摘 要

进入21世纪以来，随着科技的进步测绘领域蓬勃发展，其标志就是GPS定位技术的广泛应用。随之出现了大量涵盖性能各异的用于粗差探测质量分析的GPS平差以及数据分析软件。粗差探测及质量分析在GPS网平差中占有举足轻重的地位，只有熟练使用质量分析及粗差探测工具，正确判断时观测数据，采取有效举措才可以保证测量工作顺利的进行。笔者依托Locus Processor软件为基础，以分析以上问题为前提，对GPS基线向量中粗差的表现形式及探测粗差的检测方法作一些的阐述。

关键词：GPS；粗差；探测

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                     目 录

第一章 序言 3

第1节 选题目的和意义 3

1.1.1 目的 3

1.1.2 意义 4

第2节 该问题当前研究现状 4

第3节 论文的主要工作 4

第二章 理论分析 6

第1节 基于网整体性的检测 6

第2节 关于单位权方差 6

第3节  基于的检验 7

第4节 关于观测值的残差 7

第5节 关于t检验 8

第6节 对环闭合差的检验 8

第7节 分析复测基线向量 9

第8节 关于控制点连接的分析 9

第三章 总结与展望 10

第1节 总结 10

第2节 展望 10

致谢 12

参考文献 13

第一章 序言

第1节 选题目的和意义

1.1.1 目的

GPS系统即全球定位系统始建于1994年，旨在成为涵盖海、陆、空的全天候多方位并实现三维导航以及定位能力的最新卫星导航定位系统。事实胜于雄辩，GPS以其时效长、效益好、精度高、自动化等鲜明特性得到了广大测绘工作者的充分欣赏，并广为应用。在军事上，测绘为战略武器、部队行动、航天技术提高了强有力的安全保障。

步入新世纪以来，科学技术发展日新月异，近几年来，随着科学技术的迅速发展，测绘保障日渐依托高新技术，向全方位，高精尖的技术领域进军，与此同时，测量任务项目则跨入急、险、难、重以及高精度的领域，客观上相对提高了对测绘保障水平的要求，在这种形势下，GPS定位测量技术对实现这些要求起着至关重要的作用。

GPS定位技术对快捷、优质、经济地建设、改良、扩建国家整体以及局部地区性控制网作用很大，另外GPS测量技术也在军事测绘领域得到了长远的发展，以其自身的优势和特性，对于那些高精度、远射程的新型试验项目作用明显，高效优质的为试验提供必要的数据结果。

GPS测量虽然具有上述优点，但由于GPS观测量受卫星数据质量和外界环境的影响较大，加之野外检核条件较少，所以GPS观测量中经常包含有粗差。这些粗差观测量如果直接参与数据处理，将会大大降低GPS网平差结果应有的精度，甚至会给参数估值带来破坏性影响。尤其是在GPS工程控制测量中，GPS控制点数据一般是作为常规工程测量的起算数据。所以，对于GPS控制测量工作，若出现观测数据上的粗差，将会对后续进行的程序式的工程测量结论造成非常严重影响。目前GPS控制网的大多是在测完数据以后才进行数据处理，对粗差的自动探测以及定位工具是十分匮乏的。一旦由于工作疏忽出现粗差，前期所做的工作将会付之东流，造成了人力、物力、财力的不必要损失。所以笔者在做相关分析的前提下研究主要的内容是：探讨GPS数据处理的粗差探测，解决GPS测量作业粗差探测问题。

1.1.2 意义

全球定位系统以其精度高、稳定性好、富有灵活性的特点在测绘领域得到了广泛应用。然而因为GPS观测结果的好坏决定于外界环境的影响以及卫星数据的质量，又因为野外校核程序欠缺，因此在GPS观测结果中含有粗差是不可避免的。若以这些粗差观测量参与数值计算，这将对GPS网平差结果的精度造成很大的影响。特别是在GPS工程控制测量中，如果存在观测数据粗差，将会对紧随其后的常规工程测量成果质量造成不可估量的后果。传统上的工程测量工作，其内业计算都是在测完数据后进行的，对粗差的自动探测以及定位工具是相对匮乏的。因此笔者依托相关分析为基础研究的主要内容是关于探测多个粗差的具体方法，解决野外GPS测量作业中粗差探测问题。通过研究GPS数据处理中的粗差探测问题，可以提高GPS对数据处理的精度，最大限度的降低误差。

