GPS?靜態(tài)測量技術(shù)在高程測量中的應(yīng)用

焦迎樂

（河南省許昌水文水資源勘測局，河南 許昌 461000）

0 引言

GPS 全球定位系統(tǒng)，是由美國建立的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)用戶可以在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)全天候、連續(xù)、實時的三維導(dǎo)航、定位和測速。目前 GPS 衛(wèi)星定位技術(shù)已廣泛應(yīng)用于測繪、導(dǎo)航等領(lǐng)域，在測繪領(lǐng)域，主要應(yīng)用于空間大地控制網(wǎng)的布設(shè)、工程測量、地形圖測繪、航空攝影輔助測量等。

河南省土壤墑情及地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)一期工程于 2010年6月開始建設(shè)，當年12月建成并投入試運行。項目共建150處地下水水位自動監(jiān)測井，依據(jù)《地下水監(jiān)測規(guī)范》，需在每處監(jiān)測井周圍設(shè)置1個基本水準點，并引測其高程[4]。該項目點多面廣，若采用傳統(tǒng)的水準儀法進行測量，歷時較長，且不經(jīng)濟，經(jīng)綜合考慮，決定引進新的測量方法，即利用 GPS 靜態(tài)測量技術(shù)完成基本水準點高程引測?，F(xiàn)以許昌測區(qū)為例，探討該技術(shù)在高程測量中的應(yīng)用步驟和方法及特點。

1 GPS 測量的原理

GPS根據(jù)其作用可劃分為空間、控制和用戶接收等部分?？臻g部分由6個軌道平面上的24顆衛(wèi)星組成，用來發(fā)射衛(wèi)星信號；控制部分由分布在全球的若干個跟蹤站組成的監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成，用來向衛(wèi)星上行加載導(dǎo)航和其他數(shù)據(jù)；用戶部分由 GPS 接收機、數(shù)據(jù)處理軟件及相應(yīng)的用戶設(shè)備等組成，用來接收衛(wèi)星信號。

GPS 衛(wèi)星用碼分多址的技術(shù)，在頻率為1575.42MHz 的 L1載波和 1227.60MHz 的 L2載波上廣播測距碼和導(dǎo)航數(shù)據(jù)，利用單向到達時間（TOA）測距的概念，導(dǎo)航數(shù)據(jù)提供給接收機，以確定衛(wèi)星發(fā)射信號時的位置，而測距碼使用戶接收機能夠確定信號的傳輸延時，從而確定衛(wèi)星到用戶的距離[6]?；驹硎抢镁嚯x交會技術(shù)，測量出已知位置的衛(wèi)星到 GPS 接收機之間的距離， 然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，通過一系列方程演算，由地面點的點位坐標就可知道接收機的具體位置。在測繪中主要利用 GPS 的定位功能確定點的三維位置。

2 GPS 靜態(tài)測量方法和特點

GPS 測量方法包括靜態(tài)和 RTK 測量，本文主要探討 GPS 靜態(tài)測量。該方法是將至少3臺雙頻GPS 接收機安置在基線端點上，保持固定不動，不受通視條件限制，但需同步觀測4顆以上衛(wèi)星。測量時可觀測數(shù)個時段，每時段觀測十幾分鐘至幾十個小時左右。最后將觀測數(shù)據(jù)輸入計算機，經(jīng)基線結(jié)算軟件處理得到各點坐標。在 GPS 測量的各種方法中，該方法精度最高，主要用于大地、控制、變形、工程等測量。

3 項目實施內(nèi)容

3.1 GPS 控制網(wǎng)設(shè)計

針對本項目建設(shè)特點和地下水監(jiān)測井分布，決定由有地下水自動監(jiān)測井建設(shè)任務(wù)的6個地市各自組網(wǎng)完成本轄區(qū)內(nèi)水準點的引測任務(wù)，現(xiàn)以許昌測區(qū)為例說明測量的方法步驟及注意事項。

此次測量，平面坐標系統(tǒng)采用 1954年北京坐標系，高程系統(tǒng)采用 1985年國家高程基準。首級平面控制布設(shè) D 級 GPS 控制網(wǎng)。GPS 接收機4臺，采用網(wǎng)連式，共埋設(shè) GPS 靜態(tài)點12個，聯(lián)測1個 D級 GPS 點，3個分布合理的三等水準點，其中1個三等水準點作為檢驗點。高程測量平面布置圖如圖1所示。

