摘要：由于GPS定位技術(shù)具有測(cè)站間無(wú)須通視、觀測(cè)不受氣候條件限制，可同時(shí)測(cè)定點(diǎn)的三維坐標(biāo)，自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，GPS技術(shù)逐漸成為變形監(jiān)測(cè)中的一種重要手段。本文主要介紹了GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理，側(cè)后處理以及相關(guān)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)處理方法。
　　關(guān)鍵詞：GPS，變形監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)處理方法
　　1引言
　　所謂變形監(jiān)測(cè)，就是利用測(cè)量與專用儀器和方法對(duì)變形體的變形現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)視觀測(cè)的工作。其任務(wù)是首先在變形區(qū)域內(nèi)布設(shè)若干變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)(或者叫觀測(cè)點(diǎn))，然后定期對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)，采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)的各期變形信息，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形量及其變化速率，進(jìn)行變形分析，找出規(guī)律，并作出預(yù)測(cè)，對(duì)其變形引起的破壞提出防范措施[1]。在GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理的主要工作是觀測(cè)資料的解算，如GPS差分求解、GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)平差等，以提供高精度、高可靠性的相對(duì)位置信息。而數(shù)據(jù)分析的重點(diǎn)則包括變形基準(zhǔn)的確定，正確區(qū)分變形與誤差，提取變形特征，并解釋其變形成因。本文主要分析了變形監(jiān)測(cè)經(jīng)典數(shù)據(jù)處理方法。
　　2GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理
　　GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理的目的是：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波檢驗(yàn)，剔除粗差；統(tǒng)一數(shù)據(jù)文件格式并將各類數(shù)據(jù)文件加工成相互兼容的標(biāo)準(zhǔn)化文件(如GPS衛(wèi)星軌道方程的標(biāo)準(zhǔn)化，衛(wèi)星時(shí)鐘鐘差標(biāo)準(zhǔn)化，觀測(cè)值文件標(biāo)準(zhǔn)化等)，找出整周跳變點(diǎn)并修復(fù)觀測(cè)值；對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行各種模型改正。GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理是GPS變形觀測(cè)的基礎(chǔ)，沒(méi)有切實(shí)可行的觀測(cè)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，再好的布網(wǎng)形式、再好的平差處理方案與變形分析模型，也發(fā)揮不了有效作用，也就失去了變形監(jiān)測(cè)的意義[2]。
　　此對(duì)于GPS變形監(jiān)測(cè)而言，選取什么樣的觀測(cè)量十分重要。載波相位差分處理是獲取高精度GPS定位結(jié)果的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過(guò)差分處理可以削弱部分相關(guān)誤差的影響。但GPS定位中整周模糊度的求解、周跳的探測(cè)與剔除、減小殘余系統(tǒng)誤差的影響仍然是GPS數(shù)據(jù)處理中的關(guān)鍵，也是影響GPS定位精度與速度的關(guān)鍵問(wèn)題。
