专题资料（2021-2022年）《GPS数据处理》实验指导书资料.doc

GPSGPS 数据处理数据处理实验指导书实验指导书（供测绘工程专业用）（供测绘工程专业用）（20132013 年）年）戴吾蛟戴吾蛟编编二零一三年四月二零一三年四月中南大学测绘与遥感科学系中南大学测绘与遥感科学系前言前言GPS 数据处理实验是学习本门课程的重要环节之一，实验的设置是为了配合课堂教学，使学生熟练掌握和深入理解课堂教学内容，进一步强化 GPS 数据处理算法及流程。实验内容实验内容本门课程必做的实验有（在 Visual C+.net 2008 环境下）：1.GPS 卫星位置计算程序设计；2.伪距单点定位程序设计；3.GPS 数据质量分析；4.GPS 工程控制网数据处理；实验实验 1GPS 卫星位置计算程序设计卫星位置计算程序设计一、一、实验目的实验目的熟悉导航文件数据格式及参数意义；掌握利用导航星历数据进行卫星位置计算的详细步骤；掌握卫星位置计算程序设计技巧；二二、实验内容实验内容与要求与要求设计一个卫星位置计算的函数；利用已有的 RINEX 格式导航电文数据读写函数(NavFileRead.h,NavFileRead.cpp)，从导航文件中读取数据，调用自己设计的卫星位置计算函数计算每颗卫星在星历发布时刻的卫星位置(doubletranstime;/电文发送时间(GPS 星期秒)，并保存至一个文件中。计算的详细步骤：1.计算真近点角 fs（1）计算平均角速度（2）计算归化观测时间 tktk以参考时刻 toe为基准的归化观测时间。t为观测时刻卫星的钟面时t经卫星钟差改正的观测时刻nnnskmGMaGMns0232130)/(5.398600 (302400)604800;(302400)604800kkkkifttelse iftt 则则20210)()(eoettattaatttt（3）计算观测时刻 t 的平近点角 Ms 和偏近点角 Es令 Ms=Es 进行迭代计算（4）计算观测时刻的真近点角2.计算升交距角及轨道摄动改正项参考历元的升交距角：u0=s+fs摄动改正项3.计算升交距角、卫星的地心距离及轨道倾角4.计算卫星在轨道坐标系中的坐标（x,y,z）sssskssEeMEntMMsin0ssssssssssEeEefEeeEfcos1sin)1(sincos1coscos212)2tan11arctan(2)/(cos)sin1arctan(2kssssssssEeefeEEef0000002cos2sin2cos2sin2cos2sinuCuCiuCuCruCuCuicisrcrsucuskssst iiiirEearuuu00)cos1(5.计算观测时刻升交点的经度6.计算在协议地球系中的空间直角坐标0sincosururzyx)/(10292115.7)(500sradttekzyxiRRZYX)()(13iiiiiiiRRcossin0coscoscoscossinsinsincossincos)()(13实验实验 2伪距单点定位程序设计伪距单点定位程序设计一、一、实验目的实验目的熟悉 RINEX 观测文件的读写；掌握卫星发射时刻位置的计算；掌握伪距观测方程列立；伪距观测方程系数计算及单点定位程序设计详细步骤。二二、实验内容实验内容设计一个伪距单点计算的函数，并用测试数据进行测试。，其中 RINEX 格式导航电文数据读写函数(NavFileRead.h,NavFileRead.cpp)、RINEX 格式观测数据读写函数(ObsFileRead.h,ObsFileRead.cpp)已给出，卫星位置计算函数为实验一设计的函数，电离层和对流层改正暂略。