GPS基线解算质量控制措施研究

　　摘要：本文首先介绍了基线向量结果质量的评定指标，然后对影响基线解算结果质量的因素进行了分析，在此基础上，提出了基线解算结果质量控制措施，最后对基线解算结果质量的改善方法进行了探讨。
　　关键词：GPS；基线解算；质量控制
　　
　　0 引言
　　基线解算阶段质量控制的目的是为了向后续的数据处理分析提供合格的基线向量结果，而基线解算阶段质量控制的内容包括通过一系列的指标，对基线向量结果的质量进行评估，发现质量差（不合格的基线）和通过数据处理手段，提高基线向量结果的质量。
　　为了提高GPS基线解算成果的质量，很多技术人员从不同的角度对这一问题进行了探讨，提出了相应的改进措施。本文在总结基线解算结果质量评定指标的基础上，探讨了影响基线解算结果质量的因素，并提出了基线解算结果质量控制措施，对改善GPS数据处理质量做出了有益的探索。
　　1 基线向量结果质量的评定指标
　　1.1相对指标
　　相对指标无法确切判定质量合格与否。
　　单位权方差因子：单位权方差因子又称为参考因子，在一定程度上反映了观测值质量的优劣。
　　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。一般要求数据删除率小于10％。
　　RATIO：反映了所确定出的整周未知数参数的可靠性，该值总≥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。通常情况下要求RATIO值＞3。
　　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。
　　RMS：一定程度表明了观测值的质量，观测值质量越好，RMS越小，反之，观测值质量越差，则RMS越大，它不受观测条件（观测期间卫星分布图形）好坏的影响。
　　1.2 半相对半绝对指标
　　半相对半绝对指标可确切判定质量是否不合格，却无法确切判定质量是否合格。
　　同步环闭合差：由于同步观测基线间具有一定的内在联系，从而使得同步环闭合差在理论上应总是为0。实践中，只要数学模型正确、数据处理无误，即使观测值质量不好，同步环闭合差也非常小。如果同步环闭合差超限，则说明组成同步环的基线中至少存在1条基线向量是错误的，但反过来，如果同步环闭合差没有超限，还不能说明组成同步环的所有基线在质量上均合格。
　　1.3 绝对指标
　　绝对指标可确切判定质量合格与否。
　　异步环闭合差：当异步环闭合差满足限差要求时，则表明组成异步环的基线向量的质量是合格的；当异步环闭合差不满足限差要求时，则表明组成异步环的基线向量中至少有1条基线向量的质量不合格，要确定出哪些基线向量的质量不合格，可以通过多个相邻的异步环或重复基线来进行。
　　复测基线校差：复测基线校差满足限差要求时，则表明基线向量的质量是合格的；复测基线校差不满足限差要求时，则表明复测基线中至少有1条基线向量的质量不合格；要确定出哪些基线向量的质量不合格，可以通过多条复测基线来判定。
　　2 影响基线解算结果质量的因素
　　GPS测量属于空间后方距离交会，是一种空间三角测量，可直接确定点的三维坐标或点与点之间的三维坐标差。因此，所测几何距离的质量、数量的分布，是决定所得成果质量的关键因素。同时，采取不同的数学模型和算法，对所取得的结果质量也有非常重要的影响。概括起来，基线解算结果的质量取决于观测值的质量、观测的几何条件、卫星轨道数据的质量和数据处理的模型和方法四方面的因素［4］。
　　2.1 观测值的质量
　　观测值的质量主要体现在观测值的精度、采样率、周跳发生的频度和多路径效应等几个方面。观测值的精度是影响基线解算结果质量的潜在因素，包括野外工作失误（错误的天线高、错误的测站名、对中误差），接收机设置不一致（同步率、卫星的启用和信用、数据格式），以及在不利的条件下进行数据采集。理论上，采样率对基线解算结果质量的直接影响微乎其微，但采样率高的观测值更有利于探测周跳。周跳发生的频度主要影响部分周跳探测及处理算法的效果。在观测时段内多路径效应如果比较严重，则观测值的改正数普遍会比较大。
