《实用GPS测量数据处理教程》概述（精选4篇）
篇1：《实用GPS测量数据处理教程》概述
全球定位系统（Global Positioning System-GPS）作为新一代的卫星导航定位系统，经过二十多年的发展，已发展成为一种被广泛采用的系统，它的应用领域和应用前景已远远超出了该系统设计者当初的设想，目前，它在航空、航天、军事、交通、运输、资源勘探、通信、气象等几乎所有的领域中，都被作为一项非常重要的技术手段和方法，用来进行导航、定时、定位、地球物理参数测定和大气物理参数测定等。作为较早采用GPS技术的领域，在测量中，它最初主要用于高精度大地测量和控制测量，建立各种类型和等级的测量控制网；现在，它除了继续在这些领域发挥着重要作用外，还在测量领域的其它方面得到充分的应用，如用于各种类型的施工放样、测图、变形观测、航空摄影测量、海测和地理信息系统中地理数据的采集等。尤其是在各种类型的测量控制网的建立这一方面，GPS定位技术已基本上取代了常规测量手段，成为了主要的技术手段。现在，在我国采用GPS技术布设了新的国家大地测量控制网，很多城市也都采用GPS技术建立了城市控制网。
为了使大家能充分了解和掌握利用GPS定位技术建立控制网的基本原理和方法，本书将围绕着利用GPS定位技术布设控制网的全过程，介绍在布网过程中所设及到的大量理论与技术问题，内容将包括从技术设计、外业观测、基线解算、直到网平差和提交成果进行验收等各个环节，具体有以下一些内容：
1.GPS定位原理概述。在这一部分里，将简要介绍GPS系统和GPS定位的基本原理。如果读者已对此
有较全面的了解，可以跳过此部分。
2.坐标系、基准和坐标系统。介绍在采用GPS布设控制网时常用的坐标系统及各坐标系统间的转换关系。
3.GPS静态定位在测量中的应用。介绍GPS静态定位在测量中的主要应用方式及作业步骤。
4.技术设计。介绍在布设GPS网时，进行技术设计的作用、原则和内容。
5.布网方法。介绍GPS网的类型和布网方法。
6.GPS基线解算。介绍基线解算的原理、步骤、精化处理方法和质量控制方法。
7.GPS基线向量网平差。介绍GPS网平差的类型、原理、步骤和质量控制方法。
8.GPS高程。介绍采用GPS进行测定高程的方法。
9.技术总结。介绍布设GPS网时，技术总结的作用和内容。
本书的目的是使读者能够了解GPS数据处理的基本原理和过程，掌握布设GPS网及数据处理的方法，因此全书侧重于方法的介绍，对于理论问题未做过多叙述，对于这些问题，读者若感兴趣，可阅读其它有关书籍。
篇2：GPS控制网测量数据处理概述
关键词：GPS,控制网,数据处理,整网平差
在地球表面建立高精度的测量控制网为各种测量提供基准以及为地球动力学研究提供数据是地球测量学的主要任务之一。但各网络由于测量仪器和数据处理方法不同, 存在着基准不统一和系统误差, 给测量带来极大的困难。为发挥各个网络的整体作用, 必须将各个网络与网络工程点进行联测, 统一网络基准。各网络数据处理采用的基准和方法的不统一, 尤其是早期数据处理上的缺陷, 导致了部分GPS基线结果的不可靠。各区域构造运动的层次分布极为不同, 出现非刚性运动, 不同构造体之间的基线观测所受到的地壳运动影响不能通过一个整体的刚性平移、旋转或放大和缩小消除。根据各网络的GPS基线进行整网平差, 在网络整网平差时引入尺度和坐标的旋转因子从而吸收地壳运动和消除各网络基准不统一的影响, 得到GPS控制网的数据分析结果。本文采用统一的数据处理方法对原始测量数据重新整理, 建立地壳运动速度场消除其对观测值的影响。
1 地壳运动速度场的因素
由于GPS数据时间跨度场, 某些区域地壳之间点位的相对运动到达甚至超过50CM, 整网平差时不同时间的测量值之间必然存在地壳运动的影响。因此了解每个点的运动速度是消除地壳运动影响的主要方法。由于GPS数据只有一期的观察值, 很难通过这些值直接计算地壳点的运动速度。当板块的划分和板块为刚性体时, 可通过计算地壳板的欧拉矢量, 反求或采用数学方法拟和的方法获得地壳点的速度。但无论板块如何划分, 有些区域内部以及边缘区域是非刚性的。一般采用基于连续应变率场的速度拟和方法, 兼顾一定的地理学意义, 同时又避免对板块体的划分要求。
地壳运动速度场的建立主要分为如下三步:1) 综合所以的单日松弛解, 对两期观察和观察间隔大于1年的点求解速度。2) 剔除速度异常和速度误差大于3.5mm/a的点, 从而得到一个连续性和一致性的实测速度场。3) 在速度场的基础上采用基于连续应变率场的速度拟和方法内插估计其他点的速度。