第2节 该问题当前研究现状

随着GPS卫星定位技术在测绘行业中的广泛应用，使用GPS建立工程控制网已深受广大测绘同行们的喜爱。GPS测量是一项技术含量较高的测绘方法，但对GPS观测数据内数据处理过程中的粗差探测及质量分析的方法却涉及较少。在GPS测量网的平差中，网的粗差探测及质量分析是一项很重要的工作，特别是在网的观测质量不十分理想的情况下，充分利用数据处理软件自带的粗差探测及质量分析工具对观测数据做出正确的判断，并采取一定措施，进行合理的取舍，是可以减少不必要的外业返工，从而节约勘测成本，提高工作效率。

第3节 论文的主要工作

本课题的研究首先对相关的参考文献和前人研究成果进行了分析和综合，充分吸收前人研究成果中的合理成分，并对其中不合理的地方给予改进和提高.在进行分析和研究前人研究成果时，不仅分析了国内这方面问题的研究现状，而且充分参考了国外发达国家在这方面的研究成果。在进行课题的研究和分析中，遇到了很多的问题，比如资料搜集比较困难，由于英语水平所限，很多外文资料看的不太懂等。最终，在老师和同学的帮助下解决了这些问题。本论文的主要工作有三个方面，一是对本课题的研究现状进行了调查和研究，并且在此基础提出了本课题的研究意义。然后结合相关软件的使用分析了GPS基线向量中粗差的存在形式及探测粗差的几种手段和方法。

              第二章 理论分析

GPS定位测量技术的工作机理是通过接收一定的GPS卫星信号并进行后台运算以达到空间定位目的。简而言之，GPS具有观测操作简单、24小时作业、观测与处理数据自动化程度高、布同自由、实时提供三维坐标、高定位精度等特征。GPS进行相对定位测量需要依托测地型GPS接收机进行同跟踪步观测为基础，从而获得同步观测的基线向量进而组成GPS网。只有制定多个观测基线，形成内部闭合环才能保证GPS网的可靠性，GPS网在数据后处理过程中，利用重复检测基线、校核环路闭合差等粗差检测方法判断基线向量是否含有粗差。当GPS网的最小约束平差完成后，必须删除带有粗差的观测值。本文利用Locus Processor GPS数据处理软件对基线向量中粗差的存在形式进行分析，并探讨了具体的使用方法。

第1节 基于网整体性的检测

GPS系统中，不能对同一平差的基线向量进行分割。但是如果所得的观测数据关系不大，则不能将其视为一个整体而对平差进行统一。

第2节 关于单位权方差

最小二乘平差包括先验单位权方差和后验单位权方差两个单位权方差。其中，先验指的是平差前所提供的期望值；后验指的是经平差后所得的计算值，实现对先验期望的校核。Locus Processor对于后验单位权方差评价平差结果的精度大致表现为以下三种情况：

一、若期望值和后验单位权方差相等或者相近，这说明表明平差中没有粗差出现，该观测值是可用的，但是具体好坏性还不能确定；

二、若期望值较之后验单位权方差相对偏小．这说明平差的数据中有存在一定粗差的可能性，这也许只是由观测值误差不真实引起的。还需利用其它工具排查出粗差，并确定其大小，最后删除该数据重新平差；若是观测误差与实际出入较大，则可对期望值的尺度进行调高，以便更符合所测的平差。

第3节  基于的检验

为了更进一步的判断后验单位权方差是否可信在Locus Processor中，就必须引用检验。通过建立平差数学模型，检测可以自动完成 检验。当检验通过，这说明平差良好；当检验失败，这说明先验与后验单位权方差统计存在较大差异性价，平差是肯定有问题的，这为更进一步的对问题的属性进行判定提供了基本依据。

