GNSS控制测量及质量控制何海波)分解.pptx
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1,GNSS控制测量及质量控制,何海波,北京导航定位中心二一三年三月,2,课程内容,第一单元:
GPS静态测量质量控制第二单元:
GPSRTK测量质量控制第三单元:
GPS网平差原理第四单元:
GPS控制测量新进展,3,第一单元GNSS静态测量的质量控制,4,1.绪论,5,GPS,NAVSTARGPSNAVigationSatelliteTimingandRangingGlobalPositioningSystem美国建立的一个卫星导航定位系统提供全天候、不间断的高精度定位、测速和定时服务,6,空间部,分,地面监用户部,控部分分,GPS,24颗GPS卫星所组成的星座,5个跟踪站、3个注入站、1个主控站,GPS的系统组成,接收设备,7,测量定位原理,GPS测量定位的基本原理距离交会,单点定位,8,载波L1、L2用于搭载信号用于测距测距码C/A码、P码用于测距导航电文用于提供卫星轨道、钟及其他相关信息,L2,GPS卫星的信号D,L1C/AP2,P1,D,GPS的距离观测值,9,伪距利用测距码测定无模糊度问题精度分米级载波相位利用载波测定有模糊度问题精度毫米级,GPS定位中的(系统)误差源,与卫星有关的误差源卫星轨道误差、卫星钟的误差、相对论效应、SA(已于2000年5月2日中止)等。
与传播途径有关的误差的源电离层折射、对流层折射、多路径效应、电磁波干扰等。
与接收设备有关的误差源接收机天线相位中心偏差和变化、接收机钟的误差等。
GPS定位中的误差源,10,单点定位的缺陷,各种误差源对单点定位结果精度影响严重,即使经过标准模型进行改正后,定位精度也仅能达到10m左右,11,差分GPS(DGPS),DGPS的基本原理利用参考站计算出误差或误差对定位结果的影响,供运动站修正自己的观测值或定位结果DGPS的精度米级,12,13,相对定位,定位,相对定位的基本原理利用进行同步观测数据,确定接收机间的相对位置(基线向量)相对定位的特点通常采用载波相位观测值确定的是相对位置精度高,可达毫米级作业、数据处理复杂测量中普遍采用的是相对模式,相对定位,影响相对定位测量成果质量的因素,14,影响单一基线质量的因素测量定位的几何条件卫星的数量、几何分布及位置变化幅度观测值的类型和质量观测值的质量:
精度高低、周跳多少观测值的种类:
单频还是双频、L2的质量、是否有P码伪距、是否有气象元素数据处理方法处理方法:
软件、处理参数设置,影响相对定位测量成果质量的因素,影响整体测量成果质量的因素单一基线的质量网的结构网平差处理的方法,GPS网,15,GPS在测量中的应用,控制形变监测点位测量放样,16,本单元的重点,17,围绕GPS网的建立介绍如下内容GPS网的布设及外业观测基线解算及其质量控制GPS网平差及其质量控制核心问题质量控制(QC),什么是质量?