如果有些店的运动速度与地壳运动的整体趋势相异, 则计算结果不能代表改点的地壳运动, 因此必须剔除这些点。此外, 整网平差时点速度作为已知值处理, 点速度误差会对观测值的历元归算带来较大影响, 尤其是对早期观测的点。由于GPS定位的垂向精度较低, 有些点天线高的测量明显存在着误差, 因此在速度求解过程中, 对部分点的垂向速度参数增加了随机扰动, 以避免垂向误差和粗差对水平方向和其他点的影响, 导致得到的这些点的垂向速度是非真实实值。所以, 对于垂向速度, 仅对网络工程点取用测值, 而将其他点都设定为零。网络工程点采用实测值是基于两个方向的考虑:1) 网络工程点为强制对中观测墩, 有统一的观测规程, 垂向速度具有一定的可信度。2) 为保障最终平差结果与网络工程结果的一致性。绝大部分地区的垂向运动速率在1-8m m Pa.忽略地壳的垂向运动, 对观测值的影响是明确的, 影响的大小取决于点所在的区域和观测年代。
2 数据处理
GPS数据处理采用MIT (Mas s achus e tts Ins titute ofTe chnology) 和SIO (Scripps Institution of Oceanography, Universityof Californiaat San Die go) 提出的方法, 主要分为两步:1) 使用GAMIT计算载波相位观测得到全球或区域的单日解 (包括约束解和松弛解) ;2) 利用GLOBK将区域的单日松弛解与SOPAC (Scripps OrbitalandPe rm ane nt ArrayCe nte r) 计算出全球单日松弛解通过公共点和卫星合并, 得到一个包含测站、极移和卫星参数的松弛解。由于不同年代的卫星状况、卫星星历精度、IGS站分布以及接收设备存在较大的差异, 所以解算单日解的策略也不全相同。早期全球IGS站有限, 为尽可能多地组成双差观测并改进轨道, 这期间数据的处理加入了全球IGS站, 并对SIO的精密轨道给予10-6量级的约束;中期数据的处理只联合周边IGS站, 对SIO的精密轨道给予10-9量级的约束, 但大量MiniMac仪器的观测数据是非整30s采样, 不能与其他数据联合解算, 组成的双差观测较少 (一般只有4台~5台仪器同步作业) , 为了利于求解载波相位的整周模糊度, 对SIO的精密轨道给予10-9量级的约束。Mini2Mac仪器的观测数据经过GAMIT处理后计算出一个完全独立的无基准解, 然后将卫星与SOPAC全球解结合在一起。
3 整网平差分析
GPS控制网的整网平差采用序贯卡尔曼滤波原理, 在滤波过程中允许每个单日解有整体的平移和旋转, 同时允许个别参数存在随机游走式的扰动, 可以分离一些误差或粗差。整网平差与实测速度场的求解过程相似, 不同之处在于:各点的运动速度以已得到的速度值 (ITRF97参考框架) 为已知值, 不再作未知数处理;选择IGS核心站通过7个参数的相似变换来实现ITRF97参考框架。选择IGS核心站的原则是:1) 在全球范围内较均匀分布;2) 具有可靠的、高精度的ITRF97参考框架下的坐标和速度;3) 在区域点观测期间有较好的观测质量。此外, 无论求解速度场还是最终的整网平差, 都存在单日解先验精度的评估和匹配问题。GPS单日解的方差和协方差矩阵表征的只是未知参数间的内符精度, 但各单日解之间的精度并非完全匹配。目前暂时还没有严密的方法来计算GPS解的真实精度, 只能采用一种近似的方法来确定每一个单日解的权重。具体的做法是分别进行正、反向的卡尔曼滤波, 取单日解正、反向的验后拟合残差平均值的均方根作为单日解方差和协方差矩阵系数, 反复迭代直到每一个单日解近似等于1。
4 整网平差结果外部检核
由于某些区域形变监测点的观测数据没有纳入GPS控制网的整网平差, 分别处理这些观测数据得到这些点在观测时刻的坐标, 并将其与整网平差的速度外推结果相比较。某地区的观测是在Ms8.1级地震后实施的, 观测的绝大多数点都产生了震时和震后形变, 所以只选择了远离震中的4个点进行整网平差的检核, 并完成了近100个形变监测点的复测, 其中绝大多数点在此前已有两次或两次以上的观测, 这里仅选择此前只有一次观测的点进行检核统计, 以尽可能地使抽样检核的结果均衡地区分和反映观测点速度的影响。
总之, 经典的控制网是静态的、水平控制和高程控制是完全独立存在的。GPS控制网改变了这种状态, 并且整网平差的三维位置精度平均优于3cm, 能满足各种控制测量的需要。GPS数据的统一处理充分利用了目前完善、先进的数据处理技术, 从根本上消除了参考框架等系统误差的影响, 弥补了原数据处理方法及模型的局限所造成的精度损失。
参考文献
[1]李毓麟, 刘经南, 葛茂荣等.中国国家A级GPS网的数据处理和精度评估[J].测绘学报, 2006.
