大型工程变形监测、滑坡监测、古建筑物保护、精密设备安装等精密工程测 量领域。本文以高精度数据处理的/软件包为主要工具,借助 和美国连续运行参考站系统部分站点的数据,对区域的高精度网数据处理的问题 进行了深入的研究。另外整周模糊度的确定作为影响高精度测量精度的另一个关 键因素,对目前应用较多的,最小二乘降相关分解法算法中的模糊度去相 关这一关键点进行重点研究。本文研究的主要内容包括以下几个方面: ‘系统分析了高精度数据处理时参考框架、星历、精度分析方法、数据处 理模型等方面的问题,并系统分析了区域高精度数据处理的方法及其对定位结果 的影响因素。 根据网络的小区域性、高密度性和连续观测等特点,通过大量的计算 实践,对软件未知点初始坐标的优化、基线解算时站的选取、 网平差时基准的选择等方面进行了深入的分析和研究,给出了比较合理的解算。 阐述了整周模糊度求解的基本原理,对目前整周模糊度求解中效率较好的最 小二乘降相关分解法方法的基本原理进行了详细分析,然后 法 中的模糊度去相关个重要组成部分进行重点分析, 以白化滤波去相关算法为基础,把置换矩阵思想引入到去相关算 法中即排序去相关算法,并借助于程序语言,通过具体的实验计算 将这种排序岍去相关算法与整数高斯她去相关算法、联合去相关算法、去 相关算法进行分析比较,结果证明排序去相关算法具有较强的适用性和较好 的去相 关的效果。 关键词:;数据处理:/;;模糊度去相关 、?锄弱 髂,圮印 嬲 ’陀, 吣 咖 鹊酉 托觑呱 删?邶 组 廿呱锄曲:塔.锄?雒 ?西、? 吐 【心 ? 眦 ?他 曲一 , 眦 舔 伽觚 舶??锄眦 孤 枷 , 佗 劬? 仕 恤仃 甜 ,锄哆 鹏 廿 时鹏. 陀埘撇鹬: 托觚鲥,?麟锄 , 他们咖一瓶 啪 曲巾僦 乜 甜?燃鲫 圮他啪锄.黼魄 曲司璐妙锄 靶?龇 舭 廿 咖比觚岫曲 鹕 眦 ? 撕,廿 溉 砌 廿 量 毗龇 吼砒璐璐 撇璐吣 他惦柚 .锄, 他懒 啪 仃. ?州 私 ,锄觚 骼 呛 煅 街朋 ? . 时 玳 ? 量 笛删陀?,叽撇?畅 ? 时 ?. 矗豳龇雒,舔倒咖洲删 钯 玳?一岫?叽明矗甜鹏州 鲥?瑚,喇埘廿 地 舻姗 柚妣 血浏 ,撕 【 嘣 ?伽岫; 吣柚玳?址蚰;鹏矗咖? 甜岫觚坞 骶??如, 私 ?玳砒? 隋. 时锄 融豁陀州 蛔啪:;’嘲翳;/;;时鹏鲥? ‘目 录 第一章 绪论?. .引言.国内外研究现状及发展 .本文的主要内容??。. 第二章高精度的数据处理技术 .观测方程..伪距观测方程..载波相位观测方程 . 相对定位方法的概述?..... ..单差观测方程?。 ..双差观测方程..三差观测方程.高精度数据处理的坐标框架基准的统一 ..经典大地测量基准和空间大地测量基准 ..国际地球参考框架心?. .. 框架的建立原理? ..国际服务及精密星历?. .. 与国际服务的关系??. .高精度网数据处理的平差基准 ..经典基准概述??。..重心基准概述?. ..拟稳基准概述..顾及参数先验信息的平差??. .精密定位定轨软件/? .本章小结??. 第三章高精度框架网数据处理与分析 . 软件求解高精度未知点初始坐标的方法研究??. ..研究背景? ..数据的来源 ..两种求解方法??....分析与讨论.高精度网基线解算时站的选取研究?。 ..数据的来源源与基线解算参数设置 ..南半球站的选取对网基线精度的影响??。 .. 站数量对基线解算精度的影响 .高精度网平差时基准的选取研究..全球观测站数据的利用?. .. 区域网数据与全球站数据联合处理时基准站的选取实验 ..分析与讨论.本章小结.:第四章高精度数据处理中整周模糊度影响的研 究。 .整周模糊度的确定??. .最小二乘降相关分解法.模糊度去相关处理算法的比较分析? ..整数高斯去相关算法基本原理?. ..联合去相关算法基本原理??. .. 去相关算法基本原理??. ..排序、?去相关算法基本原理 .算例?. ..去相关程度的指标. ..排序去相关算法和、?去相关算法的比较分析 ..排序?算法与整数高斯算法、联合去相关算法的比较分析..实例分析? .本章小结??.. 第五章总结与展望? 总结一 展望一 参考文献??. 攻读学位期间取得的研究成果??. 致谢?:.、 \、 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 .引言 是英文 .的简称,是在世纪年代由美国陆海空 三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。并可在全球范围内向用户提供全天候、 连续和实时的三维位置、三维速度和时间信息,自世纪年代初正式投入到运营中 以来,已广泛地应用于测绘、导航、地球动力学、通讯和其他许多领域。并且随着高精 度定位模型和计算方法的飞速发展,高精度测量给高精度大地测量以及地壳形变 监测等方面带来了新的生机。按照定位方式不同,定位可分为单点定位绝对定位、 差分定位相对定位两种模式。其中相对定位是目前测量中精度较高的一 种定位方法,它已经广泛应用到大地测量、’精密工程测量和地球动力学等等的研究中。 