　　整周模糊度的正確求解是獲得高精度GPS定位結(jié)果的關(guān)鍵。對(duì)于靜態(tài)定位通過(guò)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間使衛(wèi)星的幾何圖形發(fā)生足夠大的變化，求解整周模糊度。整周模糊度一旦確定，相位觀測(cè)值就等價(jià)于毫米級(jí)的偽距觀測(cè)，可以獲得測(cè)站每歷元厘米級(jí)精度的坐標(biāo)。對(duì)最小二乘解的實(shí)數(shù)模糊度直接取整是最簡(jiǎn)單的途徑，但當(dāng)實(shí)數(shù)解的精度較低時(shí)，取整不一定可靠。周跳的探測(cè)與修復(fù)是載波相位定位中的另一重要課題。周跳是載波相位觀測(cè)值中特有的問(wèn)題，也是提高定位精度的一個(gè)限制因素。研究表明，未被檢測(cè)出的周跳主要被整周模糊度及接收機(jī)位置參數(shù)的改J下數(shù)所吸收，從而導(dǎo)致參數(shù)估計(jì)的有偏。因此周跳的探測(cè)與修復(fù)是GPS數(shù)據(jù)處理中重要問(wèn)題之一，也是GPS數(shù)據(jù)處理中不可或缺的一部分，其能力如何是判斷一個(gè)GPS數(shù)據(jù)處理軟件好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一。長(zhǎng)期以來(lái)GPS學(xué)者提出了一些周跳的探測(cè)與修復(fù)的算法并且也發(fā)揮了重要作用。
　　3GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的測(cè)后處理
　　GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的測(cè)后處理，一般均借助相應(yīng)的后處理軟件自動(dòng)地完成，其內(nèi)容主要包括基線預(yù)處理及GPS網(wǎng)的平差。
　　(1)基線處理。基線處理是對(duì)已標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行處理，解算出基線。
　　(2)GPS網(wǎng)平差。GPS網(wǎng)由基線組成，數(shù)據(jù)處理的成果是基線向量及相應(yīng)的方差協(xié)方差。其網(wǎng)的平差包括基線向量的無(wú)約束平差、約束平差和與地面網(wǎng)的聯(lián)合平差三部分。1)GPS基線向量網(wǎng)無(wú)約束平差。GPS地面網(wǎng)一般由若干三角形或多邊形組成，其中存在一定量的多余基線，環(huán)路中存在閉合差。GPS網(wǎng)無(wú)約束平差的目的在于處理閉合不符值，檢查網(wǎng)本身的內(nèi)部符合精度以及基線向量之間有無(wú)明顯系統(tǒng)誤差和粗差。2)GPS基線向量網(wǎng)的約束平差。該平差又稱為非自由網(wǎng)平差。平差時(shí)以國(guó)家大地坐標(biāo)系或地方坐標(biāo)系的某些點(diǎn)的坐標(biāo)、邊長(zhǎng)和方位角為約束條件，顧及GPS網(wǎng)與地面網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行平差計(jì)算。3)GPS網(wǎng)與地面網(wǎng)聯(lián)合平差。該平差方法是在GPS網(wǎng)中，除了GPS基線向量觀測(cè)值和約束數(shù)據(jù)以外，還有地面常規(guī)測(cè)量值如邊長(zhǎng)、方向和高差等，將這些數(shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)一起進(jìn)行平差。
　　非自由網(wǎng)平差和聯(lián)合平差一般在國(guó)家或地方坐標(biāo)系中進(jìn)行，平差完成后網(wǎng)點(diǎn)的坐標(biāo)已屬于國(guó)家坐標(biāo)系或地方坐標(biāo)系。而無(wú)約束平差是在WGS-84基準(zhǔn)下進(jìn)行的。平差可以以三維模式進(jìn)行，也可以二維模式進(jìn)行，當(dāng)進(jìn)行二維平差時(shí)，應(yīng)首先將三維GPS向量坐標(biāo)及協(xié)方差陣轉(zhuǎn)換至二維平差計(jì)算面。
　　GPS高精度變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的基線解算和平差計(jì)算，目前一般是采用瑞士BERNESE大學(xué)研制開(kāi)發(fā)的BERNESE軟件或美國(guó)麻省理工學(xué)院研制開(kāi)發(fā)的GAMIT／GLOBK軟件口4J和IGS精密星歷。BERNESE和GAMIT／GLOBK軟件均為科研用途的高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件，其數(shù)據(jù)處理分為兩個(gè)主要方面：一是對(duì)GPS原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后獲得同步觀測(cè)網(wǎng)的基線解；二是對(duì)各同步觀測(cè)網(wǎng)的解進(jìn)行整體平差和分析，獲得GPS網(wǎng)的整體解。數(shù)據(jù)處理的重點(diǎn)都在于對(duì)同步網(wǎng)的基線處理，而在網(wǎng)的平差分析方面，特別是多個(gè)子網(wǎng)的系統(tǒng)誤差分析、粗差分析及隨機(jī)誤差處理方面，目前還沒(méi)有很理想的方法。國(guó)內(nèi)目前較有影響的GPS平差軟件有：原武漢測(cè)繪科技大學(xué)研制的GPSADJ系列平差處理軟件和同濟(jì)大學(xué)的TGPPS靜態(tài)定位后處理軟件。這兩種軟件主要用于完成經(jīng)過(guò)商用GPS基線處理軟件處理以后的三維和二維GPS網(wǎng)的平差。