单颗卫星观测数据结构体及一个历元观测数据类如下：/单颗卫星观测数据结构体typedef structshortsatID;doublevCA;doublevY1;doublevY2;doublevL1;doublevL2;doublevD1;doublevD2;floatelevation;floatazim;observation;/一个历元的观测数据类一个历元的观测数据类class CEpochObspublic:CEpochObs(void);CEpochObs(void);public:short nSatCount;/卫星数卫星数double GpsWeek;/观测时间观测时间 GPS 周周double GpsSecond;/观测时间观测时间 GPS 秒秒observation*Obs;bool SetSize(short nSat);/按照按照 Rinex 标准格式（标准格式（2.0 以上）读取一个历元的数据以上）读取一个历元的数据short ReadStandardEpochObs(FILE*pObsFile,CEpochObs*pEObs,char*ObsType,short&ObsTypeCount);/民用时至 GPS 时转换函数void DateTimeToWeekTOW(short year,short month,short day,short hour,short min,double sec,long*Week,double*TOW);具体计算步骤：1.将导航文件中所有卫星的星历全部读取，并存入 ephemeris 数组中；2.调用相关函数读取一个历元的观测数据；3.从 ephemeris 数组中找出当前历元第一颗观测卫星的导航数据，（注意一个导航文件中对一颗卫星来时可能有不同时间的星历数据，因此要查找当前历元最相近时间的星历数据）4.计算卫星的钟差(dt)，调用卫星钟差改正函数 Dt();5.计算信号发射时刻TTrans=TTag (C1/C+dt)6.计算信号发射时刻卫星位置（调用实验一设计的函数）7.计算卫星至测站之间几何距离（考虑地球自转改正）dor0=sqrt(pow(*rx,2.)+pow(*ry,2.)+pow(*rz,2.);theta=r0/C*W;/对距离分量进行地球自转改正*rx=satx-recx+theta*recy*ry=saty-recy-theta*recx;*rz=satz-recz;*r=sqrt(pow(*rx,2.)+pow(*ry,2.)+pow(*rz,2.);while(fabs(r0-*r)1.e-3);/迭代求解8-计算常数项（闭合差，不考虑对流层及电离层延迟）W=C1 (Ro2-(c dt)9.计算误差方程系数（设计矩阵）A1=-Rox/Ro2A2=-Roy/Ro2A3=-Roz/Ro2A4=c10.重复 39 步，计算全部所有卫星观测方程的系数阵 A 和常数项 W11.组成法方程矩阵 N=AtA 与方程常数项 U=ATW,权阵为单位阵，即 P=I；（使用已有的 CMatrix 类）12.测站点初始近似坐标与接收机钟差近似值设为 0，进行迭代计算，求得测站点坐标及接收机钟差；13.进行精度评定。先计算观测值残差，再计算单位权中误差；WXAVunVPVT20，u=4,n 为观测历元数；14.保存伪距单点定位结果至文件中；15.循环读取下一历元观测数据，并重复 314 步完成该历元伪距单点定位计算；直至观测文件数据全部计算完毕。实验实验 3 GPS 数据质量分析数据质量分析一、实验目的一、实验目的熟悉 GPS 数据质量分析的基本原理与方法掌握 TEQC 软件的使用熟悉 TEQC 软件分析结果的报告。二、实验内容二、实验内容1.利用 DOS 版 TEQC 软件剔除 GPS+GLONASS 双系统观测文件中GLONASS 观测值；剔除高度角低于 25 度的观测数据；剔除某一颗卫星（任选一颗卫星）的观测值；提取单频 GPS 观测数据。teqc R source.*o GPS.*oteqc G source.*o GLONASS.*o禁用卫星。命令为：teqc G#source.*o result.*o在对对流层和电离层进行延迟分析或者为了保证数据的质量时，需要控制卫星的高度角。命令为：teqc set_mask#source.*o result.*o对于各种观测值类型，依据个人的需要进行观测值类型的定制。命令为：teqc O.obsP1+P2+L1+L2+casource.*o result.*o2.