5静态基线处理.docx
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5静态基线处理
第五章静态基线处理
基线处理软件的优劣不但影响着GPS相对静态测量的精度，而且也影响着相对静态测量可靠性、所需观测时间等。
对于一个商业用途的基线处理软件而言，不但要求能准确、可靠地处理出基线向量，而且要求软件对用户友好、易于使用。
HDS2003数据处理软件很好地实现了复杂的基线处理理论与简易的软件使用的有机统一。
对于正常的观测数据，通常不需人工干预，就能很快得到准确的结果。
而对于观测质量比较差的数据，用户也可以根据各种基线处理的输出信息，进行人工干预，使基线的处理结果符合工程的要求。
§5.1基线处理的过程
按指定的数据类型录入GPS观测数据后，软件会自动分析各点位采集到的数据内在的关系，并形成静态基线后，就可以进行基线处理了。
基线处理的过程可分为如下几个主要部分：
一、设定基线解算的控制参数
基线解算的控制参数，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优化处理。
控制参数在“基线解算设置”中进行设置，主要包括“数据采样间隔”、“截止角”、“参考卫星”及其电离层和解算模型的设置等。
二、外业输入数据的检查与修改
在录入了外业观测数据后、在基线解算之前，需要对观测数据进行必要的检查。
检查的项目包括测站名点号、测站坐标、天线高等。
对这些项目进行检查的目的是为了避免外业操作时的误操作。
三、基线解算
基线解算的过程一般是自动进行的，无需人工干预。
基线解算有分为如下几步：
1）基线解算自检
基线解算之前，软件会检查基线解算控制参数的设置、观测数据及星历文件、起算坐标等等。
2）读入星历数据
星历数据的格式可以为RINEX格式，也可以为中海达自定义的二进制格式（*.zhd）,也可以为SP3格式的精密星历。
3）读入观测数据
HDS2003GPS数据处理软件进行单基线处理时，首先需要读取原始的GPS观测值数据，一般来说各接收机厂商随接收机一起提供的数据处理软件都可以直接处理从接收机中传输出来的GPS原始观测值数据，而由第三方所开发的数据处理软件则不一定能对各接收机的原始观测数据进行处理。
HDS2003GPS数据处理软件能处理的数据已经在第十章作了全面介绍。
读入起始站和终点站的观测数据，其中还包括观测时记录的单点定位坐标、观测时刻、C/A码伪距、载波相位，若单点定位坐标不正确，则需要进行单点定位计算，以将起算坐标用于后续的解算，起算坐标也可由外部输入。
在读入的同时，组成单差观测值，并寻找一个合适的参考卫星。
4）三差解算
将双差观测值在历元间进行相减，组合成三差观测值，建立观测方程，进行解算，得到三差解。
但对于短边，三差解的精度往往不高，通常三差解的目的在于得到比较近似的基线边，便于进行周跳修复。
图5-1单基线解算的主要步骤
5）周跳修复
基线解算的关键在于找到正确的整周模糊度，能够求解整周模糊度的前提是接收机对载波相位的连续跟踪，但是接收机不可能总是连续跟踪载波相位，遮挡、干扰等都会造成对载波相位的跟踪中断，从而使历元之间的载波相位观测值出现所谓的周跳，如何探测并修复周跳，往往是基线处理软件需要解决的主要问题。
6）进行双差浮点解算
若共观测到N颗卫星的信号，则双差观测方程组将比三差观测方程组增加N-1个未知数，双差解得到更进一步的未知点坐标和以浮点数表示的整周模糊度。
理论上，整周模糊度应为整数，但由于其在解算时吸收了观测噪声以及其它未模型化的误差，因此通常只能得到一个浮点数。
该浮点数往往与实际的整数有一定的偏差，有时偏差甚至达到几周。
7）整周模糊度分解
一般说来，在足够长的同步观测时间和得到足够多的观测数据的情况下，仅靠取整也可以得到正确的整周模糊度，但采用快速求解整周模糊度（FARA，FastAmbiguityResolutionApproach）方法和LAMBDA方法，可以大大地缩短观测时间，提高工作效率。
8）进行双差固定解算
在整周模糊度得到正确的固定后，进行双差固定解算，双差固定解的精度最高。
但若整周模糊度不正确，双差固定解的精度当然也不正确。
四、基线质量的检验
基线解算完毕后，基线结果并不能马上用于后续的处理，还必须对基线的质量进行检验。
只有质量合格的基线才能用于后续的处理，如果不合格则需要对基线进行重新解算或重新测量。
基线的质量检验需要通过RATIO、RDOP、RMS、同步环闭合差、异步环闭合差和重复基线较差来进行。
§5.2基线处理的设置
作基线向量处理前，要进行“基线向量处理设置”，执行菜单“静态基线”下的“基线处理设置”，出现如图（5-2）的对话框：
图5-2基线处理设置
对话框共由三页组成，分别为常用设置、对流层和电离层设置、高级设置。