第4节 关于观测值的残差

平差值减去观测值就是所谓的残差。以GPS观测值为基线向量，事实上每个基线向量有3个方向的分量，因此GPS向量相应也存在3个分量的残差。GPS平差是基于最小二乘原理来进行平差计算的，即利用观测值残差的平方和最小的原理来解决由观测值残差所引发的误差，进而得到观测值的平差值。在观测值中有粗差和偶然误差两类误差。当观测值中只含有偶然误差时，残差就相对较小。当存在粗差时．则会出现相对很大的残差。所有观测值的残差将依托平差处理而得出。检测残差的大小有助于识别残差。但是关于怎么判断大残差的观测值是否为粗差的问题，还需注意以下几点：

1、残差会随着粗差的过度增大而变大，但是残差大并等同于粗差。尽管观测值符合要求，这也是也可能引起较大残差额。这是因为在最小二乘平差理论中，粗差分布对整个控制网都有一定的影响，其他观测值残差的正确性可能会受粗差的观测值影响而呈现出误差较大的现象。

2、处于同一网格的长腰相似的基线向量，其残差应该是相差不大的，当某个向量有着较大的残差，这说明其有存在一定粗差的可能性。理论上，残差应在仪器设备的测量精度的允许范围内，当残差比允许误差高出很多时进一步检测是否属于粗差是十分必要的。一般情况下，对于残差表较大的观测值大多含有粗差，通过对有粗差观测数据的删除，重新计算平差。如果问题依旧存在，需重复以上步骤，直至获得较好的残差结果。不过这种情况有可能对好的观测值进行误删，或者删除一些观测值后对网的强度影响很大。对于这种情况，可以恢复删除的观测值再逐一进行平差判断，若平差结果符合要求，这说明此观测值不含粗差。另外还要重新检测那些因存在粗差的观测值而被删除，但是又影响到网形强度的关键点。

第5节 关于t检验

残差理论上服从正态分布的，因此其期望值是可知的，t检验作为一种统计检验，它是以标准差作为基础的。在期望的值域内比对观测值残差，与此同时通过寻找一个阀值来检测所有的标准残差。其结果无外乎有两种：

(1)t检验不能通过，标准残差不小于阀值要查验粗差，这种情况需要更进一步的检验观测值是否含有粗差。

(2)t检验顺利通过，标准残差小于阀值，在这种情况下观测值中是通常不存在粗差的；

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第6节 对环闭合差的检验

只有独由立基线向量构成类似如四边形、三角形等某种闭合图形才可以组成一个优良的GPS控制网。对于这些环路图形的闭合差理论上是应该等于零，但是总体上受多种多样的观测误差因素的综合影响，其实际闭合差大多不等于零。一般情况下，环闭合差的大小取决于所采用的仪器实际的测量精度，因此其量度是在可预测范围内的；但是存在粗差的环闭合差估算起来难度大得多，其大小取决于粗差的大小。所以说，环闭合差检验是对观测值的粗差检测的一种行之有效的方法。对于GPS网中的基线向量含有的粗差量多又复杂时是很难通过分析平差结果对其进行修正的。这时只能依靠 Locus Processor软件进行分析，通过选择基线向量可以形成多个同步环、闭合环以及异步环等．利用环闭差分析从而得到结果。首先比较基线向量组成的环路闭合差计算值和相应的限定值。若不大于所允许闭合差，则该环闭合差检验符合要求，这意味着构成此环路的基线向量几乎不可能存在粗差，但这并不意味着一定不存在粗差。这种情况下，利用这些基线向量和再与其他的基线向量互相组成闭合环，更深一步分析，就可以检测出粗差；相反，若闭合差大于允许值，这说明不能通过闭合差检验，进一步证明环中存在基线向量粗差，到了这一步，就需要明确究竟哪些向量存在误差。