利用 DOS 版 TEQC 软件对一观测数据文件进行数据质量分析，查看数据质量分析文件；lite 模式需要的文件是：O 文件。命令为：teqc+qc source.*o生成的文件有 7 个：*.*S,*.iod,*.ion,*.mp1,*.mp2,*.sn1,*.sn2。full 模式需要的文件是：O 文件和 N 文件。命令为：teqc+qc source.*o生成的文件有 9 个：*.*S,*.iod,*.ion,*.mp1,*.mp2,*.sn1,*.sn2,*.azi,*.ele。*.ionL1-L2 电离层延迟；*.iod电离层延迟的变化率；*.mp1/*.mp2L1 上的 C/A 码或 P 码多路径观测误差和 L2 上的 P 码多路径观测误差；*.sn1/*.sn2L1/L2 观测值的信噪比；*.ele卫星的高度角；*.azi卫星的方位角。3.安装并使用 WinTEQC 软件，熟悉 WinTEQC 的各项功能，重点学习其数据质量分析功能。针对算例数据进行数据质量分析；4.利用 WinTEQC 的数据预处理功能处理一观测数据文件，然后再对预处理前后的数据文件进行质量分析，对比预处理前后数据的结果。具体实验步骤：详见TEQC 使用说明、WinTEQC软件说明书实验实验 4 GPS 工程控制网数据处理工程控制网数据处理一、实验目的一、实验目的1.熟悉 GPS 基线解算基本步骤及参数设置含义；2.掌握中海达 GPS 控制网数据处理程序操作；3.掌握高精度基线解算质量控制策略及基本技巧；4.掌握 GPS 控制网平差基本步骤；5.掌握 GPS 高程拟合；6.熟悉 GPS 控制网基线解算及平差报告。二、实验内容二、实验内容利用中海达控制网数据处理软件，完成两套 GPS 控制网的基线解算、网平差及高程拟合的计算，并编制 GPS 控制网成果报告；具体包括：（1）GPS 基线解算；（2）GPS 三维网、二维网平差；（3）GPS 高程拟合实验步骤：实验步骤：六、实验步骤1.新建项目2.项目属性设置选择控制网等级，基线解算与网平差将根据该设置值进行检核。3.导入文件先把相应的观测文件拷贝到工程文件夹中。4.检查观测文件重点检查天线高与天线类型，检查是否有同一点但命名不同当所用天线在天线列表中不存在时，可用天线管理器进行编辑。5.坐标系统设置如果当前坐标系统中没有所需坐标系，则可以新建坐标系。新建坐标系的椭球一般为 BJ54 或 XA80，投影方式一般为高斯投影，关键是中央子午线与投影高程面。保存新建的坐标系6.静态基线解算6.1 静态基线解算设置6.2 处理基线基线处理为自动过程，无需人工干预。6.3 检查基线处理结果，处理解算失败的基线失败原因：Ratio 值3;固定解误差（RMS）大于相应等级的要求。处理方法：删除质量较差的观测值，根据残差图选定删除的数据。删除完后，重新处理选定基线，直到成功为止。6.4 基线质量检核重复基线较差、异步环闭合差、同步环闭合差。主要是异步环闭合差，当异步环闭合差不满足条件时，要找出误差较大的基线，然后重新解算或者禁用该基线。6.5 三维无约束平差主要用于检查质量较差的基线X 检验：先验精度与验后精度是否一致，通过调整比例因子。T 检验：不通过时，说明该基线的误差还比较大，需进一步解算该基线7.网平差及高程拟合网平差设置设置已知点二维平面已知点，输入 XY,高程拟合的水准点 H,平面与高程都已知的为XYH平差计算：当设置好后，处理为自动进行。平差后中误差超限的基线可以通过重新解基线提高精度，或删除基线。网平差平面点已知数据网平差平面点已知数据已知已知 GPS 点（点（54 北京坐标系北京坐标系高斯高斯 3 度带投影度带投影 中央子午线中央子午线 114 度）度）点号X 坐标Y 坐标等级备注GD013117854.249394388.584D 级可用07433118305.975392906.474D 级可用GE013116181.927396454.714E 级可用高程拟合用已知水准高程点名点名H(m)备注备注GE0235.1041GE0333.4390GE0434.5178GE0545.1226GE0635.3699GE0738.9238GE0944.2127