　　4GPS變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)處理
　　在變形監(jiān)測(cè)中，由于GPS、測(cè)地機(jī)器人等新技術(shù)不斷應(yīng)用，資料積累越來(lái)越多，數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，如何及時(shí)有效地從大量的變形監(jiān)測(cè)信息中提取關(guān)鍵性的數(shù)據(jù)，對(duì)變形進(jìn)行分析與解釋，尤其是對(duì)建筑物的變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，使人們能及時(shí)地針對(duì)變形建筑物變形狀態(tài)進(jìn)行有效處理，對(duì)滑坡等災(zāi)害及時(shí)做好有關(guān)方面的防范和預(yù)防，從而極大地減少因建筑物變形或滑坡等地質(zhì)災(zāi)害造成的損失就變得至關(guān)重要。
　　(1)估計(jì)與平差的關(guān)系
　　估計(jì)也稱為平差，是從受到噪聲干擾的量測(cè)值中，對(duì)無(wú)法量測(cè)的狀態(tài)和參數(shù)做出最優(yōu)的估計(jì)，估計(jì)一般是由觀測(cè)值和狀態(tài)向量之間的物理關(guān)系做出的，這種物理關(guān)系一般是通過(guò)建立它們之間的數(shù)學(xué)模型表示，同時(shí)，觀測(cè)值和狀態(tài)向量都是隨機(jī)變量，因此它們還具有隨機(jī)模型。數(shù)學(xué)模型和隨機(jī)模型是進(jìn)行估計(jì)的基礎(chǔ)，若在估計(jì)中選擇不同的準(zhǔn)則求模型中參數(shù)的估值，就產(chǎn)生了不同的估計(jì)方法。傳統(tǒng)的測(cè)量平差方法是以最小二乘原理和極大似然估計(jì)原理為原理的，而現(xiàn)代出現(xiàn)的濾波和配置平差法是以最小方差和極大驗(yàn)后原理為基礎(chǔ)的。
　　(2)卡爾曼濾波
　　在許多問(wèn)題中，被估計(jì)的狀態(tài)，一方面是隨機(jī)向量，另一方面還隨時(shí)間不斷變化，這就是動(dòng)態(tài)的概念，一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的變化必須遵循該系統(tǒng)自身的客觀規(guī)律，而且不同時(shí)刻的狀態(tài)量測(cè)也是相互聯(lián)系的，根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)可知，當(dāng)未受外部干擾時(shí)，一個(gè)系統(tǒng)未來(lái)的狀態(tài)可以根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)從已知的運(yùn)動(dòng)方程中確定出來(lái)。但是，事實(shí)上總是存在著一些外部干擾。
　　(3)卡爾曼濾波與最小二乘的關(guān)系
　　經(jīng)典的最小二乘估計(jì)是殘差的平方和達(dá)到最小的意義下的估計(jì)，它是線性無(wú)偏的估計(jì)，但不是一般意義的最小方差估計(jì)，只有考慮最優(yōu)加權(quán)的最小二乘估計(jì)才是線性最小方差估計(jì)，這種考慮最優(yōu)加權(quán)的最d'-乘估計(jì)也稱為馬爾科夫估計(jì)，如果在最小二乘估計(jì)中加入線性方差估計(jì)所需要的全部動(dòng)態(tài)信息和統(tǒng)計(jì)信息，最小二乘估計(jì)就可以和卡爾曼濾波達(dá)到完全一致的結(jié)果；如果關(guān)于估計(jì)量沒(méi)有任何驗(yàn)前的統(tǒng)計(jì)知識(shí)時(shí)，線性最小方差估計(jì)也就退化為馬爾科夫估計(jì)。
　　目前，卡爾曼濾波己成為一種描述動(dòng)態(tài)系統(tǒng)常用的方法。在GPS變形監(jiān)測(cè)中正發(fā)揮著重要的作用。
　　
　　
　　參考文獻(xiàn)：
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