下面分别对话框中各项的意义做简要的介绍：
§5.2.1常用设置
一、历元间隔
所谓历元间隔，就是在基线处理时，软件从原始观测数据中抽取数据的间隔。
如图（１０-３）所示：
图5-3历元间隔
比如，两台仪器在作静态观测时，设置为每5秒采集一组数据，但在内业处理时，这么高密度的的观测数据通常并不能显著提高基线的精度，反而会大大增加基线处理的时间。
因此，为提高基线处理的速度，用户可适当增大数据处理的采样间隔。
那么，多大的采样间隔合适呢？
通常认为，对于短边，且观测时间较短时，可适当缩小采样间隔，而对于长边，可适当增大采样间隔。
比如，对于2公里以内的静态基线，而观测时间又在20分钟以内时，我们可设置采样间隔为5秒。
但基线较长时，通常可增大采样间隔，可达到60秒或120秒。
那么，为什么还需要在野外观测时，设置比较小的采样间隔呢？
这是因为，当遇到不太好的数据时，由于观测数据具有一定的随机性以及软件本身的功能所限，通过修改历元间隔后重新处理基线，往往能改善处理结果。
软件缺省的历元间隔是60秒。
二、高度截止角
高度截止角用来限制高度比较低的卫星数据，使其不参与基线解算。
由于大气层对高度比较低的卫星信号的影响比较复杂，难以用模型进行改正，又由于高度比较低的信号容易受到如多路径、电磁波等各种因素的影响，因此，它们的信号质量通常也比较低。
所以，在数据处理中，通常将它们剔除。
如单从大气层折射的角度来看，对于短距离的观测，可以降低高度截止角；而对于长距离的观测，应该加大高度截止角，因为距离越短，大气折射影响越容易相互抵消。
当然，高度截止角的设置要还要视观测站点周围的环境如何。
在野外观测时，应根据卫星分布状况降低高度截止角，以采集尽量多的数据，方便处理。
图5-4高度截止角
默认的高度截止角为20度。
三、参考卫星
由于双差观测值是单差观测值在卫星之间进行差分形成的，所以在组成双差观测值时，为了方便处理，软件采用选取参考卫星的方法。
默认的设置是自动方式。
这时，软件会选取观测数据最多、而且高度角较高的卫星作参考卫星。
但由于观测条件的影响，这样的选择未必最合理，当参考卫星选取不当时，会影响基线处理结果。
这时，就需要用户根据观测数据状况重设参考卫星。
在重设参考卫星时，首先根据卫星预报、野外观测记录、前面基线处理的结果状况综合进行选择。
如任意选择一颗根本没有观测到的卫星是没有意义的。
四、粗差容忍系数
在数据处理的过程中，常常要将一些不合格的数据当作粗差剔除。
当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。
可见，这个系数太大或者太小都会影响观测数据剔除的标准。
通常情况下，不需要修改这个参数。
默认的设置为3.5。
五、最小历元数
由于在观测过程中，接收机必须观测到连续的载波相位，如一段数据连续出现周跳，则这一段数据的质量通常是很差的，常常影响基线处理的质量，因此，通常应该将其剔除。
因此，在基线处理过程中，软件会将观测连续历元数不超过最小历元数的数据段剔除。
软件要求最小历元数大于或等于2。
默认值为5。
六、最大历元数
最大历元数与软件在基线处理时分配的内存有关。
默认值为999。
§5.2.2对流层、电离层设置
下图所示为对流层、电离层设置对话框。
一般情况下，不需要更改其设置。
图5-5对流层、电离层设置
§5.2.3高级设置
下图所示为高级设置对话框。
在通常情况下，处理单频数据时，不需要更改其内容。
在处理双频数据时，则要经常修改对话框中的“观测组合方案”多选框，观测数据各种组合的含义请参见相关资料。
图5-6高级设置
§5.3基线处理
作好上述准备后，执行“基线处理”菜单下的“处理全部基线”，程序开始依次逐条处理全部基线并出现信息框，如下图（图5-7）所示：
在对话框中分别列出了各条解算基线的名称、基线解算的进度、以及各条基线解算的信息。
基线解算是以多线程方式在后台运行的。
在运行过程中，在计算区中点击右键，弹出菜单中可选择“停止”，从而停止基线的解算。
图5-7基线处理过程
基线解算完后，将在计算窗口得到基线解的结果。
如下图（5-8）所示：
图5-8基线处理警告
会有警告信息，双击警告信息就可以在列表中显示是对应基线。
图5-9基线解结果
在计算区中点击信息标签，就可以查看到基线的详细解算情况。
基线解的处理结果还可以通过点击“处理报告“中的“静态基线“生成基线报告。
如图
图5-10基线处理报告
§5.4基线处理结果检验
§5.4.1基线质量控制
基线解算后，可以通过RATIO、RDOP、RMS和数据删除率这几个质量指标来衡量基线解算的质量。
通常认为，若RMS偏大，则说明观测值质量较差。
若RDOP值较大则说明观测条件较差。
