工程GPS控制網(wǎng)精度分析

陳 磊,杜寶玉,王圻伊,王紹明,蔣 力

(黑龍江工程學院測繪工程系)

0 引 言

隨著經(jīng)濟發(fā)展國家建設的需要,GPS定位技術(shù)以其精度高、速度快、費用低、操作簡便等優(yōu)良特性在測繪、土木、水利、電力等眾多領域中得到了非常廣泛的應用,特別是在測繪領域中的大地測量、變形測量和精密工程測量中更是發(fā)揮著其他技術(shù)無法替代的作用。從 GPS網(wǎng)布設的連接方式、已知點數(shù)目、觀測時間長短等因素進行了實際分析和研究,并得出了相關結(jié)論。希望能對今后GPS網(wǎng)的優(yōu)化設計起到參考作用。

根據(jù)已有資料不難發(fā)現(xiàn)在利用GPS測量定位技術(shù)施測各種用途的控制網(wǎng)時,當同步圖形采用不同的方式進行連接時,最后測得結(jié)果精度也會有所不同。由于邊連接方式會形成較多閉合條件與復測邊,多余觀測較多使其無論是在數(shù)據(jù)可靠性還是最后平差成果精度方面都優(yōu)于邊點混合及單純的點連接布網(wǎng)形式;當已知點數(shù)目不同時,最后處理的結(jié)果精度也會有所差別,適當數(shù)目的已知點能夠更好的實現(xiàn)約束平差計算,能夠更準確地計算出相應的轉(zhuǎn)換參數(shù);當分別采用單、雙頻接收機,有時所測結(jié)果的精度也會有所不同,當基線距離較長時(一般大于 10 km左右),雙頻接收機測量定位結(jié)果精度要好于單頻接收機定位結(jié)果的精度。但在基線距離較短時二者測量定位結(jié)果精度相當,因此在考慮到工程實際需要和經(jīng)濟成本的前提下施工人員對于儀器的選擇會有一個良好的方案;當觀測時間長短不同的情況下測得結(jié)果精度也會有所不同,由于長時間可獲取較多數(shù)量的觀測數(shù)據(jù),進行數(shù)據(jù)處理時精度要高,但是在考慮到實際條件和經(jīng)濟成本的前提下并非觀測時間越長越好;進行GPS測量時,晚上天黑以后進行GPS測量往往可以獲得精度較高的觀測數(shù)據(jù),這是由于白天電離層受太陽光照射影響很強,電離層中帶電離子較多,而夜晚電離層中帶電離子很少,電離層對觀測值的折射影響很小,因而晚上天黑以后進行 GPS測量時往往可以獲得精度較高的觀測數(shù)據(jù)。

1 測區(qū)概況

本次野外施測部署兩個GPS控制網(wǎng),分別為 GPS控制網(wǎng)A和 GPS控制網(wǎng) B。GPS控制網(wǎng) A部署區(qū)域為某市城區(qū),地勢為平坦,區(qū)域內(nèi)建筑物較少,視野較開闊。GPS控制網(wǎng)A共有 21條基線組成,重復基線 11條,其中點 p001、p004、p005、p006為已知地方坐標的控制點。GPS控制網(wǎng) B部署區(qū)域為某城市市區(qū)交通道路建設工程控制網(wǎng)的一部分,視野開闊,地勢平坦,本次共部署二維測線 3條,其中重復基線 3條。

2 GPS數(shù)據(jù)采集處理及其分析

2.1 GPS數(shù)據(jù)采集

GPS控制網(wǎng)A分別采用南方 GPS單頻接收機進行同步觀測,每時段為 1 h左右,同步接收衛(wèi)星個數(shù)最多為 12顆,最少為 6顆,衛(wèi)星截止高度角為 5°,數(shù)據(jù)歷元間隔為 5 s,PDOP值最大值為 5.2,接收機與衛(wèi)星的圖形結(jié)構(gòu)良好。GPS控制網(wǎng) B采用南方 GPS單頻接收機和天寶 GPS雙頻接收機,白天和夜晚分別進行同步觀測,每時段為 1 h,同步接收衛(wèi)星個數(shù)最多為 8顆,最少為 4顆,衛(wèi)星截止高度角為 5°,數(shù)據(jù)歷元間隔為 5 s。

2.2 GPS數(shù)據(jù)處理

2.3 GPS數(shù)據(jù)分析

(1)不同網(wǎng)形結(jié)構(gòu)及已知點個數(shù)條件下的精度分析比較。

在 GPS控制網(wǎng) A中利用南方 GPS處理軟件 4.0進行刪除,不同基線獲得不同邊連方式的網(wǎng)形,邊點混連方式,點連方式的網(wǎng)形圖,通過南方GPS處理軟件 4.0對已知點的有效性進行控制,從而得出一個已知點,兩個已知點,三個已知點,四個已知點條件下采用不同 GPS網(wǎng)形連接方式下,利用現(xiàn)有的已知點進行二維約束條件平差,利用不同個數(shù)已知點進行平差處理推出北京 54坐標系下 P001點坐標,和 P001點已知坐標進行計算得出其點位誤差,并對其進行比較分析?，F(xiàn)將結(jié)果列在表 1中。