差分定位也称为相对定位最基本的情况是在基线的两端分别安置一台接收机, 对相同的卫星进行同步观测,来确定基线端点的基线向量或相对位置,这种方法 一般可以推广到多台接收机安置在若干条基线的端点,通过同步观测卫星来确定 多条基线向量的情况,它的出现弥补了单点定位精度低的缺陷,尤其是载波相位差分技 术将定位的精度由从米级提高到了厘米级的水平。在差分定位过程中,一旦模糊度 得到固定,相位观测值即可转变为精确的距离观测值,相应地定位精度将会显著地得到 提高,因此,整周模糊度的准确和快速地解算,对于在相对较短的观测时间内保证相对 , 定位的精度是非常重要的。在年的时候提出了走走停停锄 方式,也称为准动态差分定位,使用该方法大大缩短了观测时间只需几分钟 并且定位精度能达到厘米级,与静态观测时载波相位差分定位精度相当,从形式上看已 类似于动态定位。但该方法的缺点也很明显,需要静态观测才能确定整周模糊度,并且 为了传递模糊度,流动站在迁站过程中仍需开机观测,以保持对卫星的连续 跟踪,一旦 失锁,接收机必须停下来静态观测以重新确定整周模糊度。后来【】 , 模糊度在线解算技术的出现解决了上述问题。帕等人在年开发了 沁.鼬,实时动态定位技术,该技术是利用参考站发送的实时差分信息, 而流动站可以进行实时、动态、高精度定位厘米级。即使卫星失锁,用户接收机在 移动过程中也可以利用模糊度解算技术使流动站在运动过程中动态进行重新完成 初始化,实现真正的实时动态定位。第一章绪论 当基线长度增加到一定长度后一般为,由于与空间相关的误差如卫星星历 误差、大气延迟误差等随着基线长度的增加而急剧增加。江定位技术就难以正确解算 整周模糊度,得不到高精度载波相位观测值的定位结果。为了在长距离的条件下也能得 到高精度的动态定位结果,网络技术就应运而生。近十年来,基于系统的 网络定位技术得到了迅速的发展,利用该技术可实现实时、动态、长距离、高可 靠性、高精度厘米级定位。载波相位差分定位技术经历了一个从静态到动态、从后 处理到实时的飞跃,定位精度要求也越来越高。未来的发展趋势将是全球无缝高精 度高可靠性的定位技术】。 .国内外研究现状及发展 随着定位技术的发展及定位精度的突破性进展定位精度从米级扩展到 厘米级、毫米级乃至亚毫米级,各种用途的区域高精度网纷纷建立起来,如一个 大坝的库区、一个流域、一个城市、一个国家或全球的地壳变形监测网、以及我国各省 市建立的具有多种用途的系统等,它们的监测尺度往往在几十到几百公里,甚至 上千公里,基线相对精度要求达到诏或者更高,点位精度要求达到毫米级甚至是亚毫 米级。在解算这种高精度的区域网时,需要考虑的因素也非常多。在制定数据处 理方案时,一般应遵循以下四个原则:?采用一个全球统一的、连续自治且不断精化的 坐标参考框架和常数系统;?采用精度最高的同一种精密星历和相应的地球自转参数 如最终精密星历;?选择专用的高精度的研究型软件;?根据本测区的具体情 况,选择合适的模型和参数设置。另一方面,无论国内或者国外,在进行高精度 网数据处理时,都普遍存在着这样的一个问题:对于同样的观测数据,即使采 用相同的 软件、相同的误差处理模型、相同的精密星历及其相应的自转参数、相同的参考框架, 由于不同人所采用的处理方案的不同,最后解算得到的结果也各不相同,甚至会出现较 大的差异。因此有必要探讨初始坐标的精度对基线解算的影响并给出提高精度的方法: 在进行区域网基线解算时,对于是否要将站观测数据同时参与计算,或者如 果需要的话,选几个点比较合适、这些点的空间如何分布等,不同人的选择方案各不相 同;网平差时,如何选取基准站、怎样对所选取的基准站施加合适的约束等,这些 因素对最后的解算结果都有较大的影响。因此,对于高精度的网数据处理,只有 给出合理的解算方案,才能获得可靠的结果,获得高精度的定位信息。 另外,高精度定位中一般采用载波相位测量,为了获取连续的高精度的定位, 长安大学硕士学位论文 需要一种快速正确地求解整周模糊度的方法,从而使得整周模糊度的正确求解成为了获 得高精度定位成果的关键问题,在常规的静态定位中,一般是采取的方法是进行长时间 的静态观测使得卫星几何图形产生足够大的变化,然后利用最小二乘法对整 周模糊度进 行求解,但是利用延长观测时间的方法来求解整周模糊度需要花费的时间比较长,满足 不了快速确定整周模糊度的要求。这样若想实现连续可靠的高精度快速定位,需 要利用一种方法实现对整周模糊度快速正确确定出来。在年,等学者利用 超宽巷技术,并将双频码伪距以及载波观测值进行组合,从而实现在航解算整周模糊 度;于年,最小二乘搜索法由教授提出来;在~年加拿大的 教授提出了硒 方法。于此同期,荷兰教授 时 提出了.方法即最小二乘降相关分解法,这种方法是以整数最小二乘原理为基 础提出来的。这些方法中的九方法的理论基础是整数最小二乘估计,并由序贯 条件最小二乘模糊度搜索方法发展而来,该方法对模糊度的搜索空间进行了有效的缩 减,从而提高了搜索效率,是目前公认的效率较高的一种模糊度搜索算法。 .本文的主要内容 本文研究的主要内容包括以下几个方面: 详细论述了高精度数据处理时参考框架、星历、软件、精度分析方法、 数据处理模型等方面的问题,并系统分析了区域高精度数据处理的方法及其 对定 位结果的影响因素。 , 根据网络的小区域性、高密度性和连续观测等特点,通过大量的计算实 践,对软件未知点初始坐标的优化、基线解算时站的选取、 网平差时基准的选择等方面进行了深入的分析和研究,给出了比较合理的解算方案。 阐述了整周模糊度求解的基本原理,对目前整周模糊度求解中效率较好的最小 二乘降相关分解法州方法的基本原理进行了详细分析,然后刖?法中 的模糊度去相关个重要组成部分进行重点分析, 以岍白化滤波去相关算法为基础,把置换矩阵思想引入到去相关算 法中即排序岍去相关算法,并借助于编程语言,通过具体的实验计算将这 种排序去相关算法与整数高斯去相关算法、联合去相关算法、岍去相关算法进行 分析比较,结果证明排序去相关算法具有较强的适用性和较好的去相关的效果。 长安大学硕士学位论文 第二章高精度的数据处理技术 .观测方程 ..伪距观测方程 伪距观测值是光速乘上由卫星发射的/码或者码测距码信号到达接 收机天线的传播所用的时间之后所得的卫星与测站之间的距离,但是鉴于信号传播过程 中误差的影响使得这实际观测距离和卫星到测站的真实的距离并不相等,这即为称为伪 距的原因。伪距观测方程如下式表示: . ,一国拥岛 式.中各个符号含义为::伪距观测值::光速;,:接收机钟差;: 卫星钟差;叱:电离层折射误差;‰:对流层误差;:观测噪声;:站星距离。 其中可以由下式求得: . ?磁一‘,;一,,雹一, 式.中.《,磁,套为卫星在珞时刻的坐标;魄,托,,,为接收机在,,时刻的 位置坐标。 ..载波相位观测方程 接收机接收到的卫星载波相位与其产生的基准信号相位之间的差值为载波相 位的观测值。目前来看载波相位测量是精度最高的,广泛用于高精度的测量中。 载波相位观测值不包括整周模糊度的值,不过同样受到各种误差的影响比如接收机钟 差;卫星钟差;电离层折射误差以及对流层折射误差等。下式为载波相位测量 的观测方 程: . 矿俩曩矿丽妒订正帮一氓哪一一?’一‰‘ 其中:‖:相位观测值;九:波长;、‘、‘:卫星坐标;、、:接收机坐标; :光速;:接收机钟差;卫星钟差:?‘:整周模糊度;。蕾‘:电离层误差: 第二章高精度的数据处理技术 略。,‘:对流层影响;:噪声。 . 相对定位方法的概述 在基线的两端分别安置一台接收机,然后通过对相同的卫星进行同步观测, 实现确定基线端点的基线向量或者相对位置的目的,上述描述的情况即为相对定 位的最基本的形式。把这种基本情况做一个推广,利用多台接收机分别安置在多 条基线的端点从而通过同步观测卫星来确定这些基线向量。由于两个或者多个观 测站对相同卫星进行同步观测时受到一些误差的影响诸如卫星轨道误差;卫星钟差;接 收机钟差:电离层误差;对流层误差等,而这些误差对观测量的影响有一定的相关性, 因此,常采用这些观测量的不同组合来进行相对定位从而可对上述误差进行 消除或者减 弱,达到提高定位精度的目的。目前普遍采用的组合形式有单差、双差以及三差这三种 形式。 ..单差观测方程 单差是相对定位中最基本的线性组合形式,具体模式有三种,如下图所示: 卫星 接收机 接收机 接收机图.三种单差模式示意图 其中子表示为接收机之间的单差模式,即:首先接收机和同时对同一颗卫星 进行观测,再接收到的数据作差,这种单差方式可对卫星轨道偏差以及卫星钟差进行消 除;子图表示卫星间单差模式,即同一台接收机对两颗不同的卫星进行同时观测,再 将接受到的的数据进行作差,这种单差模式可以对接收机钟差进行消除;子图表示历 长安大学硕士学位论文 元间单差模式,即接收机对同一颗卫星进行不断的观测,然后把接受到的不同历元的数 据进行作差,这种单差模式把载波相位的整周模糊度消除掉,从而导致后续搜索整周模 糊度的计算无法进行。 本节采用卫星间单差的模式,由载波相位测量的观测方程可得到对卫星以及 的 载波相位测量观测方程分别为式.式.所示: 巾;?一?十暑一匕十暑一。一、.曩、誊一妒五一%‘一 ‰,口 . . 舡洒正可可可习砸酽一哪一?工一;张‘一‰‘毒 对式.以及式.作差可得卫星间单差模式方程如下所示:: 峻 ?两可可甭丽丐面田一娟面墨飘习于葡砀 ?如一州一一‰一一厶‰?沪 . ..双差观测方程 为了提高相对定位的精度,在对载波相位测量进行完一次差的基础上还可以 继续进 行求差即求二次差,得到的结果作为虚拟观测值即为载波相位观测值的二次 差或者双 差。本节以上节中卫星间单差的基础上在接收机间进行作差。 由式.很容易得到、两个测站的卫星间单差方程分别为式.及式.: 厶帏 积河币哥雨丽一历年可可面而两 雌一厶一一厶眠炉一厶‰,厶护 . 第二章高精度的数据处理技术 ?茚‰ “丽了丽呵可亡丽可面呵一以厢?下面可可币四十 醢趾‘一厶;一厶“圹一?‰;?‘~ . 对上述方程.、.进行作差得双差观测方程如.所示: ?巾九 抓再百而瓦习丙面酽一娟瓦蔼芦玎习冠而一 ‘ 讥再虱再弋砜万忑?一撕两巧?罚孓了耵可西可一 ?:二:九一厶一一?:二:?弓: . ..三差观测方程 在载波相位观测量双差的基础上,还可以进一步求差即三次差,虽然所得结果与求 差次序没有关系,但是只有一种求解三差方程的方法,这种方法为在测站、卫星和观测 历元之间进行三次差的求解。