§3.4 精度评定

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条件平差精度评定统计推断测量平差

精度评定

搞懂单位权方差怎么估、权倒数怎么传、精度怎么评

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条件平差精度评定统计推断测量平差

精度评定

搞懂单位权方差怎么估、权倒数怎么传、精度怎么评

1第 1 页 · 精度评定

条件平差回顾

上页讲了精度评定如何打分,但成绩单建立在平差之上。条件平差是经典路径:多余观测→条件方程→闭合差→法方程。三者怎么咬合?

条件方程
多余观测之间由几何或物理关系导出的约束式,记为 A·V̂ + W = 0
闭合差 W
观测值代入条件方程左端得到的常数项,衡量几何矛盾的大小
法方程
在 VᵀPV = min 下对条件方程求极值,导出 A·Aᵀ·K + W = 0
三者的链式关系
条件方程立框架 → W 暴露矛盾 → 法方程解 V → 平差值与精度
电路 KVL 回路对应 →条件平差链

KVL 要求回路电压和为零(条件),实测不为零即闭合差,求最合理分配即解 V

AV^+W=0AAK+W=0V^=A(AA)1WA\hat{V}+W=0\quad\Rightarrow\quad AA^\top K+W=0\quad\Rightarrow\quad \hat{V}=-A^\top(AA^\top)^{-1}W
2第 2 页 · 条件平差回顾

精度评定的意义

上一步条件平差给我们算出了坐标——但一个孤零零的数字其实说明不了太多:它可靠吗?哪个方向更弱?会不会有粗差漏网?这就是为什么平差之后必须再走一步:评定精度。

精度不是附赠品
平差求值是求值,精度评定是另一道独立且强制的工序
精度=可靠程度
用中误差、点位误差等指标,定量描述成果可不可信
暴露薄弱环节
哪个方向误差大、哪条路线最弱,精度报告一目了然
衔接设计与验收
对比设计精度,判断是否达标,也是后续工作的依据
工厂产品出厂前质检对应 →平差后的精度评定

生产只造出产品,质检给它贴合格证;平差只算出数值,精度评定给它贴可靠度标签

3第 3 页 · 精度评定的意义

单位权中误差的概念

σ₀的意义——假设观测值权为1时的中误差

单位权中误差的概念
σ₀的意义——假设观测值权为1时的中误差
4第 4 页 · 单位权中误差的概念

单位权中误差公式推导

在条件平差框架下,把残差加权平方和变成单位权中误差,走通这条五步推导链。

1
建立残差二次型
观测改正数 V 与权阵 P 构成加权平方和 V^T P V
2
解出 V 与 K
由最小二乘求得 V = P⁻¹ B^T K,K 是联系数
3
化简 V^T P V
利用 PV = B^T K 化简为 W^T (BP⁻¹B^T)�¹ W
4
确定自由度 r
多余观测数 r 即条件方程个数,决定分母
5
求单位权中误差
σ̂₀ = ±√(V^T P V / r),开方即得
5第 5 页 · 单位权中误差公式推导

单位权中误差计算流程

从左到右读完整流程:观测值出发,经条件方程、联系数、残差,最终算出 σ₀。每个箭头对应一次数学运算。

图解渲染中…
a3联系数 K,由法方程 N·K=W 解出a5加权残差平方和,衡量平差拟合程度a6r 为条件方程个数,即多余观测数a7单位权中误差,刻画整组带权观测的整体精度
6第 6 页 · 单位权中误差计算流程

自由度与多余观测数

前面用 σ̂₀² = VᵀPV/r 算出了单位权中误差,但分母 r = n − u 究竟代表什么?这一页来揭开它的物理含义。

必要观测 u
唯一确定待求量所需的最少观测个数,由控制网网形决定
r = n − u
实测观测数减去必要观测数,即"富余"出来的观测
残差空间的维数
残差向量 V 只能"活"在 r 维子空间里,是 VᵀPV 矩阵的秩
独立约束的条数
r 条多余观测提供 r 个独立检核条件,可发现粗差、闭合验算
决定估计可靠度
r 越大 σ̂₀² 越逼近真方差(对应 χ²(r) 分布);r=0 时无法评定
三角形内角和定理对应 →r 的几何本质

已知两角可推第三角(u=2);实测三内角(n=3),r=1,闭合差就是这 1 个独立残差

r=nur = n - u
7第 7 页 · 自由度与多余观测数

协因数阵的定义

上节推导出单位权方差 σ₀² 这个'精度放大系数'。但未知参数 X 通常不止一个,它们之间还有协方差。要描述这组参数的精度,光靠 σ₀² 不够,需要一个矩阵来承接——这就是协因数阵 Q。