篇3：《实用GPS测量数据处理教程》概述
关键词：GPS，水深测量，延迟差，水深点错位，校正系数
1 前言
长江航道部门在航道整治工程、码头修建以及城市沿江规划等工程上，为了确保施工质量，通常采取大比例尺的水深测量，比如1：500；1：1000的水下地形测量。实践中发现，在水上测量软件中GPS距离定位模式采集数据会产生延迟差，往往会对河岸、航道边坡水深产生一定的影响，造成水深点错位、等深线不平滑，严重时河岸、航道边坡等深线呈波浪形或“S”形，信标机测量不太明显，RTK测量则比较明显，而且是测图比例尺越大越明显。工程质量不能满足设计要求。
对于GPS距离定位延迟所产生的测量成果有误的问题，应用“processlag”工具软件可在GPS定位数据后处理时进行定位延迟改正，使水深测绘成果符合系统测量要求和水深测量规范要求，以满足测量单位在大比例尺水深测量方面获得理想的测绘成果。
2 “processlag”工具软件进行延迟改正
“processlag”软件的功能是通过进行延时修正，来帮助我们解决时间延迟所造成的水深点错位问题。
该工具软件无须安装，只须拷贝到桌面即可使用，使用时双击该工具软件图标 ，打开工具软件界面，如下图窗口所示，“滞后校正系数”是指需要改正的延迟差，而延迟差是通过测量时的平均航速求算出来的，也可以通过该工具软件的平均速度获得，“滞后处理”是指要修正定位延迟的原始数据文件打开路径和文件名即“打开文件”，“保存文件”是指对处理后的文件进行保存的路径和文件夹，该功能为单一数据文件处理，也就是说每次只能处理一个数据文件，而批量处理则是可以同时选定多个数据文件进行批量处理，处理后的数据将被保存在默认的“processlag”文件夹内，在批量改正时，每次所选定的原始数据文件不能超过15个，在做批量修改是应注意批量选定的顺序与编号来避免漏改，修改完后应检查“processlag”文件夹内的经修改后的数据文件是否与要修改的文件数一致，不一致时则说明有出现漏改的现象，只要仔细查对线号就能知道没修改到的文件，这时只需要补上即可。
滞后校正系数，我们可以理解为滞后校正时间，它是根据软件求解一条测线的平均速度或者结合工程中的经验值来确定的。我们这里以延迟0.8秒值来举例说明：首先在“滞后校正系数”栏内输入0.8，之后选择要进行延迟改正的原始数据文件和确定要保存文件的路径，进行滞后处理，打开的原始文件和修改后的文件格式均为*.org格式文件。
保存文件：修改后所要保存文件的路径与文件夹名可由自己确定，而保存的文件类型仍然是*.org文件。
3 “processlag”软件可进行数据的批量处理
批量处理方法同上，必须注意下面几点：
1）选择打开的文件不能过多（<15，根据单个文件数据量的大小可能存在上浮或下调），过多会出现文件打不开的情况。
2）批量处理的保存路径不能进行设置，软件会在原始数据文件夹下自动生成名为 的文件夹，修正后的数据也将自动保存在这个文件夹内，保存类型也为*.org文件。
3）批量处理时，可能存在不同线之间速度差别很大的情况，在选择时应该注意，最好是取平均速度。
4）批量处理时，原始数据格式不正确的情况下，软件是无法进行修改的，但在处理后也会生成一个空的新文件。
4 GPS定位数据延迟改正前后效果对比
（图一）是宜昌航道白洋码头没有经过延迟改正的水下测量地形图。测量仪器：GPS定位仪器为南方灵锐S82T，测深仪型号为无锡HY1601。测量参数：测图比例为1：500，定位点距4米，中央子午线111，北京-54椭球，投影方式为高斯投影。测量导航软件是南方自由行软件，测量数据经过数据后处理后所得出的DAT数据文件在南方CASS7.1成图系统下进行成图。从下图中可以发现：等深线不平滑，严重到航道等深线呈波浪形或“S”形，存在水深点错位迹象。该地形图既不美观，测图定位精度和成图质量也不高。
（图一）