由于三差方程的较强的相关性以及较差的几何强度, 测量中,广泛采用的还是双差固定解而对三差解用的不是很多。所以本节不对其作进一 步的讨论。 .高精度数据处理的坐标框架基准的统一 由于在进行高精度数据处理时采用了高精度的精密星历进行解算所以高 精度数据处理是区别于常规的数据处理的,如最终精密星历】,这种精 密星历是一种由国际服务生产的精密星历,并且以由国际地球自转及参 锄 照系服务? ?所提供的 盯址 国际地球参考框架? 锄作为坐标参考基准。 ..经典大地测量基准和空间大地测量基准 大地测量基准是由一组参数来表达的,这些参数是确定测量参考系在地球内部的定 向、定位以及描述参考面的形状和大小的参数,而经典大地测量基准是通过大地测量手 段建立起来的,近十几年来,随着空间定位技术的发展,在现代生活和科技发展中,经 .? 长安大学硕士学位论文 典大地坐标基准已经显现出越来越多的局限性,主要表现在以下几个方面:一是经典大 地测量基准是一个“非地心的基准;二是经典大地测量基准是一个三维基准近似; 三是经典大地测量基准是一个静态的基准;四是由于受测量仪器、方法、数据处理水平 和工具等因素的制约,经典大地测量基准的精度一般只能在’~“量级左右,因此 其远远不能满足现代高精度测量的精度要求。 自从世纪年代以来,伴随着空间技术、、、?和 等技术的迅猛发展,空间大地测量技术可以对地球上发生的各种运动及动力学现象, 即包括地球的整体运动;地面点的局部运动与形变等进行观测。所以,建立和使用一个 高精度的、三维的、动态的和地心的全球大地测量基准是非常必要的。有些国际组织和 国家已经先后建立了不同的地心大地坐标基准,其中比较有名的有国际时间局 建立的系列、美国国防制图局建立的系列等等。目前为止,精度 最高、并且使用最为广泛的应该是由国际地球自转及参照系服务所建立讧。 ..国际地球参考框架强 参考系统和参考框架的关系为:参考系统是一种理论概念和抽象形式,不易于使用。 而参考框架才是从实践上建立参考系统,它提供一个使参考系统具体化的方法,以便描 述点的运动,是参考系统的具体实现形式,用户可以通过参考框架中的基准 点的坐标将 未知点的坐标纳入到该参考系统中去,即参考框架是一组具有相应坐标参照系下坐标及 其时间演变的点。 利用卫星进行导航定位时,所用到的轨道数据用来计算卫星位置通常是基于地 心地固系的,然后这些轨道数据被用户用来计算观测时刻的卫星位置以及确定用户的位 置。因此,在进行数据处理计算时,采用的轨道数据和直接的定位结果具有同样 的坐标参照系。而目前来看有两种卫星轨道数据较为常用,即:一是广播星历基 于.;二是精密星历基于国际地球参考框架。如果在进行数据 处理时,采用的星历是广播星历那么所得的结果则属于.;采用的星历是精 密星历所得结果则属于心。 高精度的测量和常规的测量的主要不同之处在于高精度的测量进行 基线解算时用的是精密星历例如精密星历,而坐标参考基准为?源【】。 鹏妯 陀 锄, 汪国际地球参考框架英文全称为明僦 是正强】的三种产品?、、峪之一并由的中心局的部门建立 第二章高精度的数据处理技术 的。 仃 即为国际地球参考框架,它是 衄, 国际地球参考系统的具体实现,由中心局的地球参考框架部门负责建 立和维护。组成?的站坐标和站速度是利用基于甚长基线干涉、激光 测月、激光测卫、、卫星集成的多普勒轨道和无线电定位、光学 天体测量、检潮仪和气象传感器等空间大地测量技术所采集的观测数据计算 出来的。并 且的年度和技术说明上刊登每年计算的解。 到目前为止,已经公布了个版本的江,分别为江、讧、、 江 、强、心、、、之、和,心 注:其中后面的数字表示用于形成该参考框架时所用数据的最后年份。.. 框架的建立原理 .. 对于各个分析中心提供的解,可利用站坐标组的速度模型将其归化到某 一个参考历元气之后,再进行联合平差计算在参考历元。。其中在联合平差模 型中, 有以下待估参数分别为:中在给定的历元。下的位置参数::速度参数: 岩。讧转换到其他某种参考框架例如时,在历元气下的转换参数:瓦、变 化率:农,下式所示即为联合平差数学模型: 警量譬一’?码码以一气眈码惫%】. 鬈%瓦码墨码 上式中,:尺度因子;:平移向量;:旋转矩阵;其中随时间派生的参数 表示成上面加圆点。 若对两个不同的地球参考框架进行比较或将独立地球参考框架的数据进行组合处 理时,我们首先应该把它们参考框架进行统一因为系统误差的存在,一般方法为对 两种参考框架的并置站进行坐标以及速度场转换。由推荐的布尔莎七参数变化模 型,由空间直角坐标系,到,,的变换需满足下式: . 式中:,,:坐标平移参数;净,,:旋转参数;:尺度因子, 把各个变量对时间进行求导得下式: . 戈膏于船戤觑时 长安大学硕士学位论文 式中:于毛,宠,毫:坐标平移参数变化率;应应。,素:,素,:旋转参数变化率;: 尺度因子变化率;为空间直角坐标系?,的坐标变化率;岩为空间直角坐标系 ?,,的坐标变化率,囊以及即为两个空间直角坐标系的速度场,一般而言, 每年为几个厘米到几个分米的量级;坐标旋转参数为.毫角秒的量级;而尺度 参数为遗米的量级。这样一来,可以完全忽略公式中腻腑的影响。则有如下的表 示形式: . 