Q = P⁻¹
权阵的逆矩阵,反映观测值相对精度的倒数
协因数与协方差的区别
协因数无量纲,只描述相对结构;方差才有单位与实际大小
Qxx 指参数的协因数阵
下标 xx 表示专指未知参数 X 这一组变量的协因数阵
Dxx = σ₀²·Qxx
协因数阵乘以单位权方差,落地为参数的实际方差协方差阵
弹簧刚度与柔度对应 →权阵 P 与协因数阵 Q

刚度越大越难变形对应观测越可靠;柔度是其倒数,对应精度贡献

Q=P1,Dxx=σ02QxxQ = P^{-1}, \quad D_{xx} = \sigma_0^2 \cdot Q_{xx}
8第 8 页 · 协因数阵的定义

协因数阵的性质

上一节我们把协因数阵 Q 定义出来了——它装的是观测值之间的相对精度结构。这一节看 Q 本身的三个漂亮性质:对称、单位阵退化、迹。这三条性质决定了它在平差里为什么好用。

对称性
Q = Qᵀ,非对角元素 Qᵢⱼ = Qⱼᵢ,转置等于自身
单位阵情形
观测互相独立且精度相同时,Q = I,最简形式
迹的标量性
tr(Q) = ΣQᵢᵢ,把矩阵压成一个标量,整体刻画精度结构
跷跷板上两人的相互推对应 →协因数阵的对称性

A推B的力 = B推A的反作用力,对应 Qᵢⱼ = Qⱼᵢ

Q=QT,tr(Q)=i=1nQiiQ = Q^{T}, \quad \text{tr}(Q) = \sum_{i=1}^{n} Q_{ii}
9第 9 页 · 协因数阵的性质

协因数传播律

从左到右读:起点是已知向量的协因数阵,经线性函数变换后,套用传播律即可得到新向量的协因数阵,进而做精度评定。

图解渲染中…
a1已知随机向量 X 及其协因数阵 Q_X,传播的源头a2F 是系数矩阵;Y 必须是 X 的线性函数a3核心公式:协因数传播律本身,三明治结构a4得到 Q_Y 后即可开方得中误差
10第 10 页 · 协因数传播律

法方程系数阵N的结构

上页我们用协因数传播律让 P 在公式之间流动。在间接平差里,最后所有 P 与几何构型 A 浓缩成一张矩阵 N=AᵀPA,它的形状决定了参数协因数阵的全部信息。

矩阵构成
N = AᵀPA,由设计阵转置、权阵、设计阵三者相乘得出
对称矩阵
Nᵀ = N;权阵 P 对称,对称性贯穿乘积
正定矩阵
A 列满秩时 N 正定:所有特征值 > 0,可逆
逆即协因数
Qx̂ = N⁻¹,x̂ 的协因数阵直接由 N 取逆得到
弹簧网络总刚度对应 →法方程系数阵 N

每根弹簧=一次观测,P=弹簧刚度,整网汇总即 N——网越硬、节点定位越准

N=ATPA,Qx^=N1N = A^{\mathrm{T}}PA,\quad Q_{\hat{x}} = N^{-1}
11第 11 页 · 法方程系数阵N的结构

协因数阵Qaa的求法

按箭头方向读:法方程N → 对称正定 → 求逆 → Qaa=N⁻¹。亮起节点即当前讲解步骤。

图解渲染中…
A2对称正定是N可逆的充要条件A5Qaa由定义等于N的逆矩阵
12第 12 页 · 协因数阵Qaa的求法

平差值协因数阵Q_ll

上页得到改正数 V 的协因数阵 Q_VV,但评定精度最终要看平差值 L̂ 自身。本页从 L̂ = L + V 出发,推导平差值的协因数阵。

平差值的构成
L̂ = L + V,L 是观测值,V 是平差求出的改正数
L 与 V 不独立
V 由条件方程从 L 解出,二者相关,Q_LV ≠ 0
协因数传播律展开
展开为 Q_LL + Q_VV + Q_LV + Q_VL 四项
对称性化简
Q_LV = Q_VL = -Q_VV,化简得核心公式
方差只减不增
Q_VV 半正定 ⇒ Q_L̂L̂ ≤ Q_LL,平差只会提高精度
录音降噪对应 →平差值协因数阵的分解

原信号方差 Q_LL 减去估计出的噪声方差 Q_VV,等于干净信号方差 Q_L̂L̂

QL^L^=QLLQVVQ_{\hat{L}\hat{L}} = Q_{LL} - Q_{VV}
13第 13 页 · 平差值协因数阵Q_ll

平差值函数的概念

上几页我们算出了平差值协因数阵 Q_ll,能求各待定点坐标的精度。但工程真正问的往往是两点间的边长、网形的面积、关键方位角——这些组合量才是平差值的函数。

平差值函数的含义
待评定精度的量,是平差值向量的函数,记作 φ=f(L̂)
为什么需要它
工程关心边长、方位角、面积、高差等组合量,而非单一坐标
评定思路
用全微分线性化 dφ=FᵀdL̂,再由协因数传播律得 Q_φ=FᵀQ_L̂ F
典型应用
边长、坐标方位角、高差、面积、变形量等工程量的精度评定
投资组合的收益率对应 →平差值函数的精度

