關于GPS數據處理軟件的思考

李 偉 蒲仁虎

（1.中國人民解放軍西藏軍區77535部隊 西藏 拉薩 850000；2.四川建筑職業技術學院 四川 德陽 618000）

關于GPS數據處理軟件的思考

李 偉1蒲仁虎2

（1.中國人民解放軍西藏軍區77535部隊 西藏 拉薩 850000；2.四川建筑職業技術學院 四川 德陽 618000）

當今測繪科學研究以及工程實踐中GPS占有著舉足輕重的地位。尤其是在控制測量中，GPS以其高度的外業智能化和數據處理的自動化將這個領域牢牢占據。其中GPS數據處理軟件的應用就成了控制測量的主要要解決的問題。本文將重點放在軟件應用問題上面。

GPS；數據處理

GPS（Globe Position System）全球定位系統是由美軍的子午衛星導航系統發展而來，子午衛星導航系統是為了滿足美海軍核潛艇實現全球導航而實施的計劃。正是基于該系統在導航和民用方面取得的成功和存在的問題，美國才開始實施了GPS計劃。GPS是一個非常成熟的系統，不僅在軍事上能夠實現精確定位，在民用的各個領域也能達到很高的精度。比如利用相對定位的方法，對于上百千米的基線可以實現測距精度為毫米級。

1 GPS系統概述

1.1 GPS系統構成

GPS系統由GPS空間衛星、地面監控及接收機三部分組成。空間衛星部分由約30顆衛星組成，包括工作衛星及預備衛星，其作用是發射載波等信號，同時充當一個移動的已知控制點。地面監控部分是整個系統的神經中樞，主要的作用是監測和控制整個系統的運行及軌道參數等的注入。從而實現衛星沿理想軌道運行。接收機部分是定位系統的用戶使用部分，通過接收機的工作可以完成三維坐標的采集。

1.2 GPS定位原理

GPS定位有多種分類，按照其定位原理可以分為絕對定位和相對定位，按照接收機的運動狀態可以分為動態定位和靜態定位等等。這里僅僅介紹靜態相對定位原理，因為只有這種定位是目前GPS定位精度最高且在控制測量領域應用最廣也是對數據處理軟件要求相對較高的一種定位方式。

GPS靜態相對定位原理實質上是一個空間后方交會測量。此方法是將空間的一組衛星視為固定的已知點。通過接收衛星的載波信號和電文從而建立測站點和衛星間的偽距方程，由偽距方程（測相）通過同步觀測值求差的方式建立常見的雙差觀測方程，從而達到消除或減弱觀測方程未知數的目的。最后求解的未知數變為了三個坐標差未知數和一個整周未知數，再由一組雙差觀測方程利用線性代數的方法可以求解出坐標差向量，即基線的空間向量值。由空間向量計算出的基線距離，其誤差可以達到毫米級。在知道基線其中一個點三維坐標的情況下可以直接求解出另一個點的坐標。

2 GPS數據處理軟件使用

2.1 GPS數據處理簡介

GPS數據處理包括的過程有：數據預處理，基線結算，網平差。首先數據預處理就是將原始觀測數據經過去噪或者平滑濾波處理，最終統一數據文件格式，便于GPS數據處理標準化。基線處理指的的是通過差分觀測模型將基線向量以坐標差位置向量的形式求解出來，為后續的數據處理奠定基礎。此過程要做的檢核有多種，但是其中的三種即：同步環閉合差，異步環閉合差和復測基線較差是必須要做的三種檢核。當所有的檢核都滿足相應規范精度要求時即完成了基線解算。最后一個步驟就是網平差，所謂網平差就是將控制點坐標換算到相應目標坐標系下來。從本質上來說網平差就是一個坐標轉換的數學運算。最常用的就是七參數轉換法。

現在國內外處理靜態GPS數據的軟件有很多種，其中應用得最為廣泛的有國外的TGO,GAMIT,萊卡等等。國內的南方軟件、華測、中海達、科傻等GPS數據處理軟件也日漸趨于成熟。盡管數據處理軟件多種多樣但是其數據處理的步驟是大致相同的。包括：數據的導入，基線解算，網平差，成果輸出等。

