GPS控制網(wǎng)基線(xiàn)解算優(yōu)化方法探討＊

張海港，張國(guó)梁

（陽(yáng)泉新宇巖土工程有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉045008）

0 引 言

隨著靜態(tài)GPS定位測(cè)量技術(shù)在控制測(cè)量、工程測(cè)量及礦山測(cè)量的不斷普及，如何建立一個(gè)高精度的GPS控制網(wǎng)成為工程建設(shè)中的一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，從GPS控制網(wǎng)的點(diǎn)位選埋，網(wǎng)形優(yōu)化、外業(yè)觀測(cè)及內(nèi)業(yè)解算每個(gè)過(guò)程都會(huì)影響GPS最終的成果質(zhì)量，其中基線(xiàn)結(jié)算處理是所有程序中占用時(shí)間最長(zhǎng)、工作量最大的［1］。根據(jù)多年來(lái)GPS控制測(cè)量作業(yè)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)探討GPS控制測(cè)量數(shù)據(jù)后處理過(guò)程中基線(xiàn)網(wǎng)解算的優(yōu)化方法，為同行提供一些有益的經(jīng)驗(yàn)。

1 觀測(cè)數(shù)據(jù)及基線(xiàn)解算質(zhì)量評(píng)定要素

GPS作業(yè)在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，一般當(dāng)天采集的數(shù)據(jù)要及時(shí)進(jìn)行基線(xiàn)處理，以發(fā)現(xiàn)采集的數(shù)據(jù)中有沒(méi)有粗差，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)做質(zhì)量分析評(píng)估。依據(jù)規(guī)范要求通常從以下四個(gè)方面對(duì)GPS控制網(wǎng)整體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià):

1）數(shù)據(jù)剔除率［2］

它直接反映了外業(yè)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，規(guī)范中規(guī)定，計(jì)算同一時(shí)段觀測(cè)值的數(shù)據(jù)剔除率應(yīng)小于10%。

2）閉合環(huán)的情況［3］

閉合環(huán)包括同步環(huán)和若干個(gè)獨(dú)立觀測(cè)基線(xiàn)構(gòu)成的異步環(huán)，其相應(yīng)的坐標(biāo)分量閉合差、環(huán)全長(zhǎng)閉合差及相對(duì)閉合差理論上應(yīng)等于0，但實(shí)際上由于受觀測(cè)條件、數(shù)據(jù)質(zhì)量、軟件不完善等影響，常導(dǎo)致閉合差不等于0，其大小應(yīng)滿(mǎn)足相應(yīng)等級(jí)測(cè)量精度的要求。

3）重復(fù)基線(xiàn)是否超限

同一條基線(xiàn)任意兩個(gè)時(shí)段進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)的互差，應(yīng)小于接收機(jī)標(biāo)稱(chēng)精度的2倍。

式中:a為固定誤差，單位mm；b為比誤差系數(shù)；d為相鄰點(diǎn)間距，單位km。

4）其他手段的檢查測(cè)量

精度要求高GPS控制網(wǎng)，為更好的檢查其精度情況，需要輔助全站儀等手段對(duì)其邊長(zhǎng)等進(jìn)行檢查，其較差應(yīng)符合相應(yīng)的標(biāo)稱(chēng)精度，一般應(yīng)滿(mǎn)足公式

2 優(yōu)化基線(xiàn)解算精度技術(shù)方法［2］

影響GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素較多也較為復(fù)雜，如衛(wèi)星的周跳、星歷誤差、對(duì)流層及電離層影響、多路徑誤差、無(wú)線(xiàn)電干擾、不明因素影響及起算點(diǎn)誤差過(guò)大等都會(huì)影響基線(xiàn)解算，多數(shù)隨機(jī)軟件都會(huì)使用默認(rèn)的參數(shù)進(jìn)行解算，用戶(hù)查看基線(xiàn)解算報(bào)告，并對(duì)基線(xiàn)質(zhì)量進(jìn)行分析，當(dāng)有不理想基線(xiàn)存在時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的過(guò)程其實(shí)就是用戶(hù)手工干預(yù)解算的過(guò)程，主要通過(guò)以下幾種方法達(dá)到提高基線(xiàn)精度的目的。

