GPS在控制測量中的應用及精度分析

摘要：本文主要介紹了GPS在控制測量中的應用及精度分析。

關(guān)鍵詞：控制網(wǎng)；數(shù)據(jù)處理；精度指標

1.工程概況

A測量單位和B測量單位共同承擔了新疆*盆地*地區(qū)XX三維地震勘探資料采集項目任務。為圓滿完成此項目的前期測量任務，雙方設計并共同完成了新疆*盆地*地區(qū)XX三維地震勘探資料采集項目工區(qū)GPS控制網(wǎng)。由我方對該控制網(wǎng)進行數(shù)據(jù)處理、質(zhì)量評定和驗收。

1.1 控制網(wǎng)的作業(yè)依據(jù)

1)SY/T5927—2000《石油物探全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》

2)中石化*分公司下發(fā)的《石油物探全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)動態(tài)測量技術(shù)實施細則（新疆探區(qū)）》中有關(guān)的技術(shù)規(guī)定。

3)《新疆*盆地*地區(qū)XX三維地震勘探資料采集項目技術(shù)設計》

1.2 布網(wǎng)方案

1.3.1 網(wǎng)點選擇及布設

根據(jù)本工區(qū)國家三角點分布情況和本工區(qū)對GPS控制網(wǎng)的要求，我建網(wǎng)工作分兩個階段完成，在工區(qū)內(nèi)選擇17個符合建網(wǎng)要求的點，與2個Ⅰ級國家三角點、1個國家Ⅱ等三角點進行聯(lián)網(wǎng)觀測，構(gòu)成了*盆地*地區(qū)XX工區(qū)GPS控制網(wǎng)點。

工區(qū)GPS控制網(wǎng)點作為以后放樣作業(yè)的基準站使用，埋置了永久性標志樁作為標志，標志規(guī)格15cm×120cm鋼管，儀器天線對中標志為鋼管頂端2mm圓孔。

1.3 GPS網(wǎng)的外業(yè)觀測

本次GPS控制網(wǎng)的建立分兩個階段進行，具體實施如下：

第一階段觀測分三期完成，每次觀測分別按測前、測后各量取3次儀器高。觀測中投入6臺Trimble系列接收機進行同步觀測，將A、B作為連接高等級國家三角點的連接點，在工區(qū)內(nèi)按照石油物探測量規(guī)范對GPS控制網(wǎng)精度要求，對布設工區(qū)GPS控制網(wǎng)點進行觀測。

第二階段觀測于X年10月18日進行，投入10臺Trimble系列接收機，進行布網(wǎng)和整個工區(qū)的聯(lián)網(wǎng)觀測。

2 數(shù)據(jù)處理及精度指標分析

通過對野外數(shù)據(jù)的采集，工區(qū)GPS網(wǎng)的整體控制已完成。對原始數(shù)據(jù)檢核無誤后，我們使用Trimble系列接收機隨機軟件Trimble Geomatics Office對全部觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)一進行基線解算和網(wǎng)平差計算。

2.1 基線解算的定義及內(nèi)涵

基線解算即利用多個測站的GPS同步觀測數(shù)據(jù)，確定測站之間的坐標差的過程。

根據(jù)以上原理，我們使用Trimble 5700隨機軟件TGO對所測的GPS控制網(wǎng)作了基線解算。基線處理形式中的參數(shù)可以分成兩類：一是精化參數(shù)，主要用于控制參與基線處理的數(shù)據(jù)，達到精化基線的目的。一是非精化參數(shù)，僅用于控制顯示或表示解的質(zhì)量。

基線的質(zhì)量檢驗需要通過RMS、RATIO、PDOP、同步環(huán)閉和差、異步環(huán)閉和差和重復基線較差來進行。

參考因子又稱單位權(quán)方差因子（σ0）,

0= ( 2.1 )