圖1 高程測量平面布置圖

此次測量的任務(wù)是按照規(guī)范[4]要求測定每處地下水自動監(jiān)測井新設(shè)基本水準點的高程，用以測定監(jiān)測井周圍地面、井臺、儀器架的高程，使所測地下水位能統(tǒng)一到1985國家高程基準系中，方便地下水水位資料的使用。同時得到各地下水監(jiān)測井的經(jīng)緯度，以準確定位。根據(jù)使用目的及精度要求，依據(jù)校核水準點位置和交通條件，按 E 級 GPS 網(wǎng)來布設(shè)平面控制網(wǎng)，已知高程點布設(shè)在控制網(wǎng)的外圍，并均勻分布，適當?shù)貥?gòu)成長邊圖形，以保證 GPS 網(wǎng)進行約束平差后坐標精度的均勻性及減少尺度比誤差影響。

3.2 GPS 測量外業(yè)準備與實施

3.2.1 外業(yè)準備

本次 GPS 外業(yè)作業(yè)準備了4臺雙頻 GPS 接收機，4臺水準儀、水準尺等測量工具，為防止工作失誤，提高工作效率，編制了 GPS 作業(yè)調(diào)度表，并編制了 GPS 衛(wèi)星可見性預(yù)報圖，選擇最佳時段（衛(wèi)星多于4顆，PDOP 值小于 6）進行觀測。

根據(jù)前期埋設(shè)水準點時的調(diào)查，各地下水監(jiān)測井均位于農(nóng)田內(nèi)，視野開闊，無遮擋 GPS 信號的障礙物，周圍也無影響 GPS 信號的微波站、信號塔、高壓線路、大面積水體等，觀測條件較好。

3.2.2 觀測工作

3.2.2.1 天線安置

1）利用水準儀和水準尺按四等水準測量標準測量，校核水準點與地下水監(jiān)測井周圍4個方向的高差、井臺、儀器架的高差，并做好數(shù)據(jù)記錄。

2）GPS 接收機架設(shè)在三角架上，安置在校核水準點上方直接對中，對中誤差不超過1mm，GPS 接收機基座上方的圓水準氣泡必須整平。

3）GPS 接收機架好后，在圓盤天線的3個方向分別量取儀器高，數(shù)值互差不超過3mm，取平均值記入觀測手簿[1]。

4）安置完成，各項設(shè)備檢查無誤后，打開 GPS 電源進行預(yù)熱，等候開機指令進行同步觀測。

3.2.2.2 觀測作業(yè)

1）開機后 GPS 接收機有關(guān)指示顯示正常后，開始工作。

2）接收機在開始記錄數(shù)據(jù)后，應(yīng)注意查看有關(guān)觀測衛(wèi)星數(shù)量等情況。

3）在出測前認真檢查電池容量是否充足，觀測過程中也要特別注意供電情況。

4）儀器高按規(guī)定始、末各量測1次，并及時計入測量手簿。

5）觀測站的全部預(yù)定作業(yè)項目，經(jīng)檢查均按規(guī)定完成，且記錄與資料完整無誤后方可遷站。

6）每日檢查儀器內(nèi)存容量，及時將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到計算機硬盤上。

3.2.2.3 技術(shù)指標

1）同時觀測有效衛(wèi)星數(shù) ≥ 4；

2）有效觀測衛(wèi)星總數(shù) ≥ 4；

3）觀測時段數(shù) ＞ 1.6；

4）時段長 ≥ 60min[1]；

5）采樣間隔 5～15s。

3.3 數(shù)據(jù)處理及平差計算

為了獲得 GPS 觀測基線向量并對觀測成果進行質(zhì)量檢核，可用不同型號 GPS 接收機隨機軟件對GPS 數(shù)據(jù)進行處理，統(tǒng)一文件格式為通用數(shù)據(jù)交換格式 RINEX，然后選用軟件進行基線解算、平差，根據(jù)基線處理結(jié)果對觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量進行分析并做出評價，以確保觀測成果和定位結(jié)果的預(yù)期精度。

3.3.1 基線處理與檢核

由軟件導(dǎo)入觀測數(shù)據(jù)后，會自動形成靜態(tài)基線，首先對觀測數(shù)據(jù)測站名點號、測站坐標、天線高等項目進行檢查。避免外業(yè)操作時的誤操作；然后設(shè)定基線結(jié)算的控制參數(shù)，實現(xiàn)基線的優(yōu)化處理?？衫密浖墓δ軐崿F(xiàn)基線的自動解算，基線解算完畢后，基線結(jié)果不能馬上用于后續(xù)的處理，還必須對基線的質(zhì)量進行 RATIO，RDOP，RMS，同步環(huán)閉和差，異步環(huán)閉和差和重復(fù)基線較差檢驗，對不合格的基線查找原因，查明后可以通過基線處理設(shè)置或編輯基線時段來重復(fù)處理，如果多次處理仍不能求得合格解，則將其剔除。如其在基線控制網(wǎng)中是必不可少的，則需重測這條基線。