1）提高起算點(diǎn)坐標(biāo)精度

基線(xiàn)解算時(shí)軟件必須固定一個(gè)點(diǎn)的 WGS－84作為起算坐標(biāo)，該固定點(diǎn)的選取非常重要，因?yàn)樵撈鹚泓c(diǎn)的坐標(biāo)精度將會(huì)對(duì)基線(xiàn)解算結(jié)果的精度產(chǎn)生影響。根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)備和技術(shù)水平，要準(zhǔn)確定位一個(gè)點(diǎn)的 WGS－84坐標(biāo)還有一定的困難，可以采取測(cè)區(qū)內(nèi)觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)的點(diǎn)，或者以前有觀測(cè)數(shù)據(jù)的點(diǎn)的平均值作為起算數(shù)據(jù)，因此，在尚未精確地獲得地方坐標(biāo)系與 WGS－84系的轉(zhuǎn)換參數(shù)的條件下，要提高固定點(diǎn)的精度，通?？捎靡韵路椒?選擇測(cè)區(qū)中心部位的某點(diǎn)獨(dú)立觀測(cè)兩次或者多次，每次觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)的點(diǎn)位，取其平均值作為全網(wǎng)基線(xiàn)解算的起算點(diǎn)，以提高基線(xiàn)解算的精度。

2）刪除或優(yōu)化衛(wèi)星組合

GPS接收機(jī)往往不可能一直保持對(duì)同一顆衛(wèi)星的同步觀測(cè)，個(gè)別或少數(shù)衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)間太短導(dǎo)致失鎖，且接收到的每個(gè)衛(wèi)星的星歷信息時(shí)間長(zhǎng)短不一，但是軟件默認(rèn)的解算是把衛(wèi)星的所有接收數(shù)據(jù)參加解算，這樣解算造成部分衛(wèi)星的整周模糊度難以準(zhǔn)確確定，解算精度較低，為此，有必要對(duì)所接收衛(wèi)星進(jìn)行篩選，篩選要考慮圖形強(qiáng)度因子GDOP值的變化，ratio值的大小以及參考方差因子的大小等一些參數(shù)，在篩選衛(wèi)星時(shí)可以采取先屏蔽一些可能失鎖的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，進(jìn)行解算查看相關(guān)指標(biāo)，不要輕易刪除某顆衛(wèi)星，因?yàn)槿サ裟骋活w衛(wèi)星就意味著衛(wèi)星的方位及GDOP值將發(fā)生變化。具體可以通過(guò)觀察衛(wèi)星相位跟蹤圖，能直觀地看到觀測(cè)到的各顆衛(wèi)星的出、沒(méi)時(shí)間。經(jīng)驗(yàn)表明:在不出現(xiàn)周跳的情況下不少于規(guī)范規(guī)定的觀測(cè)時(shí)間是必須的，當(dāng)基線(xiàn)無(wú)固定解時(shí)，在基線(xiàn)報(bào)告中可以看到各顆衛(wèi)星的整周模糊度及其誤差也需要延長(zhǎng)其觀測(cè)時(shí)間，對(duì)短基線(xiàn)來(lái)說(shuō)觀測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，衛(wèi)星時(shí)鐘差引起的模糊度求解誤差就大，所有進(jìn)行衛(wèi)星刪除優(yōu)化時(shí)要綜合考慮某顆衛(wèi)星對(duì)網(wǎng)內(nèi)其它基線(xiàn)的影響。

3）調(diào)整衛(wèi)星截止高度角等控制參數(shù)