　　2.2 卫星轨道数据的质量
　　卫星轨道数据的质量指根据卫星轨道数据计算的卫星位置和卫星真实位置之间差异的大小。这属于星历误差，GPS提供的是广播星历，我们可以利用其中的卫星轨道数据和轨道变化率来推求卫星的瞬间位置，作为空间后方交会已知点位数据。差异越小，相当于已知点的精度越高，反之，精度越低，直接影响基线解算结果的质量。
　　2.3 数据处理的模型和方法
　　数据处理的模型和方法包括数学模型和算法等多个方面，数学模型又包括函数模型和随机模型。函数模型的好坏取决于是否能正确处理GPS测量中的几何关系和偏差，而随机模型的好坏则取决于能否正确反映观测值和先验约束条件的真实统计特性。算法方面包括周跳的探测与修复、整周未知数的快速确定和解的稳定性等。
　　3 基线解算结果质量控制措施
　　3.1 外业数据的核查
　　在录入外业观测数据后，进行基线解算之前，必须对观测数据进行必要的检查。检查的项目主要包括测站名点号、测站坐标、天线高等，以避免外业操作时的误操作，检查发现有误应及时查明原因，改正后方可进行下一步操作。
　　3.2 基线向量处理的设置
　　基线解算前还必须正确设置控制参数，用以确定数据处理软件采用何种处理方法来进行基线解算，设定基线解算的控制参数是基线解算时的一个非常重要的环节，通过控制参数的设定，可以实现基线的精化处理。主要包括：
　　（1）采样间隔。根据基线长度和观测时间的长短，设置不同的数据采样间隔是解算高质量基线的先决条件。一般情况下，对于短边且观测时间较短时，可适当缩小采样间隔，选取5s或者10s的采样间隔，而对于长边，可适当增大采样间隔，选取60s或者更大的时间间隔。
　　（2）截止高度角。数据处理中截止高度角一般取15°，通常将高度比较低的卫星信号剔除，但截止高度角的设置要视观测站点周围的环境情况来决定。进行外业观测时，应根据卫星分布状况尽可能减小截止高度角，以采集尽量多的数据，为后续数据处理提供更多的观测数据。
　　（3）参考卫星。在组成双差观测值时，解算软件一般会自动选取观测数据最多、周跳少而且高度角较高的卫星作为参考卫星。但由于受观测条件的影响，软件的选择未必最合理，当参考卫星选取不当时，会影响基线处理结果，必须根据观测数据状况手工重设参考卫星。在重设参考卫星时，要根据卫星预报、野外观测记录、前面基线处理的结果状况综合进行选择。一般选择观测时间长、残差较小的卫星作为参考卫星。
　　（4）粗差容忍系数。为保证基线精度及网形的连通性须将一些不合格的数据当作粗差剔除才能进行高质量的基线解算。观测值偏离模型值超过（粗差容忍系数×RMS）时，就认为这组观测值为粗差。这个系数太大或者太小都会影响观测数据剔除的标准。基线处理时可采用默认的设置3.5。
　　3.3 基线解算结果质量的改善方法
　　（1）基线起点坐标不准确的应对方法。使用坐标精度高的点作为起算点，较为准确的坐标可通过与已知点联测和长时间单点定位获取，所有基线从这一点或由该点衍生出的点起算。
　　（2）卫星星历的选择。GPS卫星的轨道数据有两种类型：一种是卫星信号提供的广播星历，另一种是由某些机构或组织提供的精密星历。在高精度测量中，可采用精密星历进行解算。卫星星历误差对单点定位和相对定位的影响方式是不一样的，因此可采用相对定位方式来获取高精度的相对量，再配合高精度的起始点坐标提高定位精度。
　　4 结语
　　基线解算是GPS控制网数据处理中的重要环节，其质量的好坏直接关系到后续网平差的精度，从而影响GPS控制网的解算。本文针对基线解算质量问题进行了研究，探讨了衡量基线向量结果质量的方法和影响基线解算结果质量的因素，并给出了基线解算结果质量控制的措施。但GPS基线解算结果质量控制是一个很复杂的问题，本文并未从数学角度作出分析，留待进一步的研究。
　　
　　参考文献：
　　[1]张荣英.有关GPS控制网基线解算质量分析[J].中国新技术新产品，2009（20）：46-47.
　　[2]李征航，黄劲松.GPS测量与数据处理[M].武汉：武汉大学出版社，2005：223-226.