其中：V為觀測值；P為觀測值的權(quán)；f=m-sv-2（m為誤差方程個數(shù)，sv為觀測的衛(wèi)星個數(shù)）。

比率（RADIO）反映了所確定出的整周未知數(shù)參數(shù)的可靠性，這一指標取決于多種因素，既與觀測值的質(zhì)量有關(guān)，也與觀測條件的好壞有關(guān)。RADIO=RMS次最小/RMS最小

RMS即均方根誤差，它表明了觀測值的質(zhì)量，觀測值質(zhì)量越好，RMS越小，反之，觀測值質(zhì)量越差，則RMS越大，它不受觀測條件（觀測期間衛(wèi)星分布圖形）的好壞的影響。

2.3 基線的精化處理

如基線處理不通過，則對未通過的基線進行精化處理。在TGO軟件中通過觀察殘差圖和時序器（timeline），區(qū)別導致基線質(zhì)量控制指標超限的不同原因進行精化處理。如刪除個別衛(wèi)星；刪除含有周跳的時段；調(diào)整衛(wèi)星截止高度角等手段。

1)2.3.1質(zhì)量控制指標

1)距離中誤差：σ=( 4.5 )

式中σ——標準差（基線向量的弦長中誤差mm）；

a ——固定誤差（mm）；

b ——比例誤差系數(shù)（1 x 10-6）；

D ——相鄰點間的距離（km）。

各等級GPS網(wǎng)的主要技術(shù)要求應符合規(guī)范規(guī)定。相鄰點最小距離應為平均距離的1/2—1/3；最大距離為平均的2—3倍。

將此網(wǎng)按C級網(wǎng)的精度可求得 σ為30.007mm。

2)重復基線較差、同步觀測環(huán)差值、異步環(huán)觀測環(huán)差值、基線改正數(shù)、無約束平差中基線分量的改正數(shù)、約束平差中，基線分量的改正數(shù)與通過粗差剔除后的無約束平差結(jié)果的同一基線相應改正數(shù)較差的絕對值均須遵循國家規(guī)范要求的限差。

否則，認為作為約束的已知坐標、已知距離、已知方位中存在一些誤差較大的值，應采用自動或人工的方法剔除這些誤差較大的約束值，直至上式滿足。

2.4 基線處理情況概況

因為本次建網(wǎng)進行了分時段觀測，觀測時間長，在解算完所有基線后，基線數(shù)據(jù)處理質(zhì)量較好，共產(chǎn)生了180條基線向量構(gòu)成工區(qū)GPS網(wǎng)。基線邊長最長為94.502公里，最短為5.410公里，平均邊長33.772公里。達到了石油物探測量Ⅱ級網(wǎng)的精度。

由于控制網(wǎng)采取分期、分時段的形式進行觀測，因而在基線處理的過程中，產(chǎn)生了大量的同步環(huán)和異步環(huán)。由180條基線，共構(gòu)成了350個同步閉合環(huán)、1779個異步閉合環(huán)、166條重復基線，各類閉合差達到建網(wǎng)技術(shù)設計和測量施工設計的精度要求。各時段解向量的重復性反映了基線解的內(nèi)部精度，是衡量基線解質(zhì)量的一個重要指標。同步環(huán)閉合差反映了本工區(qū)GPS網(wǎng)同步環(huán)數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞，而異步環(huán)閉合差反映的是整個工區(qū)GPS網(wǎng)的外業(yè)觀測質(zhì)量和基線解算質(zhì)量的可靠性，相對于同步環(huán)閉合差，異步環(huán)閉合差對GPS成果質(zhì)量更為重要。

由數(shù)值統(tǒng)計可以看出，GPS觀測的精度和內(nèi)部構(gòu)造符合情況很好，*盆地*地區(qū)XX工區(qū)GPS控制網(wǎng)的野外數(shù)據(jù)采集質(zhì)量較好，基線處理的精度達到了施工設計的要求。