毫又于应西? ‘ 或者还表示成下式:互 ? ? 眨? 疋 乓 ? ? 五 雕矩 上式既可以实现由空间直角坐标系?,到空间直角坐标系,,的坐标 转换参数的变化率的求解,也可实现由空间直角坐标系,到空间直角坐标系 ?,,的速度场的转换。当两种空间技术的速度场置站大于等于个的时候,可 采用最小二乘平差来求解个转换参数即系统差。 当式中的,为江框架下的坐标,而,,为地球参考框架的坐标由单 独技术实现的。当给定历元的转换参数,则在历元的转换参数可以由以下公 式 计算得到: . 丁,七丁×,一‘ ..国际服务及精密星历 。全球在年组织了地球动力学服务的“联测,并获得了成功,这此成 功的联测促使了全球的国际合作。国际服务是国际大地测量 协会于年为了支持大地测量和地球动力学研究而成立的一个国际协作组织,于 年月日起正式开始工作。由于的服务范围的不断扩展以及产品的不断增 加,已经超出了大地测量和地球动力学的范围,因此它的名称也发生了几次变化,从原 再变为现在 来的 变为 的越 ?。国际服务的组成包括卫星跟踪网; 资料中心其中包括个工作资料中心、个区域资料中心和个全球资料中心;分第二章高精度的数据处理技术 析中心即、、、、、、、、、.; 综合分析中心:中央局和管理委员会。国际服务的卫星跟踪网中共 有个跟踪站,其中有多个站为“全球级跟踪站,见图.。位于中国境内的有 上海、武汉、北京、拉萨、长春、昆明、西安、乌鲁木齐站、新竹台湾站、 桃园台湾等个台站,见图.。各个卫星跟踪站均需用双频接收机对 视场中的卫星进行连续的载波相位测量,然后通过各种现代通讯方式将观测资料 传输到工作资料中心。 圈. 跟踪站的全球分布 妒岂寰挑~爵蠹麓溢;?虮藏姒 图. 中国及周边国家和地区的跟踪站 国际服务的基本目标是为地学研究提供支持,这一目标是通过其一 系列的产品来实现的。就目前看来,国际服务提供的主要产品为: 全球定位系统卫星的星历;卫星钟和跟踪站接收机钟的钟差;地球自转参数; 长安大学硕士学位论文 国际服务各跟踪站的坐标及其变化率,各跟踪站的对流层延迟天项方向, 全球范围的电离层延迟的相关信息。下面表.给出了所提供的卫星星历以及 其精度。 表. 所提供的卫星星历及其精度 卫星星历 轨道精度 卫星钟差 时延 更新周期 采样间隔 广播星历 ~ 一璐 实时 次厌 天 超快速星历 ~ 璐 实时 抛天 分钟 预报部分 超快速星历?. 小时 次厌 分钟 实测部分 快速星历.璐 小时 次/天 分钟卫星钟差分钟。 最终星历 ~天 次/星期 分钟卫星钟差分钟 .. 与国际服务的关系 我们一般在进行定位计算时,通常将卫星轨道作为已知值。如果采用广播星 历,则结果属于.参考框架;如果采用精密星历,则其结果属于心。所 以换句话说用户用哪种星历进行定位计算,其结果就属于与该星历相对应的 坐标基准。 在进行数据处理时,采用了作为其进行数据分析和计算精密星历的坐标 基准,因此所有产品的坐标基准均为珂。国际服务为建立 强提供了全球分布的高精度跟踪站的观测数据,用以维持和精化。下表 .列出了精密星历在不同时期对应使用的参考框架。 表. 精密星历在不同时期使用的.框架 参考框架 使用时间 年~年月日 年月日~年月日 年月日一年月日 年月日~年月日 年月日~年月日 年月日年月日 年月日年月日 年月日~年月日 年月日~至今 .高精度网数据处理的平差基准 ..经典基准概述 当对所选取的站的坐标施加固定约束时,这时,平差基准为经典基准。具有一第二章高精度的数据处理技术 定的几何意义:即所选取的后个基准点没有平移,为固定点。有平差模型如.所 示: 么.曼一 . 由最小二乘原理户,有:量彳朋‘彳’用,.‰龛。协因数阵为: 彳’剐~。 其基准方程如.所示: . ?曼%,% 我们假设选取了后个点作为基准点,有【‘,厶,?厶,】,其中,厶为×的单 位矩阵。由于毫或乏 江,?七,也就表明基准点没有平移,那么平差后的坐 标基准与基准点所在的基准是一样的,这称为一种“强基准”,结果是使得平差后得所 有测站点的坐标都完全附和于选取的基准点上,因此平差后得到严格的心框架下的 网点的坐标的基准点为站。然而,在进行平差计算时,如果所选取的基准 点的坐标有误差,那么将不可避免地把这些误差带入到其它的未知参数,并被强制分配 到参与平差计算的其余测站点上,结果会导致区域网将会产生局部的变形。 ..重心基准概述 如果利用秩亏平差法对网进行平差计算,此时平差的基准称为重心基准。事 实 上,目前对网进行平差时,一般情况都是对站坐标施加不同程度的约束。如 果在平差计算时对所有的测站坐标施加同样的约束,称为自由网加权伪逆平 差无必要 起算数据。. 我们假设其误差方程和.式相同,并且假设未知参数向量的先验权阵为, 则在矿尸矿最小二乘原则和叠’昂安最小范数原则这两个准则下.对 .式求解,得: . 曼瓯?肋虬占级‰一矿 . 五舅 .、、 女?髓了、 称.式为参数的加权最小二乘最小范数解。式中,‰彳以,‖彳用。在 先验权阵最是单位阵的情况下即,,有:长安大学硕士学位论文 . 叠。瞻 囊 . ’ 童 ?奠 ? 其基准方程为: ’ ’叠 . 式中,厶?厶】。由基准方程可以得到: . ?毫,?只,?乏 则有: 旺, 又吾套只专喜毫去喜毋。 