3.3.2 網(wǎng)平差

網(wǎng)平差是由軟件自動完成的，分以下幾步：

1）坐標系、網(wǎng)平差設(shè)置，北京 54、二維平差、中央子午線 123、不固定（平移、旋轉(zhuǎn)、縮放）、曲面擬合。

2）已知坐標輸入，如經(jīng)緯度、平面坐標、高程，2個三等水準點，1個 D 級 GPS 點，2個三等水準點的經(jīng)緯度。

3）提取基線向量構(gòu)建 GPS 基線向量網(wǎng)、網(wǎng)圖檢查。

4）無約束平差，在各項質(zhì)量檢核符合要求后，以所有獨立基線組成閉合圖形，以三維基線向量及其相應(yīng)方差協(xié)方差陣作為觀測信息，以1點的 WGS-84系三維坐標作為起算依據(jù)，無約束平差應(yīng)提供各控制點在 WGS-84系下的三維坐標，各基線向量3個坐標差觀測值的總改正數(shù)，基線邊長及點位和邊長的精度信息。

5）二維平差、水準擬合，在無約束平差確定的有效觀測量基礎(chǔ)上，在北京54坐標系下進行二維約束平差。以2個三等水準點，1個 D 級 GPS 點作為約束點，將基線網(wǎng)中的其它點坐標轉(zhuǎn)換成北京54坐標。并輸出基線向量改正數(shù)，基線邊長，方位及坐標、邊長、方位的精度信息；轉(zhuǎn)換參數(shù)及精度信息。

6）質(zhì)量分析與控制，網(wǎng)平差結(jié)束后，對網(wǎng)平差結(jié)果進行檢驗，網(wǎng)平差的檢驗主要通過改正數(shù)、中誤差及相應(yīng)的數(shù)理統(tǒng)計檢驗結(jié)果等項來評價分析。

若作為約束的已知坐標與 GPS 網(wǎng)不兼容，應(yīng)剔除誤差大的約束值或改用其它合適的坐標。首先檢查基線向量網(wǎng)是否正確，對不合格的基線廢除或重新解算，必要時，要重新進行外業(yè)觀測。其次檢查觀測文件的觀測站點、天線高是否正確，出現(xiàn)這種情況的時候，往往閉合差或自由網(wǎng)的結(jié)果非常差。

由測量結(jié)果分析，雖存在部分相鄰點間平均距離超限，但各點水平分量和垂直分量中誤差滿足規(guī)范中 E 級網(wǎng)的要求，說明測量成果滿足規(guī)范的質(zhì)量要求。許昌測區(qū)平差成果表如表1所示。西黃莊站實際高程 為 66.524m，GPS 測量高程為 66.500，絕對誤差為 0.024m，根據(jù) GPS 測量成果，西黃莊站至許昌站和西黃莊站至新鄭站直線距離分別為 12.15和 34.14km，依據(jù)《國家三、四等水準測量規(guī)范》[2]，四等水準測量最小允許閉合差分別為70mm，因此可判定采用 GPS 靜態(tài)測量方法進行高程測量是滿足相關(guān)規(guī)范要求的[3]。

表1 許昌測區(qū)平差成果表

4 結(jié)語

利用 GPS 靜態(tài)測量來替代四等或等外水準測量，具有效率高，節(jié)省人力、物力、財力的特點，在外業(yè)觀測條件良好，已知高程點分布合理的情況下，GPS 靜態(tài)測量所測高程可達到《國家三、四等水準測量規(guī)范》中四等水準測量的要求[5]，特別是在高程異常變化較為平緩的地區(qū)（如平原地區(qū)），擬合準確度更高。

因此應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的標準和規(guī)范，結(jié)合測區(qū)具體情況，在滿足測量精度的前提下，充分發(fā)揮 GPS 靜態(tài)測量的特點，提高高程控制測量的工作效率。

[1] 國家測繪局測繪標準化研究所，國家測繪局第一大地測量隊，國家基礎(chǔ)地理信息中心.GB/T18314-2009全球定位系統(tǒng) （GPS）測量規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，2009: 2-9.

[2] 國家測繪局測繪標準化研究所.GB/T 12898-2009國家三、四等水準測量規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，2005: 4-15.

[3] 水利部水文司.SL58-1993水文普通測量規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，1993: 1-11.

[4] 水利部水文司.SL183-2005地下水監(jiān)測規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2005: 10-11.

[5] 江蘇省測繪工程院，江蘇省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站.DB32/T 1223-2008GPS 高程測量規(guī)范[S].南京：江蘇省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2008: 2-4.

[6] 邱致和，王萬義.GPS 原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002: 2-12.