质量的定义产品或工作的优劣程度GPS测量产品质量的内涵精度可靠性,GPS测量产品质量的内涵,18,质量控制及其内容,19,质量控制一种用来确保生产出的产品保持合乎规定水平的系统GPS测量产品质量控制的内容质量评价(评定质量的指标)质量改善(提高质量的方法),20,2.GPS网布设及质量控制,21,2.1GPS网,定义GPS基线向量是通过在若干点上进行GPS同步观测所确定出的点间的相对位置关系表达方式地心坐标的坐标差(DX,DY,DZ)大地坐标的坐标差(DB,DL,DH)站心直角坐标(N,E,U)站心极坐标(S,A,EL)问题,GPS基线向量缺少绝对位置基准,GPS基线向量,基线向量,22,GPS网,GPS网定义由点和GPS基线向量所形成的一种结构布设GPS网的最终目的以一定的质量水平,确定网中点在某一坐标参照系下的坐标(纯)GPS网的观测值GPS基线向量,其作用为建立点间的相互关系,GPS网,23,实现绝对位置基准的传递绝对坐标信息通过基线向量进行传递提供用于进行质量检核条件(冗余度)闭合条件闭合环同步环、异步环(独立环)复测基线附合条件附合路线提供提高质量的方法粗差的探测及处理,平差处理,GPS网的作用,绝对位置基准的传递,24,GPS网与常规网,25,GPS网的优势站间通视不是必要条件全天候作业测站选择与网形无关,可专注于应用作业效率高易达到测量精度要求可同时获得三维大地坐标,GPS网与常规网,26,GPS网的劣势高效率对测量计划和调度有更高的要求不能容忍空中的障碍物,因此不能用于地下、植物下或建筑物下GPS通常只能满足特定的测量需求无法为后续的非GPS测量提供方位控制GPS测量的精度通常高于现有控制点的精度GPS设备的投资成本较高从业人员需要新技能,GPS网的工程应用,27,大地控制工程控制图根控制形变监测联合水准及重力资料建立精密(似)大地水准面模型,GPS网与CORS,28,CORSContinuouslyOperatingReferenceStations(连续运行参考站)趋势CORS是现代化的空间三维基准实现方法在工程应用领域,CORS将会逐步取代常规GPS网近期,在不发达地区和偏远地区,常规GPS网仍将作为一项建立测量控制的主要手段,建立GPS网的三个阶段,29,测前项目立项方案设计施工设计测绘资料收集整理仪器检验、检定踏勘、选点、埋石,建立GPS网的三个阶段,30,测中作业队进驻卫星状态预报观测计划制定作业调度及外业观测数据传输、转储、备份基线解算及质量控制,建立GPS网的三个阶段,31,测后网平差(数据处理、分析)及质量控制整理成果、技术总结项目验收,32,2.2几个基本概念,观测时段和时段长度,33,观测时段从测站上开始接收卫星信号起至停止接收卫星信号间的连续工作的时间段是GPS测量的基本单位时段长度观测时段所持续的时间,同步观测、基线向量和GPS基线向量网,34,同步观测两台或两台以上的GPS接收机对同一组卫星信号进行的观测基线向量利用进行同步观测的接收机所采集的观测数据计算出的接收机间的三维坐标差与计算时所采用的卫星轨道数据同属一个系统GPS基线向量网采用GPS技术布设的测量控制网,由GPS点和基线向量所构成,35,同步观测基线,定义利用同一时段的多个同步观测站所采集的观测数据所计算出的若干基线向量一个时段中,同步观测基线的数量若在某时段共有n台接收机进行了同步观测,则共可得到n(n-1)/2条同步观测基线,n=3,n=2,n=4,n=5,闭合环和环的闭合差,闭合环由多条基线向量首尾相连所构成的图形,n=5由5条基线向量所构成的闭合环,36,闭合环和环的闭合差,37,环的闭合差闭合差:
组成闭合环的基线向量按同一方向(顺时针或逆时针)的矢量和分量闭合差:
组成闭合环的基线向量按同一方向(顺时针或逆时针)矢量的各个分量的和全长闭合差:
分量闭合差的平方和开方,分量闭合差,环的闭合差,全长闭合差,同步观测环(同步环)和同步环检验,同步观测环(同步环)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,第一时段,第一时段,第一时段,第一时段,第一时段,第二时段,同步环与非同步环,38,同步观测环(同步环)和同步环检验,39,同步环检验定义:
检验同步环的闭合差大小特性理论上:
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)实践中:
如果算法不严密(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,但通常很小结论:
同步环闭合差很小,还不能说明基线解算结果一定能够满足精度要求,独立基线向量,40,定义:
线性无关的一组基线向量满足下面条件之一的为独立基线向量未构成闭合环的一组基线向量(例如:
一条基线向量,未构成闭合环的一组同步观测基线)虽构成了闭合环,但并非所有基线都来自同一观测时段提示完全由同步观测基线所构成的闭合环之间是线性相关的,是一组非独立基线向量GPS网应由相互独立的基线向量构成,独立基线向量,同步观测基线向量的最大线性无关组及选取方式,41,独立观测环(异步环)和独立观测环检验,独立观测环(异步环)定义:
由相互函数独立(线性无关)的基线向量所构成的闭合环。
(就是前面的非同步环),第一时段,第一时段,第一时段,第一时段,第一时段,第二时段,独立环与非独立环,42,独立观测环(异步环)和独立观测环检验,43,独立观测环检验定义:
检验独立观测环的闭合差大小特性:
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结论:
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,44,2.3衡量GPS网质量的指标,45,评定质量方法时的常见错误,根据是否打钩和是否是固定解来评定质量,根据报告中是否出现“失败”等字眼来评定质量,精度高就等于质量好,根据颜色和是否插旗来评定质量,GPS网质量的两个方面,精度基线向量改正数的大小基线向量的重复性闭合差的大小附合差的大小相邻点距离中误差的大小点位中误差大小可靠性可探测出的观测值中粗差的大小观测值中残余粗差对结果影响的大小,46,质量指标,控制指标(必须满足,需要用户来判断)同步环闭合差异步环闭合差复测基线较差无约束平差时基线向量的改正数参考指标(用于参考,不作要求,软件能自动判断)参考方差(s0)均方根误差(RMS)确定模糊度时的RMS比值(RATIO值),衡量精度的指标控制指标是依据应用,要求得出的参考指标是依据统计,47,原理得出的,规范中有关GPS网精度的内容,全球定位系统(GPS)测量规范(GB/T183142001),48,规范中有关GPS网精度的内容,全球定位系统(GPS)测量规范(GB/T183142001),49,规范中有关GPS网精度的内容,全球定位系统(GPS)测量规范(GB/T183142001),50,规范中有关GPS网精度的内容,全球定位系统(GPS)测量规范(GB/T183142001),51,规范中有关GPS网精度的内容,全球定位系统(GPS)测量规范(GB/T183142001),52,规范中有关GPS网精度的内容,全球定位系统(GPS)测量规范(GB/T183142001),53,规范中有关GPS网精度的内容,全球定位系统(GPS)测量规范(GB/T183142001),54,规范中有关GPS网精度的内容,全球定位系统(GPS)测量规范(GB/T183142001),55,规范中有关GPS网精度的内容,全球定位系统(GPS)测量规范(GB/T183142001),56,规范对GPS网可靠性的要求,57,规范对可靠性的控制方式在规范中并未直接给出有关GPS网可靠性的数值指标,而是通过对建网过程的控制来对可靠性加以保证规范对建网的过程控制观测要求:
时长、时段数、仪器设备、设站网结构:
边长、已知条件及连接关系、最简独立环边数,规范中有关GPS网可靠性的内容,全球定位系统(GPS)测量规范(GB/T183142001),58,规范中有关GPS网可靠性的内容,全球定位系统(GPS)测量规范(GB/T183142001),59,规范中有关GPS网可靠性的内容,全球定位系统(GPS)测量规范(GB/T183142001),60,61,2.4影响GPS网质量的因素,不影响GPS网质量的因素,GPS网中点的质量与点位分布无关,62,不影响GPS网质量的因素,63,网的形状对GPS网的质量没有直接影响,对于上述两个网形,如果对应基线的质量相同,则两个网的质量也相同。