通過表 1可計算出邊連方式的平均點位誤差為0.022 0m,點連方式平均點位誤差為 0.026,邊點混連方式平均點位誤差為 0.025 9,已知一個已知點情況下的平均點位誤差為 0.041 4m,已知兩個已知點情況下的平均點位誤差為 0.018 2m,已知三個已知點情況下的平均點位誤差為0.018 8 m,已知四個已知點情況下的平均點位誤差為0.022 8m。由此可知邊連方式點位精度優(yōu)于邊點混連方式點位精度,而邊點混連方式點位精度優(yōu)于點連方式點位精度。一個已知點的點位精度劣于兩個已知點的點位精度,兩個已知點的點位精度劣于三個已知點的點位精度,但三個已知點的點位精度卻優(yōu)于四個已知點的點位精度。

(2)不同接收機及時間長度條件下的精度分析比較。

在 GPS控制網(wǎng)B中通過TGO處理軟件對天寶 5 800接收機獲得白天 8∶00～ 10∶00之間的觀測數(shù)據(jù)和晚上 20∶00～22∶00之間的觀測數(shù)據(jù)進行處理,利用軟件選擇觀測時間為 30min和60min進行數(shù)據(jù)無約束平差,從而獲得其在WGS-84坐標下基線比例誤差,并對其比較分析。其結(jié)果如表 2所示。

表 1 GPS控制網(wǎng) A經(jīng)數(shù)據(jù)處理之后不同條件下成果比較 m

表 2 GPS控制網(wǎng) A經(jīng)數(shù)據(jù)處理之后不同條件下成果比較

通過上表可知對于同一條基線而言,30m in所獲的基線比例誤差大于 60所獲得的基線比例誤差;對于 01-03這條相對較短的基線,單雙頻接收機在同等條件下如觀測時間為30min條件下前者所獲得基線比例誤差總體小于后者,而在觀測時間為 60min條件下前者所獲得基線比例誤差總體大于后者,但二者精度相當;對于距離大于 10 km的 01-04基線很明顯雙頻接收機所獲取的基線比例誤差小于單頻接收機所獲取的基線比例誤差。

(3)同等觀測條件下,白天與夜晚觀測精度的比較分析。

對 GPS控制網(wǎng)B中在同等觀測條件下,利用南方單頻接收機在白天和晚上天黑以后分別進行實測,并對所獲得的觀測數(shù)據(jù)分別進行基線解算,現(xiàn)將各條基線的解算結(jié)果及其各參數(shù)列于表 3中。

表 3 各基線解算結(jié)果精度比較分析

從表 3所列數(shù)據(jù)的情況可以看出,比較相對精度和邊長中誤差兩項可知晚間觀測數(shù)據(jù)的解算結(jié)果精度要高于上午觀測數(shù)據(jù)的解算結(jié)果精度。從上面對實測數(shù)據(jù)的解算結(jié)果進行分析,對于單頻接收機當距離較遠(一般距離大于10 km)時,其晚間天黑以后的觀測數(shù)據(jù)解算結(jié)果精度要高于白天觀測數(shù)據(jù)的解算結(jié)果精度,而且距離越長效果越明顯。

3 結(jié)束語

(1)在其他條件相同的情況下,GPS網(wǎng)采用邊連接方式布網(wǎng)時測量定位結(jié)果的精度優(yōu)于邊點混合連接方式;而邊點混合連接方式布網(wǎng)時的測量定位結(jié)果的精度要優(yōu)于點連接方式布網(wǎng)的結(jié)果精度。

(2)一般情況下已知點的數(shù)目越多 GPS網(wǎng)最終獲得的結(jié)果精度越高,但所使用的已知點必須經(jīng)過檢驗不含有粗差。在實際進行GPS測量時由于其他因素的限制不可能有很多的已知點,只有依據(jù)網(wǎng)形的特點及其大小選擇合適數(shù)目的已知點才能獲得較高的結(jié)果精度。

(3)通過上面計算可知觀測時間為 60 min比觀測時間為 30min的結(jié)果相對誤差較低,精度較好。一般情況下在一定時間內(nèi)觀測時間越長最終結(jié)果精度越高,但是在實際作業(yè)時當觀測時間達到規(guī)范規(guī)定的時間后,再增加觀測時間對最終結(jié)果精度沒有明顯的作用,只會增加作業(yè)成本。

(4)在利用GPS測量定位技術(shù)施測各種用途的控制網(wǎng)時,當采用不同接收機(單頻或雙頻)進行測量時,其定位結(jié)果的精度會有所不同,從表 2可知當距離較長時(一般大于10 km)雙頻接收機測量定位結(jié)果精度高于單頻接收機;當距離較短時單、雙頻接收機測量定位結(jié)果的精度相當。

(5)在同等觀測條件下,晚上天黑以后進行 GPS測量往往可以獲得較高精度的觀測數(shù)據(jù),從控制單一變量的原則出發(fā),得出結(jié)論,由于夜晚電離層活動相對于白天來說較弱,對GPS觀測值的影響就相應地減小,所以晚上天黑以后進行GPS測量精度高于白天。

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