2.5 基線向量網(wǎng)平差

基線向量網(wǎng)平差，即以GPS基線向量為觀測值，以其方差陣之逆為權(quán)，進行計算求定各GPS網(wǎng)點的坐標并進行精度評定。

2.5.1 三維無約束網(wǎng)平差

平差在WGS-84三維空間直角坐標系下進行，平差時不引入使得GPS網(wǎng)產(chǎn)生由非觀測量所引起的變形的外部約束條件。

其作用為：

1)評定GPS網(wǎng)的內(nèi)部符合精度，發(fā)現(xiàn)和剔除GPS觀測值中可能存在的粗差

2)得到GPS網(wǎng)中各個點在WGS-84系下經(jīng)過了平差處理的三維空間直角坐標

3)為將來可能進行的高程擬合，提供經(jīng)過了平差處理的大地高數(shù)據(jù)

基線向量改正數(shù)絕對值滿足：

V△x、 V△y、 V△z≤中誤差限制

協(xié)方差項滿足：水平精度和三維精度在網(wǎng)的等級精度要求之內(nèi)。通過對基線質(zhì)量和閉合環(huán)質(zhì)量檢核后，選擇基準為WGS-84坐標系，在WGS-84坐標系下進行無約束網(wǎng)平差，平差后的各項精度統(tǒng)計表明了對觀測誤差估計的準確度，反映了基線解算的正確性，控制網(wǎng)內(nèi)部符和精度較好，基線向量之間無粗差。

2.5.2 約束網(wǎng)平差

三維無約束平差的基準軟件默認為WGS-84系統(tǒng)，差方檢驗通過，各點的坐標變化量均為0，無超限觀測值等幾項主要精度指標通過后，三維無約束平差即完成，爾后同樣在基準為WGS-84坐標系下，以1個已知點（A）的大地坐標為起算點，以已知點B、C為檢核點進行約束網(wǎng)平差。通過兩種不同的平差方式，我們分別獲取了各自的約束網(wǎng)平差坐標，從各項精度統(tǒng)計可以看出，無論是單點約束平差，或是兩個點都約束參與平差，各項精度指標都達到規(guī)范和設計要求。我們經(jīng)過對比還可以發(fā)現(xiàn)，無論是單點約束平差，或是雙點約束平差，其成果之間的差異是很小的，是完全能夠滿足石油物探測量生產(chǎn)需要的。

根據(jù)以上對比情況，我們采用了更為合理的雙點約束平差后的網(wǎng)點成果作為工區(qū)的控制網(wǎng)成果，根據(jù)中石油在*盆地建立B級網(wǎng)點獲取的轉(zhuǎn)換三參數(shù)和適用于*盆地的新一代高程異常拾取程序（CQG2000高程擬合軟件），我們將雙點約束平差后得到的WGS-84坐標系下的坐標進行解算，最終成果平面采用1954北京坐標系；高程采用1956黃海高程系，求取了工區(qū)控制網(wǎng)點的1954北京坐標系6度帶15帶平面坐標和海拔高成果。

3 總結(jié)

從以上的各種精度統(tǒng)計可以看出，本工區(qū)控制網(wǎng)的建立是可靠的，可以滿足本工區(qū)測量施工需要。此網(wǎng)從外業(yè)數(shù)據(jù)采集、基線處理到無約束平差，再到約束平差，一個完整的GPS靜態(tài)測量數(shù)據(jù)處理過程憑借Trimble 5700及其隨機軟件TGO完成全部工作，在其生成的各項報告中，各項精度指標也比較完善和直觀，

通過此項目在實踐中的應用及其分析，也進一步說明了GPS導航定位以其高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便、應用廣泛等特點著稱，在GPS測量領域具有不可替代的優(yōu)勢。

參考文獻

[1]徐紹銓 張華海，等。GPS測量原理及應用[M]。武漢：武漢大學出版社，2003年。

[2]魏二虎，等。 GPS測量操作與數(shù)據(jù)處理[M]。武漢：武漢大學出版社，2004年。

作者簡介：

劉霞（1973- ），女，新疆大學畢業(yè)，工程師，主要從事GPS應用工作。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文