需要说明的是，它们只具有某种相对意义，即它们数值的高低不能绝对的说明基线质量的高低。
一、RMS
RMS即均方根误差（RootMeanSquare），即：
其中：
V为观测值的残差；
P为观测值的权；
n-f为观测值的总数减去未知数个数。
RMS表明了观测值的质量。
RMS越小，观测值质量越好；反之，表明观测值质量越差。
它不受观测条件（如卫星分布好坏）的影响。
依照数理统计的理论，观测值误差落在1.96倍RMS的范围内的概率是95%。
二、RATIO
RATIO即整周模糊度分解后，次最小RMS与最小RMS的比值。
即：
RATIO反映了所确定出的整周未知数参数的可靠性，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。
RATIO是反映基线质量好坏的最关键值，通常情况下，要求RATIO值大于3。
三、数据删除率
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。
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。
四、RDOP
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、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。
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。
五、应用
处理完毕后，查看静态基线，见图5-8“整数解”，看Fix后面的方差比数据是否都大于3，如果小于3，表明此基线的固定双差解不合格，适当改变基线处理设置中的有关值，单击选中此条基线，执行“处理当前基线”（或按F2），最后把所有基线都处理合格。
更详细的检查应通过查看基线详解文件进行。
§5.4.2闭合环路检验
一、闭合差的定义
闭合环路检验是检测基线质量的有力方法。
闭合环可分为同步环、异步环和重复基线。
闭合环的闭合差在理论上应为0，在实际测量中，允许偏离一定的值，闭合环的限差请参见有关文献。
环的闭和差有以下几类：
1、分量闭合差，即：
2、全长相对闭合差，即：
其中,
为环长。
二、同步环、异步环和重复基线
1、同步闭合环
同步环闭合差是由同步观测基线所组成的闭合环的闭合差。
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的。
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一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，只能认为静态基线在质量上，绝大部分情况下是合格的，还不能说明组成同步环的所有基线在质量上绝对合格。
图5-11同步环
2、异步闭合环
不是完全由同步观测基线所组成的闭合环称为异步环。
异步环的闭合差称为异步环闭合差。
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一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。
图5-12异步环
3、重复基线
不同观测时段对相同的两个测站间的观测结果就是所谓重复基线。
这些观测结果之间的差异就是重复基线较差。
图5-13重复基线
三、 如何检验闭合差
通过静态基线菜单下的各个闭合差功能，可以实现如图5-9所示的各项功能：
图5-14闭合差功能菜单
闭合差结果保存在闭合差文件中，闭合差文件为文本文件，存放在项目目录下，其名称为“项目名.ISC”，如“RINEX.ISC”。
注意：
每搜索一次闭合差，其闭合差的计算结果会随着每次解算结果依次添加到闭合差文件的末尾，以方便用户寻找不合格基线及比较各次基线处理结果。
所以，当不需要以前的结果时，可以选择清除闭合差记录。
§5.4.3自由网平差检验
图5-15自由网平差检验成果
自由网平差检验请参见后面“网平差”一章。
§5.5各种影响因素的判别
§5.5.1影响因素
影响基线解算结果的因素主要有以下几条：
1、基线解算时所设定的起点坐标不准确。
起点坐标不准确会导致基线出现尺度和方向上的偏差。
2、卫星的观测时间太短导致这些卫星的整周未知数无法准确确定。
当卫星的观测时间太短时会导致与该颗卫星有关的整周未知数无法准确确定。
而对于基线解算来讲，对于参与计算的卫星，如果与其相关的整周未知数没有准确确定的话，就将影响整个基线处理结果。
3、整个观测时段里有个别时间段里周跳太多，致使周跳修复不完善。
4、在观测时段内多路径效应比较严重，观测值的改正数普遍较大。
5、对流层或电离层折射影响过大。