主要是通過(guò)調(diào)整衛(wèi)星截止高度角和采樣間隔歷元數(shù)等手段來(lái)提高基線(xiàn)解算質(zhì)量。在基線(xiàn)解算時(shí)，當(dāng)觀測(cè)到的GPS衛(wèi)星數(shù)目足夠多時(shí)，可適當(dāng)調(diào)高衛(wèi)星截止高度角；反之，可適當(dāng)降低高度角，讓更多的衛(wèi)星數(shù)據(jù)參與解算，似乎有一定的益處。而實(shí)際上，增大高度角雖可提高相位觀測(cè)值的精度，但會(huì)使衛(wèi)星圖形強(qiáng)度變?nèi)?，影響到坐?biāo)精度，因此，調(diào)高高度角是徒勞的；降低高度角，可能有更小的中誤差值，但此時(shí)對(duì)流層誤差的影響特別嚴(yán)重，也會(huì)得不償失。因此，衛(wèi)星截止高度角以15°為好；對(duì)于同步觀測(cè)時(shí)間短的基線(xiàn)，可適當(dāng)增加歷元間隔，讓更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)參加解算，既考慮到觀測(cè)的時(shí)間長(zhǎng)短又要顧及到歷元間隔（采樣率），通常靜態(tài)觀測(cè)的采樣率以s為宜；另外還可以通過(guò)改變對(duì)流層修正模型、電離層改正模型的方法來(lái)優(yōu)化基線(xiàn)解算方法。

4）截取觀測(cè)時(shí)段

由于觀測(cè)的時(shí)間大小及天空衛(wèi)星分布的原因，有時(shí)候通過(guò)衛(wèi)星刪除或者優(yōu)化選擇仍然難以達(dá)到高精度解算基線(xiàn)的條件，需要對(duì)保留衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行有選擇的截取。在基線(xiàn)自動(dòng)處理結(jié)果中通過(guò)查看基線(xiàn)的ratio值偏小的那些基線(xiàn)和查看其衛(wèi)星殘差圖，使用軟件提供的工具對(duì)某些信號(hào)頻繁中斷的時(shí)段對(duì)某顆衛(wèi)星或者多顆衛(wèi)星進(jìn)行截取，不讓其參加基線(xiàn)解算，但是截取要確保有效的觀測(cè)時(shí)段不少于15min以上，所以在進(jìn)行外業(yè)觀測(cè)特別是長(zhǎng)基線(xiàn)觀測(cè)的時(shí)候要增大觀測(cè)時(shí)間，保證內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)有足夠的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行高質(zhì)量解算基線(xiàn)。經(jīng)驗(yàn)證明:外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)可以對(duì)GPS接收機(jī)進(jìn)行提前預(yù)熱、增加觀測(cè)時(shí)間、避免大面積水體等導(dǎo)致多路徑效應(yīng)發(fā)生以及避開(kāi)中午11:30－13．30時(shí)段作業(yè)等手段，以確保觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度。

3 結(jié) 論

1）高質(zhì)量基線(xiàn)解算的前提是必須保證野外作業(yè)的觀測(cè)時(shí)間和數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量。如果觀測(cè)條件較好，隨機(jī)商用處理軟件對(duì)基線(xiàn)按默認(rèn)設(shè)置自動(dòng)解算，精度質(zhì)量基本合格。

2）對(duì)于不合格基線(xiàn)的人工處理是一個(gè)各種手段相互結(jié)合反復(fù)的過(guò)程，應(yīng)根據(jù)外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)和內(nèi)業(yè)基線(xiàn)解算的實(shí)際情況，通過(guò)衛(wèi)星殘差圖等分析進(jìn)行有效解決。

3）合理使用優(yōu)化方法，能縮短內(nèi)業(yè)處理數(shù)據(jù)的時(shí)間，提高GPS控制網(wǎng)的平差精度，避免返工現(xiàn)象的發(fā)生。

［1］ 張 權(quán)，李家權(quán)．GPS測(cè)量原理及應(yīng)用［M］．北京，科學(xué)出版社，2005．

［2］ 李征航，黃勁松．GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理［M］．武昌:武漢大學(xué)出版社，2005

［3］ 楊建軍．GPS基線(xiàn)解算經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)滴［J］．測(cè)繪通報(bào)，1997（1）:18－20．