同理可得,,尹,乞乞。 因此可知,对网按秩亏平差时,它的平差基准是网点重心,换句话说全网的 重心位置是保持不变的。 当对各测站施加约束,而权不相等时,基准方程就表可以示成: ’乓曼,这时: ?气毫,?气只,?乞乏?重心坐标就相应地变为戽癣,昂帮, 乏零。平差的基准为网点的加权重心,即全网各点的加权重心是保持不变。 所以, 对网进行秩亏平差后的坐标的基准是重心基准,是一种“弱基准”。 ..拟稳基准概述 拟稳基准是指在平差中仅对部分稳定点施行约束。考虑到实际情况,进行平 差时, 把网中的点分为两类即:相对稳定点和非稳定点,其中段设非稳定点的数目 为啊,其相 应的坐标近似值及改正数为.砰、毫:并且稳定点数为他,其相应的坐标近似 值以及改 正数分别为.硭、乏,则,平差模型可以用下式表达: . 吲 】盼 平差准则为: 矿: . 第二章高精度的数据处理技术 . 毛只岛 根据式.可得法方程: . 糍绸 ?:《%。对非稳定点未知数毫进 行消去处理之后有: . 崛一口’, 式中,?:一?。“?:,口’鬈一?。托群尸。 由式.以及.组成目标函数如下: 岛最是一’砌嚷一, 解得未知参数的拟稳解为: . 毫彳?:删一口『 . 是肘删, 眨, 基譬 式中,‰?:删’删一?。, %肘彪一肘删一, 线岛一?:朋一朋一;毫 则基准方程为: . 谚之 式中,研【‘厶?:】。可得到拟稳点坐标估值的平均值即:..霹,曰, 乏零。这时的平差基准是网的局部重心,称为拟稳重心,由于该网中伤个拟稳 点的 局部重心并没有发生位移,所以拟稳重心的位置是保持不变的。 由重心基准的原理,如果对拟稳点进行加权约束,那么基准方程变成:碍,乏, 可得五最,夏霹,乞是。这种情况下平差的基准为加权拟稳重心,该网中 的部分点%个拟稳点的局部加权重心没有发生变化。可见,通过拟稳平差计算 后的 长安大学硕士学位论文 坐标基准为局部重心基准,这也是一种“弱基准’’。 . ..顾及参数先验信息的平差 如果在平差过程中顾及了部分未知参数的先验信息,平差的基准则由参数的 先验值 所决定一称为先验基准。先验信息既可以和实际观测数据一起解算各个参数 来提高参数 解的可靠性和精度,也可以为网平差提供参考的基准。目前顾及参数先验信 息的 平差的方法有许多,本节主要对基于理论的数据处趣法【’进行分析。 假设观测向量的条件分布为.式所示以及分布密度为.式所示: . 三/岩一?艘,? . 四冲?三一似砰一似 式中,只仃:?:。:随机参数,并且一?牙,?,另外的先验分布密度如下 式所示: . 尸一三?工?最一又 式中,仃三?;,假设设和?不相关,即:?吖。 在进行数据处理过程中,因为仅仅拥有部分站点观测站的先验信息, 因此我们需对估计加一些改化【。 把观测方程三朋?中的彳和进行分块处理即:彳【 】, 【五】,其中%为鸭×维的无先验信息的区域网中点的坐标向量,而? 另外 为%×维的所选取的基准站点具有参数先验信息的坐标向量, 毋仃三?,则观测方程可由下式表示: 五一?,?,, ., 三【 】?? 则误差方程如式.所示: . ,?一工 如果厶五,则误差方程可由式.表示: 第二章高精度的数据处理技术 . 卧瞌 罐习 由贝叶斯定理得: . ./ ?尸三/ 由于参数的无信息先验分布为尸%?常量,则的先验分布可由下式表示: 尸,户?一丢?量二量’尼?二莹 尸冬一三?一置一只置一 . 芘一三?一‘一弓葺一 进一步可得后验分布如下所示: . 尸?/三芘尸尸三/芘一三??巳? 式.中。 . 阱熙毋品爿 ?: . 陵 心 上述.式为参数向量的估值,.式为验后权逆阵。式.中: ?。群只,?:群只,?。鬈只,?:只,群只三,%髯只三。 假设: ?: 『. . 【?。 心毋 那么有: . 丘一 . 毫卅%另暑 . %肘。?以 长安大学硕士学位论文 . 鲰,。?:。%毫。?一%岛 贝可认为是叶斯估计是上述的部分加权贝叶斯估计的特例。假 如所有的参数都具有先验信息,即有%聊,%,只,,所以,贝叶斯 估计为下式所示: . 丘彳只彳彳只 & . 鲰。?。 假使平差时对站的坐标施加固定约束,这时即为贝叶斯估计的无信息先验估 计,并且参数的贝叶斯估计即为经典的最小二乘估计。 根据上述的分析可以得知,在进行网平差时,基准的选取主要包括两个方 面【:基准站的选取方案;对所选取的基准站的坐标施加什么样的约束条件。 .精密定位定轨软件/ 高精度数据处理与常规的数据处理比较重要的区别就是高精度的 数据处理采用高了精度的定位软件对数据进行解算。在尺度从数十公里到数 千公 里的控制网建设或地壳形变监测中,要求基线相对精度通常要达到墙或者更 高,并且 点位精度往往要优于几个毫米,对于这样的精度要求一般的随机软件是很难达到的,因 此,一般需要使用专门用于科研的高精度的定位软件对数据进行处理。 为删的简称,是由美国麻省理工学院与加利福尼亚大学 斯克里普斯海洋研究所研制开发的,此高精度综合分析和处理软件包集解 算测站三维相对位置和卫星轨道于一体的【,目前而言,年月发布的 .为?~软件的最高版本。?气可在、、、/、?等 等?操作系统上运行。其一个重要的特点就是具有开源性,所以用户对其源代码进 行修改以达到自己的需求。 