第7节 分析复测基线向量

据国家相关规范规定，GPS控制网工作需要有超过两个以上的观测时段对同一比例基线进行观测。这些复测向量有助于分析观测值合理性以及判断观测结果的质量。Locus Processor软件可以实现对所有复测向量的自动分析以及比较，最后呈现出所有量之间的具体差异。当重复向量的误差不大于允许误差，这说明复测基线的质量符合标准，可以认定此观测向量不存在粗差；当复测向量的误差大于允许值，这说明某个向量的质量不符合要去，此向量可能存在粗差，对于这种情况应该依靠其他工具认真排查以确定是否存在粗差。

第8节 关于控制点连接的分析

为了实现连接GPS与地方、区域或国家的控制网的连接，一般对若干已知点进行联测是必不可少的。但是约束平差事实上造成会控制网精度的相对下降，这达不到规范的最低要求，但是我们已知最小约束平差得出的平差精度远远高于规范所要求的精度。造成这种情况的原因是配置的已知点降低了精度的等级，这不是GPS观测质量所造成的。此时需要依靠对已知点的分析找到问题所在，并进行合理解决。对于Locus Processor，当控制点连接分析通过时表示参与平差的三知点对精度等级的影响不大；反之，则影响精度的等级。

 

              第三章 总结与展望

第1节 总结

本文研究的重点是GPS数据处理中的所存在粗差探测现象。通过进行深刻的理论研究以及结合现有研究成果，以实际野外测量作业为检验，最后得出几点结论：

分类分析GPS载波相位测量主要误差源，我们发现包括卫星的星历误差、接收机钟差、卫星钟差、以及大气折射等因素的系统误差，其误差的大小以及定位效果较之偶然误差危害程度很大，GPS载波相位测量的主要误差来源就是系统误差。系统误差并非不能判断的，实际操作过程中有效的举措对消除或减小系统误差是有很大帮助的。

粗差较之残差形式更加复杂，每个残差都受到所有观测值粗差的影响，至于观测值粗差对它影响的程度取决于系数，所有观测值粗差对任意的残差也有影响，其影响的程度取决于系数。尽管残差对检验观测值粗差作用很大，但是不能简单依靠残差直接来检测粗差，必须构建相应的统计量加以分析，依此检测观测值中粗差的存在与否。

对于GPS数据的处理，只有通过检验基线解算的质量才可以得到高质量的基线向量，与此同时，检验分析构成GPS网的基线向量也有助于形成合格的GPS网。基线向量的粗差检测与删除是依托最小约束平差所实现的。包括有Locus Processor等等的GPS平差处理软件为实现粗差的探测分析提供了不少便利。在野外实际工作时，我们不仅要理解一定的GPS误差理论，而且还有要充分利用这些理论，认真分析，仔细检测向量的质量，这样才能得到质量好、精度高的GPS控制网络，最终得到满意的定位结果。

第2节 展望

1．完善逐个搜索粗差探测和定位算法，当粗差个数满足关系式时才可以正确定位与检测粗差；然而若粗差个数过多又会引起检测与定位错误的产生。所以，对于粗差个数时的粗差检测以及定位方法还亟待更深层次的研究。

2．进入新世纪以来，随着人工智能的高速发展和广泛应用，这客观上刺激了粗差的检测及定位思路和方法的发展。粗差的检测及定位其实质本就是一种搜索问题，利用人工智能中的启发式搜索可以有效地消除搜索的盲目性，节省了搜索的时间，提高了搜索效率，优化了搜索的结果，提高了问题的求解的可能性。因此，把启发式搜索引入探测和定位粗差也未尝不可，随着技术的日臻成熟，启发式搜索在这个领域的前瞻性和潜力都是很大的。

                    致谢

本文的写作和实际调查过程中，结合工作实际进行分析，这是一条解决问题原则，这也是指导老师所要求的。老师提倡我们在毕业设计中,理论设计和实践多结合,巩固基础知识与培养创新意识多结合,老师的期望和指导无论在理论上还是在实践中，都给与了很大的帮助，培养了我严肃认真和实事求是的科学态度。老师认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平使我受益匪浅。再一次感谢老师谨慎、耐心的辅导。另外，在本文的写作过程中许多同学给予我很大的帮助，帮助解决了不少的难点，这里一并表示感谢。最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们！

                  参考文献

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