2.2 華測軟件的使用

本文以上海華測公司的COMPASS軟件為例介紹其數據處理的過程。第一步，數據的導入。該軟件支持多種數據格式的導入和轉換。例如，天寶接收機的*.dat原始數據文件及GPS數據標準rinex格式。還包括文件名及測站點位名稱和天線高等外業記錄的檢查。第二步，基線處理。首先要進行基線處理的設置，其中比較重要的幾項設置有：截止高度角，采樣間隔，RATIO警告下界，整周未知數求解模型的設置。然后直接執行基線的解算命令。本步驟結束以后進行第三個步驟即基線解算的質量控制。質量控制實際上是讓基線解算后的各項質量控制指標滿足規范要求，其中最復雜最重要的是根據殘差圖進行觀測數據的修改和參數重置。第三步，進行網平差。網平差過程中要輸入已知控制點坐標，即輸入約束條件。已知點的個數根據平差的類型（二維和三維）有不同點選擇。最后可以通過平差報告查看最后的平差結果。

2.3 GPS數據處理的質量控制指標

在GPS數據處理過程中，尤其是基線解算步驟，需要對各項統計指標進行判別。這些指標中起控制作用的指標包括：

2.3.1 同步環閉合差

三臺或三臺以上的GPS接收機進行同步觀測所獲得的基線向量（完全由同一觀測時段的基線向量）所構成的閉合環的向量不符值。

理論上采用嚴密算法所得到的同步環，無論觀測值中是否含有誤差，其環閉合差必為零。（構成同步環的基線向量之間是線性相關的）。然而實踐過程中算法不嚴密（目前大多數的商用軟件均屬于此種情況），其環閉合差通常不為零，但通常很小。因此此指標只做為判斷基線不合格的依據，不能用于判斷基線合格的依據。

2.3.2 異步環閉合差

由相互函數獨立（線性無關）的基線向量所構成的閉合環稱為異步環，實質上就是由不同時段觀測的基線所構成的閉合環。與同步環閉合差不同，即使采用嚴密算法，并且計算過程中未發生錯誤，獨立觀測環的閉合差通常也不為零，也不一定是個微小量。獨立觀測環閉合差的大小，可作為評定基線解算結果質量的有力指標。也就是說該指標滿足要求即能說明基線合格。

2.3.3 復測基線較差

所謂復測基線，就是不同觀測時段觀測的同一條基線。在理論上該基線的長度應該相等。但是由于環境誤差、儀器誤差等影響。使得同一基線不同時段解算出來的結果是有差異的。因此，復測基線較差是質量控制中的一項重要指標。

3 GPS數據處理軟件待解決的問題及對策

經過對不同GPS數據處理軟件的使用，發現有幾項問題有待改善并將提出一些處理方法。

3.1 數據處理格式不統一

現今GPS生產廠商很多，幾乎各廠商都有自己的數據處理軟件。然而對于不同的接收機和不同的數據格式無法實現數據的共享和成果的交流。因此，可以通過將GPS原始數據盡量的轉換為統一的數據格式。目前應用最多的就是與接收機無關的rinex格式的GPS數據。

3.2 殘差圖的識別與處理

前面已經提到，殘差圖是數據處理中一個非常有用的工具。通過殘差圖的識讀，可以有效的過濾粗差，使得信號更加純凈。但是在殘差圖中，很多軟件有一個缺陷。就是橫軸的時間刻度不明確。例如，通過殘差圖的判別，只能知道在11點到12點之間存在一個不明系統誤差的影響。但是具體在哪個時間刻度卻不能準確的得到。因此，在軟件的設計過程當中，應該對時間刻度給出精細的劃分。這樣就能實現殘差圖的精細處理。

3.3 數據處理質量控制指標的使用

就上文提到的質量控制指標，尤其是質量控制指標是數據處理后必須要滿足要求的指標。而目前數據處理軟件只能給出指標的值，而未能就指標滿足要求與否給出是非判斷。因此，在軟件設計過程中應該設計質量控制指標判別模塊。通過該模塊可以輸入目標GPS網精度等級，從而可以據此技術處相應控制指標的臨界值。即可自動的完成GPS網精度的判別，實現軟件智能化和自動化。

3.4 軟件中解算模型比較單一

GPS數據處理方法每年都在進行著飛速的發展，其中對于整周未知數的解算更是變幻莫測。而常用軟件中對于整周未知數的求解模型，還僅僅局限于較早的搜索法等少數方法。在軟件開發過程中應盡量更新諸如整周未知數的解算模型。甚至可以提供與用戶交互的平臺，用戶可以根據自己的需要實現對軟件的再開發。

4 結論

GPS數據處理軟件經過這么多年的發展已經比較成熟，但是正如“道高一尺，魔高一丈”，其發展永遠沒有止境。只有通過不斷的發現問題處理問題再發現問題，這樣的循環往復才能不斷滿足科技的發展和用戶的需求。不僅如此對于我國正在發展的北斗系統的數據處理軟件的設計也有很重要的借鑒意義。

［1］周忠謨.GPS衛星測量原理與應用[M].測繪出版社,2004:266－282.

王洪澤］