模块 后软件的组成主要由个核心模块即:、、、 和吧,其各自的主要功能为:?脚?:轨道积分;?:组成观测方程;? :自动修复周跳;?:为、厂创建所需的文件;?:按第二章高精度的数据处理技术 最小二乘法利用双差观测值求解各个参数。另外这些模块既可单独分别运算,又可通过 宰.文件进行批处理运行。 数据准备 在利用数据处理软件处理数据时,首先同时也是最重要的步骤就是进 行数据的准备。需要准备的数据主要包括几个方面:?原始观测数据文件的 准备:观测 数据文件对格式、导航文件文件、轨道文件。?各种参数表文件的准备, 具体有:讪;::;;.;.;.;.鲥;锄.; .;?.。?测站的初始坐标文件矗。?设置控制和观测信息文件 包括:.:、.:、、等。。 数据处理步骤 见下图.可以清楚的看出数据处理软件的解算步骤主要由、 、』冀、、、和?几个命令组成,在运 行完,之后生成一个?.批处理脚本程序,之后运行该脚本程序 ?., 该系统将在不需要人工干预的情况下自动对数据进行处理。 解算精度及可靠性的分析 一般情况下分析解算精度及可靠性主要有如下几种方法【】: ?对平差结果文件进行查看,此文件中的单天解标准化均方差:甜 趾岫是衡量单天解质量的重要指标之一,若值较小,则说明基线解算精 度越高,在正常情况下彻应该小于.。 ?查看.文件,主要是确定接收机时钟工作频率的稳定性情况,其中的埃 伦标准方差砧锄:觚觚 在正常情况下应小于。 ?基线解算结果的评价指标:软件解算长基线的相对精度能达到.量级, 解算短基线的精度能优于姗。当有多期观测数据时,一般以基线分量和边长 的重复 率来衡量基线解算结果的好坏内部精度附和比较。基线分量和边长的重复性 定义为: 刍喜学 . 凡 ,争 ?上 其中:辟为基线向量及长度的相对重复性;厶表示表示某一测站在测段 ,,?,刀计算得到的单时段基线向量在南北方向、东西方向、高程方向的估计值或长安大学硕士学位论文 基线长的估计值,刀为测段数;最为,测段解得的基线分量或基线长的中误差;三为厶的 加权平均值,其计算公式如下: 么一譬 一喜争 . 、’ 厶 , 嚣 基线误差的大小与基线长度有关,基线越长误差越大。因此可将基线结果的评价以 基线长度的误差来衡量,以口?刀的形式来表示,口为固定误差,为比例误差, .,?, 卜??鳓?卜?享 . \ / 【,, ’.? . ??’‘ . .珊 溅卜?章 . \\ / ?学黜内卜《??涉一鲥.确 卜?. 篡三长 ? \/ ?粼怖??毫?一螂圳 . .卜??? ? ? 徽篓 ;.,.矗 \ / .行.卜一? . :鬻:卜?主 ,, \/ .衄 ,? 比处蹬 .、?、 .图. 软件数据处理流程图第二章高精度的数据处理技术 即。按最小二乘法的一元线性回归求出吼与基线长上之间的线性关系,为: . 也口?己‘ 其中,作为固定误差的口同时也是拟合中误差。 .本章小结 在进行高精度的数据处理并制定相关方案时,需要考虑很多的因素例如:参 考框架、星历、软件、精度分析方法、数据处理模型等。本章首先对大地测 量基准的发 展;心坐标框架的建立和定义;与的关系等等问题进行了简要介绍,然后 讨论分析了高精度网数据进行处理时的平差基准,最后介绍了?操作系统平 ’ 台上的/数据处理软件??本文进行数据处理的重要工具。 长安大学硕士学位论文 第三章高精度框架网数据处理与分析 . 软件求解高精度未知点初始坐标的方法研究 网平差中所涉及的与有关的观测值直接来自由基线解算过程中所确定出 的基线向量解,因此解算时基线向量解的精度对最后平差的结果有着较大 的影响。通过前面的分析可知,删软件对影响基线解算的多种误差都有多种 相应 的改正模型供选择,在解算时只需根据网基线长度、网形结构、区域网所在 的地理位置等因素选择相应的模型即可。因而在数据处理时,对基线解算结 果影响最大 的就是未知点的初始坐标及解算时站的选取【 ,站的选取实验将在下一节进行 研究。 在运行进行数据处理工程中,经常会出现由于初始坐标精度不高而导致最 终的解算失败的问题,因此,有必要探讨初始坐标的精度对基线解算的影响并给出提高 精度的方法。 ..研究背景 文献】利用商用软件对起算点坐标的精度好坏对基线向量的解算结果的影 响进行了探讨分析,解算时人为地对起算点坐标的各分量都加入了一定的误差:即:在 ?方向上加入误差.。、.。、.一、.。、.。、.。;在方向上同样加入误差.。、 .。、.。、.。、.。、.。:在日方向上也一样分别加入误差肌、所、朋、 朋、所、聊。解算得到的结果表明,随着加入的误差的变大,基线向量的解算 精度的残差也相应的从.增大到.,与此同时,基线固定解的&玎可靠 程度因子相应地从.%减小到.%。由此可以看出,起算点坐标的精度的好坏 对基线向量的解算的影响是不容忽视的,为了保证基线向量的解算具有足够的精度,理 应保证起算点坐标的准确性【。 在用舢?软件对高精度的数据进行处理的时候,需知道精度比较高的未知 点的初始坐标。未知点的初始坐标的精度好坏对基线向量解算的结果有较大 的影响,在 当未知点初始坐标的精度越低,基线解算结果的精度随着未知点初始坐标的精度的变低 而变低。然而当坐标的偏差超过一定范围时,基线解算结果的精度趋于平稳,此时, ?