影响GPS网质量的因素,64,观测值的精度由观测方法和基线处理方法决定起算数据的质量、数量、分布及与网的关系由网的设计和外业观测调度决定网的结构(基线向量的数量及配置)由网的设计和外业观测调度决定数学模型的完备性由数据处理软件决定外业观测工作,如对中、量高、天线定向等由外业作业人员决定,65,2.5保证GPS网质量的方法,保证GPS网质量的基本原则,观测值的精度和数量要保证通过外业观测和内业数据处理来保证起算数据的质量要保证,数量要适当,分布要均匀,与网的关系要紧密通过网的设计来保证网的结构要坚强通过网的设计来保证数学模型要完备由数据处理软件和数据处理方法来保证第2,3点实际上是GPS网设计的问题,66,GPS网设计的原则,67,质量的要求保证成果质量便于质量控制应用的要求利于成果的应用观测的要求保证观测质量保证观测效率便于观测施工,起算数据的设计,68,起算数据数量与网质量的关系起算数据质量高时,数量可不限起算数据质量低时,数量要适当,具体数目与项目性质及数据处理方法有关旧网改造或加密扩充:
起算点的数目可多一些新建网:
起算点的数目可少一些独立坐标系下的工程控制网:
可固定一点一方向起算数据的类型与网质量的关系涉及投影面高度问题的网应引入已知边长作为外部检核,网的结构设计,为覆盖面积大或延伸距离远的网布设高一等级的框(骨)架网,69,网的结构设计,网中距离较近的点间要进行直接观测保证网中具有足够数量的复测边和复测点通过增设基线提高网的结构强度最简异步环的边数不宜过多,70,短边必测,最简异步环,观测设计,71,仪器要求采用双频接收机:
有利于消除电离层折射的影响采用抗多路径天线(如带抑径板的天线)采用相同型号的天线:
有利于消除天线相位中心偏移和变化的影响观测设施强制对中观测环境选点时尽量避开易产生多路径的环境选点时尽量避开易产生电磁干扰的环境,观测设计,72,观测要求进行天线定向若非强制对中,不同时段天线重新安置,以提高对中、整平、量高的可靠性早晚观测、多时段观测、延长观测时段、提高采样率、降低截止高度角等作业调度保证足够的重复设站次数基线的布置(复测边、闭合环的配置):
保证适当数量的复测边,73,2.6GPS网的布网及观测方案,GPS网的布网方案,74,跟踪站式形式:
若干台接收机长期固定安放在测站上,进行常年、不间断的观测,数据处理通常采用精密星历由高精度数据处理软件进行。
优点:
精度极高,具有框架基准特性。
缺点:
需建立专门的永久性建筑即跟踪站,观测成本很高。
适用范围:
一般用于建立GPS跟踪站或永久性的监测网。
GPS网的布网方案,75,会战式形式:
一次组织多台GPS接收机,集中在一段不太长的时间内,共同作业。
观测分阶段进行,在同一阶段中,所有的接收机,在若干天的时间里分别各自在同一批点上进行多天、长时段的同步观测,在完成一批点的测量后,所有接收机又都迁移到另外一批点上采用相同方式,进行另一阶段的观测,直至所有点观测完毕。
优点:
具有特高的尺度精度。
适用范围:
A、B级网。
GPS网的布网方案,多基准站式形式:
在基准站进行观测的同时,另外一些接收机则在这些基准站周围相互之间进行同步观测。
优点:
各基准站间基线向量精度高,可以作为整个GPS网的骨架。
其余同步观测图形与各个基准站之间也存在有同步观测基线,图形结构强。
适用范围:
C,D级网。
多基准站式的布网形式,基准站,基准站,基准站,76,同步图形,GPS网的布网方案,同步图形扩展式形式:
多台接收机在不同测站上进行同步观测,在完成一个时段的同步观测后,又迁移到其它的测站上进行同步观测,每次同步观测都可以形成一个同步图形,在测量过程中,不同的同步图形间一般有若干个公共点相连,整个GPS网由这些同步图形构成。
优点:
扩展速度快,图形强度较高,且作业方法简单。
适用范围:
C,D级网。
同步图形的扩展,77,GPS网的布网方案,单基准站(星形网)式形式:
以一台接收机作为基准站,在某个测站上连续开机观测,其余的接收机在此基准站观测期间,在其周围流动,每到一点就进行观测,流动的接收机之间一般不要求同步,这样,流动的接收机每观测一个时段,就与基准站间测得一条同步观测基线,所有这样测得的同步基线就形成了一个以基准站为中心得星形。
优点:
效率高。
缺点:
图形强度弱,可靠性低。
适用范围:
D,E级网。
78单基准站式的布网,扩展方式,点连式形式相邻的同步图形间只通过一个公共点相连。
优点作业效率高,图形扩展迅速。
缺点图形强度低,如果连接点发生问题,将影响到后面的同步图形。
点连式,79,扩展方式,边连式形式相邻的同步图形间有一条边(即两个公共点)相连。
优点作业效率较高,图形强度较强。
边连式,80,81,扩展方式,网连式形式相邻的同步图形间有3个(含3个)以上的公共点相连。
优点图形强度最强。
缺点作业效率低。
网连式,推进方式,平推式(追鱼式),82,特点:
搬站时运动距离短,但需要交通工具较多,调度较复杂,同时搬站组数多,协调难度较大,推进方式,83,翻转式,特点:
搬站时运动距离长,但需要交通工具较少,调度较简单,同时搬站组数较少,协调难度较小,推进方式,84,伸缩式,特点:
搬站时运动距离短,需要交通工具较少,调度较简单,同时搬站组数较少,协调难度较小,节奏复杂,调度方案设计难度略大,推进方式,85,选择推进方式需考虑的因素重复设站的要求基线的布设迁站效率交通工具的配备作业组对点位的熟悉情况,GPS网作业进度图,GPS网作业进度图从已完成观测的同步图形中选取独立基线,在GPS网展点图上将被测点用直线连接起来,用以显示作业进度。
进度图的绘制应选取独立基线;用不同的颜色表示不同时段的同步观测基线。
作用进行网形设计;掌握作业进度。
同步图形的扩展,86,87,2.7工程进度及费用估算,影响工程进度的因素,88,观测时段的长度每点需观测的时段数迁站所需的时间每天可观测的时段数,重复设站次数,重复设站次数的定义在同一测站上所进行观测的时段数。
规范对平均重复设站次数的规定,89,90,最少观测期数,定义根据规范要求,布设一GPS网,需要观测的最少时段数。
特性最少观测时段数与网的等级、点的数量和用于观测的接收机的数量有关。
计算公式:
最少观测时段数,网的点数,参与观测的接收机数,最少平均重复设站次数,91,工程进度及费用估算,用于估算工程进度最少观测时段数/单天观测期数+机动天数用于估算外业观测作业成本观测天数单天成本,实例:
某网由100个点构成,计划用4台接收机进行观测,如果要求平均重复设站次数不得低于2.0,问至少需要观测多少个时段。
92,2.8GPS网的特征条件,93,GPS网的特征条件,若某GPS网由n个点组成,每点的设站次数为m,用N台GPS接收机进行观测观测时段数C:
总基线数J总:
独立基线数J独:
必要基线数J必:
多余基线数J多:
94,小结,95,本讲小结,GPS测量定位原理概述测量成果质量的内涵:
质量=精度+可靠性测量成果质量控制的内容:
评价+改善质量控制的环节:
设计、外业、内业GPS网的质量评定、保证方法GPS网的布网及观测方案GPS网工程进度及成本估算,96,3基线解算的质量控制,97,3.1概述,基线解算,98,定义利用多个测站的GPS同步观测数据,确定这些测站之间坐标差的过程观测值GPS载波相位观测值(主要):
原始观测值、差分观测值、不同频率的组合观测值GPS伪距观测值(辅助)结果基线向量精度(中误差)及误差相关性信息(协因数阵),基线向量的表达方式,99,地心地固坐标(ECEF)笛卡儿坐标系(DX,DY,DZ)大地坐标系(DB,DL,DH)DB:
纬差;DL:
经差;DH:
大地高差站心地平坐标系直角坐标系(N,E,U)N:
北方向;E:
东方向;U:
垂直方向极坐标系(S,A,H)S:
距离;A:
方位角;H:
高度角,基线解算的分类,100,根据数学模型单基线解、多基线解、整体解(多站网解)根据观测值类型L1解、L2解、宽巷(Wide-lane)解、窄巷(Narrow-lane)解、无电离层影响(Iono-free)解根据所采用差分观测值的类型非(零)差解、单差解、双差解、三差解根据模糊度的确定情况浮动解、固定解根据数学模型分类单基线解(SingleBaseline/BaselineMode)多基线解(MultipleBaseline/SessionMode)整体解(多站网解)(CampaignMode),101,基线解算的流程(软件内部),数据导入(观测值、星历、气象元素、测站信息等),数据预处理(周跳探测与修复、形成差分观测值),组成观测方程(待定参数包括基线向量、整周模糊度等),平差解算(待定参数包括基线向量、整周模糊度等),是否存在劣质观测值或小周跳,剔除或修复,是,否,能否确定整周模糊度参数,否,是,确定基线向量的固定解,确定基线向量的浮动解,模糊度解算阶段,确定最终解阶段,基线解算的流程(软件操作),数据准备(GPS观测数据、卫星星历、人工观测数据、先验数据等)处理控制参数设置(星历类型、截止高度角、周跳修复方法)软件处理,基线结果质量检验,合格结束,102,不合格,基线解算结果的内容,103,解的类型(三差解,双差解,固定解,浮动解等)不同系统下的输入、输出坐标接收机的相关信息(如序列号等)坐标分量估值的标准偏差所有坐标参数(包括整周未知数参数等),的相关矩阵或方差-协方差阵卫星几何形状的信息(如RDOP值等)信号跟踪记录(数据记录时间、卫星、通道、信号质量等),基线解算结果的内容,104,数据删除率,采样率,数据剔除准则星历内容综述,健康标志信息进行的数据预处理措施(如对流层模型)观测值改正数(残差Residual)结果统计检验结果整周未知数的确定结果解的质量综述,基线解算结果的作用,105,后续数据处理的观测值(GPS基线向量网平差的观测值)进行基线质量控制的依据,对基线解算质量影响最大的两因素,周跳处理方法修复标记并引入参数进行求解整周模糊度(整周未知数)处理方法设法固定固定解保持为实数浮点解此两项若处理不当,将引起基线分米及以上的误差;若处理正确,则基线精度将达厘米级。
106,107,3.2基线质量的评定,质量的参考指标,某些软件采用质量的参考指标对基线进行质量控制,108,质量的参考指标,单位权方差因子定义,实质又称为参考因子或参考方差,一定程度地反映了观测值质量的优劣,单位权方差因子,观测值的残差,观测值的权,自由度,109,质量的参考指标,观测值的RMS定义:
观测值残差的均方根(RootMeanSquare),实质,反映了观测值与参数估值间的符合程度一定程度地反映了观测值质量的优劣一般认为,RMS越小越好,观测值的均方根误差,观测值的残差,观测值的数量,110,质量参考指标,111,数据删除率定义:
在基线解算时,如果观测值的改正数大于某一个阈值时,则认为该观测值含有粗差,则需要将其删除。
被删除观测值的数量与观测值的总数的比值,就是所谓的数据删除率。
实质:
数据删除率从某一方面反映出了GPS原始观测值的质量。
数据删除率越高,说明观测值的质量越差。
RATIO定义实质反映了所确定出的整周未知数参数的可靠性,该值总大于等于1,值越大,可靠性越高。
这一指标取决于多种因素,既与观测值的质量有关,也与观测条件的好坏有关。
在GPS测量中的“观测条件”指的是卫星星座的几何图形的分布和变化。
通常,卫星数量越多、卫星分布越均匀、观测时间越长,观测条件越好。
质量的参考指标,112,质量参考指标,RDOP定义:
所谓RDOP值指的是在基线解算时待定参数的协因数阵的迹()的平方根,即RDOP值的大小与基线位置和卫星在空间中的几何分布及运行轨迹(即观测条件)有关,当基线位置确定后,RDOP值就只与观测条件有关了,而观测条件又是时间的函数,因此,实际上对与某条基线向量来讲,其RDOP值的大小与观测时间段有关。
实质:
RDOP表明了GPS卫星的状态对相对定位的影响,即取决于观测条件的好坏,它不受观测值质量好坏的影响。
113,114,质量的控制指标,同步环闭合差定义由同步观测基线所组成的闭合环的闭合差。
特点:
理论上:
由于同步观测基线间具有一定的内在联系,同步环闭合差
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- 关 键 词:
- GNSS 控制 测量 质量 海波 分解
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