（图二）是宜昌航道白洋码头GPS定位数据经过延迟改正后的1：500水下测量地形图：从图上可以看出，等深线光滑流畅，图形美观，成图质量良好，消除了水深点错位迹象。所以大比例测图时，必须经过数据延迟改正后才能进行成图。
（图二）
5 结束语
目前广大的测量用户测量平面定位均普及为GPS RTK定位，在水上RTK测量时受测量软件数据传输速度及自身缺陷制约存在距离定位延迟差。因此，建议测量单位在工程大比例尺水深测量时尽可能采用时间间隔来采集，这样就能大大减少软件推算的距离差，产生明显的错位而导致成图质量的降低。总之，在工程测量时，增强工作责任心，保持均匀的测量航速，在“processlag”软件里严格进行数据延迟改正，将大大提高定位精度和成图质量。
篇4：《实用GPS测量数据处理教程》概述
关键词：GPS“导航卫星测时与测距全球定位系统”,RTK,静态定位,动态定位
1 GPS技术发展现状
全球定位系统GPS (Global Positioning System) 是美国陆海空三军联合研制的卫星导航系统, 具有全球性、全天候、连续性、实时性导航定位和定时功能, 能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。单点导航定位与相对测地定位是GPS应用的两个方面, 对常规测量而言相对测地定位是主要的应用方式。
相对测地定位是利用L1和L2载波相位观测值实现高精度测量, 其原理是采用载波相位测量局域差分法:在接收机之间求一次差, 在接收机和卫星观测历元之间求二次差, 通过两次差分计算出待定基线的长度;求解整周模糊度是其关键技术, 根据算法模型, 设计了静态、快速静态以及RTK等作业模式。静态作业模式主要用于地壳变形观测、国家大地测量、大坝变形观测等高精度测量;快速静态测量以其高效的作业效率与厘米级精度广泛应用于一般的工程测量;而PTK测量以其快速实时、厘米级精度等特点广泛应用于数据采集 (如碎部测量) 与工程放样中。RTK技术代表着GPS相对测地定位应用的主流。
GPS测地型接收设备是实现测地定位的基本条件, 接收机有单频和双频之分。双频机能以L2观测值修正电离层折射影响, 最适宜于中、长基线 (大于20km) 测量, 具有快速静态测量的功能, 可升级为RTK功能;单频机适宜于小于20km的短基线测量, 对于一般工程测量具有良好的性能价格比。RTK系统由GPS接收设备、无线电通讯设备、电子手薄及配套设备组成, 整套设备在轻量化、操作简便性、实时可靠性、厘米级精度等方面的特点, 完全可以满足数据采集和工程放样的要求。鉴于GPS系统在轨卫星数有限, 在对空通视受遮挡的条件下, 不能保证正常解算, 影响定位的精度和可靠性。实践表明, 单频GPS系统由于多环境的制约, 存在着很大的局限性。随着俄罗斯的全球导航卫星系统 (GLUNASS) 的不断完善, 利用GLUNASS来改善GPS性能的双星座系统 (GLUNASS+GPS) 已由美国Ashtech公司研制成功, 这种全天候、全地域、高精度的系统为用户提供了更为完善的接收设备, 双星座系统的接收设备代表GPS接收设备的新水平。
2 GPS技术在公路测量中的应用前景
随着我国国民经济的快速增长, 我省的高等级公路建设迎来前所未有的发展机遇, 这就对勘测设计提出了更高的要求。随着公路设计行业软件技术和硬件设备的发展, 公路设计已实现CAD化, 有些软件本身还要求提供地面数字化测绘产品的支持, 建立勘测、设计、施工、后期管理一体化的数据链, 减少数据转抄、输入等中间环节, 是公路勘测设计“内外业一体化”的要求, 也是影响高等级公路设计技术发展的“瓶颈”所在。目前公路勘测中虽已采用电子全站仪等先进仪器设备, 但常规测量方法受横向通视和作业条件的限制, 作业强度大且效率低, 大大延长了设计周期。勘测技术的进步在于设备引进和技术改造, 在目前的技术条件下引入GPS技术应当是首选。当前, 用GPS静态或快速静态方法建立沿线总体控制测理, 为勘测阶段测绘带状地形图, 路线平面、纵面测量提供依据。在施工阶段为桥梁、隧道建立施工控制网, 这仅仅是GPS在公路测量中应用的初级阶段, 其实, 公路测量的技术潜力蕴于RTK (实时动态定位) 技术的应用之中, RTK技术在公路工程中的应用有着非常广阔的前景。下面就RTK技术在公路勘测中的应用做简单地介绍。