6、电磁波影响太大。
7、接收机本身出现了问题，致使数据质量太差。
比如接收机的测相精度的降低，接收机的时钟不准确等等。
§5.5.2影响因素的判别及措施
一、影响GPS基线解算结果因素的判别
1、概述
对于影响GPS基线解算结果的因素，有些是较容易判别的，如卫星观测时间太短、周跳太多、多路径效应严重、对流层或电离层折射影响过大等，但对于另外一些因素却不好判断了，如起点坐标不准确等。
2、基线起点坐标不准确的判别
对于由起点坐标不准确对基线解算质量造成的影响，目前还没有较容易的方法来加以判别。
因此在实际工作中只有尽量提高起点坐标的准确度，以避免这种情况的发生。
3、卫星观测时间短的判别
关于卫星观测时间太短这类问题的判断比较简单，只要查看观测数据的记录文件中有关对与每个卫星的观测数据的数量就可以了。
HDS2003GPS后处理软件还输出了卫星的可见性图，这就更直观了。
4、周跳太多的判别
对于卫星观测值中周跳太多的情况，可以从基线解算后所获得的观测值残差上来分析。
目前大部分的基线处理软件一般采用的是双差观测值，当在某测站对某颗卫星的观测值中含有未修复的周跳时的，所有与此相关的双差观测值的残差都会出现显著的整数倍的增大。
5、多路径效应严重、对流层或电离层折射影响过大的判别
对于多路径效应、对流层或电离层折射影响的判别，我们也是通过观测值残差来进行的。
不过与整周跳变不同的是，当多路径效应严重、对流层或电离层折射影响过大时，观测值残差不是象周跳未修复那样出现整数倍的增大，而只是出现非整数倍的增大。
一般不超过1周，但却又明显地大于正常观测值的残差。
二、应对措施
1、基线起点坐标不准确的应对方法
要解决基线起点坐标不准确的问题,可以在进行基线解算时使用坐标准确度较高的点作为基线解算的起点。
较为准确的起点坐标可以，通过进行较长时间的单点定位或通过与WGS-84坐标较准确的点联测得到，也可以采用在进行整网的基线解算时所有基线起点的坐标均由一个点坐标衍生而来，使得基线结果均具有某一系统偏差然后再在GPS网平差处理时引入系统参数的方法加以解决。
2、卫星观测时间短的应对方法
若某颗卫星的观测时间太短，则可以删除该卫星的观测数据，不让它们参加基线解算，这样可以保证基线解算结果的质量。
3、周跳太多的的应对方法
若多颗卫星在相同的时间段内经常发生周跳时，则可采用删除周跳严重的时间段的方法来尝试改善基线解算结果的质量。
若只是个别卫星经常发生周跳，则可采用删除经常发生周跳的卫星的观测值的方法来尝试改善基线解算结果的质量。
4、多路径效应严重
由于多路径效应往往造成观测值残差较大，因此可以通过缩小编辑因子的方法来剔除残差较大的观测值，另外也可以采用删除多路径效应严重的时间段或卫星的方法。
5、对流层或电离层折射影响过大的应对方法
对于对流层或电离层折射影响过大的问题，可以采用下列方法：
1）提高截止高度角，剔除易受对流层或电离层影响的低高度角观测数据，但这种方法具有一定的盲目性，因为高度角低的信号不一定受对流层或电离层的影响就大。
2）分别采用模型对对流层和电离层延迟进行改正。
3）如果观测值是双频观测值，则可以使用消除了电离层折射影响的观测值来进行基线解算。
三、基线精化处理的有力工具-残差图
在基线解算时，经常要判断影响基线解算结果质量的因素，或需要确定哪颗卫星或哪段时间的观测值质量上有问题，残差图对于完成这些工作非常有用。
所谓残差图就是根据观测值的残差绘制的一种图表。
如图5-16所示。
选择上一组、下一组可见各个双差组合的残差，如图5-16所示：
图5-16残差图
上图是一种常见双差分观测值残差图的形式，它的横轴表示观测时间，纵轴表示观测值的残差，右上角的SV14-SV07表示此残差是SV14号卫星与SV07号卫星的差分观测值的残差。
正常的残差图一般为残差绕着零轴上下摆动振幅一般不超过0.1周。
下面一个图表明这颗卫星的观测值中含有周跳：
图5-17周跳
下面一个残差图表明这颗卫星受不名因素，可能是多路径效应、对流层折射、电离层折射、或强电磁波干扰等的影响严重。
图5-18不明因素干扰
§5.6重复处理一条基线
当判明了影响基线质量的原因后，可以通过修改基线处理设置或编辑基线时段来重复处理一条基线。
在观测数据图中，拖动鼠标，可以选择被删除的数据。
如图5-19所示，虚线框中的数据将被屏蔽，不被软件处理。
图5-19删除观测数据
在基线测量中，有时发现基线处理不合格的情况，在这种情况下，可能需要多次修改基线处理设置或编辑时段，甚至出现基线不能求得合格解的情况。
这种情况出现时，需要使这条基线不参与网平差、或将其删除。
如这条基线在基线控制网中是必不可少的，则就需要重测这条基线了。
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