解算结果中的,文件将会无法进行更新,进而导致下一步的计算无法得 到结果,所以蝴解算失败,得到的成果是不可靠的。因此可以看出,为了保证解第三章高精度框架网数据处理与分析 算的精度,应该事先适当地控制未知点初始坐标的误差范围。本节将利用软件 中对未知点初始坐标误差较大的测站在解算后能自动更新得到较高精度坐标的功能,研 究了提高未知点初始坐标精度的两种求解方法。 ..数据的来源 论文数据主要来源于苏州连续运行参考站系统的个连续运行参考站从年 日年积日到年日年积日的数据。苏州连续运行参考站系统 包含个固定站,分别是淀山湖、浮桥、三兴、桃 园、唯亭、望亭、西山,基本上对苏州五县一市的行政管 理区域进行了覆盖,覆盖面积可达。这七个固定站中、、和 四个站的天线类型是. ,接收机类型是刚 ;、 和三个站采用的是 型号的接收机,?. 型号的天线。首先用软件对这个连续运行参考站的数据质量进行质量检查, 结 果发现,站台连续五天的观测数据的利用率非常低,有严重的失锁现象】,所以, 在实际解算时候应该将台站进行剔除处理,而剩余的六个连续运行参考站的 、、周跳等等参数都基本上正常。 为了保证得到较可靠的计算结果,本文先选取年日全天小时的个 跟踪站即,,,,,,,,, ,以及苏州连续运行参考站系统中的个连续运行参考站即:, ,,,共个站的数据,采样率为秒,把作为研究 对象。首先利用软件对上述各站数据的质量进行检测,结果如下表.所示。 从表.中可以看得出,除了、、删这三个跟踪站之外其余各个 站点的数据的、、周跳等等参数都较理想,而、、三个 站的观测数据的质量是比较差的,所以不应该参与到解算剔除掉,因此,最终参与到解 算的站包括个跟踪站和个连续运行参考站。 ..两种求解方法 在利用软件进行对数据进行处理时,事先需要创建,文件即初始坐标文件, 此文件需包含参加该计算所有的测站的近似坐标。其中测站的近似坐标可以从该测站的 观测。文件中直接读取得来,但是当观测数据的质量不高,为了得到几个精度比较好的 测站的近似坐标,一般可以通过自带的蚰.【命令进行计算得到, 【长安大学 硕士学位论文 表.数据观测质量的检测表截止高度角:。 完好观测值 性能指标 ?平均值 ?平均值 圈跳数 比例 测站名良 度 . . .. . . . . .. . . . . . 肿 . . . 彳 . . .. . .. . .. . .. . . . . .. . .. . ., . . 命令通过调用相关的程序对伪距进行迭代从而得到更高精度的近似坐标。 如果未知点测站没有精确的坐标的,尽管按照上述方法得到了初始坐标,但 得到的 一般会与其实际的坐标之间有一定的差距,经过一次迭代之后,如解算结果 与实际的结 果之间的差距大于预先设定的精度的时候,在更新后的坐标文件中,此测站的 后面会出现 的字样,这时候就需要进行第二次的迭代计算和,文件更 新。经过多次迭代之后,当该测站的初始坐标的精度达到要求时,中该测站的坐标 不会再被更新,这样就确定了该测站初始坐标。 ??软件在上述求解较高精度初始坐标的迭代更新过程中,其迭代出口是在 软件测段控制文件.中预先设定的精度。因此满足精度的初始坐标并不只 是一个坐标【,而是在精度要求范围内的一组坐标。在这组坐标中,其中有些坐标的精 度与软件预先设定的精度是相当的,而有些坐标的精度要比设定的精度要高, 因此如果这组坐标的空间分布进行估计,则有可能找到更高精度的初始坐标。 第一种方法 调用刖?软件的?【命令对测站观测值文件 .进行伪距 迭代从而求得该测站的初始近似坐标;将初始坐标值写入到?气软件里的“. 设 中;把.中的参数“聊 设定为.,并把“ 第三章高精度框架网数据处理与分析 定为即进行两次迭代:解算完毕后,检查,文件中的连续运行参考站的坐 标,发现其坐标不再更新,则该坐标就可以作为初始坐标五,,。如果最初对初 始坐标偏差设定为小于,并且进行了两次迭代之后,一般情况可以求得符合精度的 要求的初始坐标:五,,。五,,即为第一种方法。 第二种方法 由前面的分析可以看出,第一种方法所求得的初始坐标在一般情况下可以满足基线 解算的要求。然而,这对洲计算出的测站坐标还是有很大的影响的,下面我们将 从测站坐标的角度出发,来求得具有更高精度的初始坐标。由于对初始坐标空间分布进 行估计的计算量太大,为了减少计算量,我们将迭代次数设置为一次,即研究在一次迭 代范围内如何找到较高精度的初始坐标。 在、、三个坐标轴的正负方向上分别逐步加入偏移量,求出在一次迭代计算 的范围内满足要求的最大的初始坐标临界点丘,‘,以及最小的初始坐标临界点 舡,,互,视方向上的两个临界点的平均值为轴上的初始坐标置,同理,可得 、。那么五,,即为第二种方法。 把.中的参数“ 设定为,同时设定“, 。对,坐标值进行固定,在正、负两个方向上对五的值分别以为间隔逐步 地加上偏移量,直到求解出在正负向上的临界点。利用软件解算之后,初始坐 标在方向上的分布如图.所示,图.中的纵坐标为加入偏移量后,经一次迭代计 算求解的坐标与坐标五的差值,单位为厘米。横坐标则表示施加的偏移量缸,单位 为米。从图中可以看出来:在迭代次数为一次的情况下,当偏移量缸从负向的临 界点向正向的临界点逐步增加的过程中