3 RTK技术在公路测量中的应用
3.1 实时动态 (PTK) 定位技术简介
实时动态 (PTK) 定位技术是以载波相位观测值为依据的实时差分GPS (PTDHPS) 技术, 它是GPS测量技术发展的一个新突破, 在公路工程中有广阔的应用前景。众所周知, 无论静态定位, 还是准动态定位等定位模式, 由于数据处理滞后, 所以无法实时解算出定位结果, 而且也无对观测数据进行检核, 这就难以保证观测数据的质量, 在实际工作中经常需要返工来重测由于粗差造成的不合格观测成果。解决这一问题的主要方法就是延长观测时间来保证测量数据的可靠性, 这样一来就降低了GPS测量的工作效率。
实时动态 (RTK) 定位技术由基准站和流动站组成, 建立无线数据通讯是实时动态测量的保证, 其原理是取点位静度较高的首级控制点作为基准点, 安置一台接收机作为参考站, 对卫星进行连续观测。流动站上的接收机在接收卫星信号的同时, 通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据, 随机计算机根据相对定位的原理实时计算显示出流动站的三维坐标和测量精度。这样用户就可以实时监测待测点数据观测质量和基线解算结果的收敛情况, 根据待测点的精度指标, 确定观测时间, 从而减少冗余观测, 提高工作效率。
3.2 应用
实时动态 (RTK) 定位技术有快速静态定位和动态定位两种测量模式, 两种定位模式相结合, 在公路工程中的应用可以覆盖公路勘测、施工放样、监理和GIS (地理信息系统) 前端数据采集。
(1) 快速静态定位模式要求GPS接收机在每一流动站上静止地进行观测。在观测过程中, 同时接受基准站和卫星的同步观测数据, 实时解算整周末知数和用户站的三维坐标。如果解算结果的变化趋于稳定, 且其精度已满足设计要求, 便可以结束实时观测。一般应用在控制测量中, 如控制网加密;若采用常规测量方法 (如全站仪测量) , 受客观因素影响较大, 在自然条件比较恶劣的地区实施比较困难, 而采用PTK快速静态测量, 可起到事半功倍的效果。单点定位只需要5—10mins (随着科技的不断发展, 定位时间还会缩短) , 不及静态测量所需时间的五分之一, 在公路测量中可以代替全站仪完成导线测量等控制点加密工作。
(2) 动态定位测量前需要在一控制点上静止观测数分钟 (有的仪器只需要2-10s) 进行初始化工作, 之后流动站就可以按预定的采样间隔自动进行观测, 并连同基准站的同步观测数据, 实时确定采样点的空间位置。目前, 其定位精度可以达到厘米级。
动态定位模式在公路勘测阶段有着广阔的应用前景, 可以完成地形图绘测、中桩测量、横断面测量、纵断面地面线测量等工作。测量2-4s, 精度就可以达到1-3cm, 且整个测量过程不需通视, 有着常规测量仪器 (如全站仪) 不可比拟的优点。
3.3 RTK技术的优点
(1) 实时动态显示经可靠性检验的厘米级精度的测量成果 (包括高程) 。
(2) 彻底摆脱了由于粗差造成的返工, 提高了GPS作业效率。
(3) 作业效率高, 每个放样点只需停留1-2s, 流动站小组作业, 每小组3-4人可完成中线测量5-10km。若用其进行地形测量, 每小组每天可以完成0.8-1.5km2的地形测绘, 其精度和效率是常规测量所无法比拟的。
(4) 在中线放样的同时完成中桩抄平工作。
(5) 应用范围广, 可以涵盖公路测量 (包括平、纵、横) 、施工放样、监理、竣工测量、养护测量、GIS前端数据采集诸多方面。
(6) 如辅助相应得软件, RTK可与全站仪联合作业, 充分发挥RTK与全站仪各自的优势。