成分资产精度已知(协因数),组合收益是加权函数,组合精度按权重与协因数一起传播

Qφ=FTQL^F,σφ2=σ02Qφ,F=fL^L^=L^0Q_\varphi = F^T Q_{\hat L} F,\quad \sigma_\varphi^2 = \sigma_0^2 Q_\varphi,\quad F = \dfrac{\partial f}{\partial \hat L}\bigg|_{\hat L=\hat L_0}
14第 14 页 · 平差值函数的概念

平差值函数线性化

平差值函数若是非线性的,需要在工作点附近做一阶泰勒展开,才能套用协因数传播律。

1
写出函数式
明确 φ = F(x̂),标出谁是平差值、谁是因变量
2
取近似值
把 x̂ 写成 x̂⁰ + δx̂,x̂⁰ 作为泰勒展开的起点
3
一阶展开
在 x̂⁰ 处对 F 做一阶 Taylor 展开,舍去高阶项
4
求偏导数
算出 ∂F/∂x̂ᵢ 在 x̂⁰ 处的数值,组成系数矩阵 K
5
整理线性式
写成 φ = φ⁰ + K·δx̂,便可用传播律求 Qφφ
15第 15 页 · 平差值函数线性化

平差值函数协因数阵推导

用流程图展示从 F=f(L̂) 到 Q_FF 公式的完整推导链。

图解渲染中…
a2G=∂F/∂L,偏导数阵(雅可比阵)b1上页已求得的平差值协因数阵a5Q_FF=G·Q_LL̂·G^T 即所求
16第 16 页 · 平差值函数协因数阵推导

平差值函数中误差

上页我们算出 F 的总协因数 Q_{FF},但它只是一个无量纲的权倒数。这一页只做一件事:把它和单位权中误差 σ₀ 拼起来,得到真正带量纲的 F 中误差 σ_F。

总协因数 Q_{FF}
由 Q_lF、Q_F1、Q_FF 等分量按线性化公式合并得到的那个数,代入公式前的最终输入
组合方式 σ₀·√Q_{FF}
用 σ₀ 把无量纲的权倒数缩放成与 F 同量纲的实际中误差,建立起「单位权 → 实际」桥梁
评定意义 σ_F
σ_F 越小,F 精度越高;用于控制网设计的精度预后与最终成果验收
使用边界
F 必须已线性化;σ₀ 的估计需足够多余观测支撑(一般 r≥3 较稳)
放大电路的输出噪声对应 →σ₀·√Q_{FF} 的合成

σ₀ 类似电阻热噪声(基础等级),Q_{FF} 类似电压增益(放大倍数),二者共同决定输出端的噪声幅度

σF=σ0QFF\sigma_F = \sigma_0\sqrt{Q_{FF}}
17第 17 页 · 平差值函数中误差

三种协因数阵对比

三个协因数阵形式相似但含义迥异:Qaa、Q_ll 与 QFF 选错对象是精度评定最常见错误。

Qaa 与 Q_ll
  • 对象:模型中的参数 / 平差值
  • 求法:Qaa = N⁻¹;Q_ll 由其线性变换
  • 应用:评定模型内各量的精度
  • 特征:直接来自平差,无需额外定义
QFF 函数型
  • 对象:平差值的任意函数 φ(L̂)
  • 求法:QFF = F·Q_ll·F^T(F 隐函数矩阵)
  • 应用:评定模型外推算量的精度
  • 特征:依赖自定义函数形式
模型内的量用 Qaa/Q_ll;模型外的函数用 QFF。三者层层递进,QFF = FQ_llF^T 是统一桥梁。
18第 18 页 · 三种协因数阵对比

精度评定自测

点击作答

条件平差中,已知单位权中误差 σ₀=1.5″,某平差值函数的协因数 Q_F=4。求该函数的中误差 σ_F。

19第 19 页 · 精度评定自测

精度评定思考

先自己想,再对照参考答案看思路是否对得上。

1为什么单位权中误差要单独估算,而不是直接用观测值中误差?

参考答案σ̂₀ 是衡量整网精度的整体尺度,必须由多余观测产生的改正数 V 反推;单条观测值的中误差只反映局部,无法代表全网。

2如果没有多余观测,精度评定这个步骤还存在吗?为什么?

参考答案不存在。无多余观测就没有 V,也就没有 VTPV 求 σ̂₀²,协因数传播律同时失去前提,整章评定都无从谈起。

3平差值函数非线性时,协因数传播律还能直接套用吗?

参考答案泰勒展开取一阶近似后仍可套用,但系数要用偏导在近似值处取值;非线性越强,忽略的高阶项引入的误差也越大。

20第 20 页 · 精度评定思考
§3.4 精度评定 · 知识图解