GPS控制網(wǎng)基線解算優(yōu)化方法探討＊

張海港，張國梁

（陽泉新宇巖土工程有限責(zé)任公司，山西 陽泉045008）

0 引 言

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

1 觀測數(shù)據(jù)及基線解算質(zhì)量評定要素

GPS作業(yè)在實際作業(yè)過程中，一般當(dāng)天采集的數(shù)據(jù)要及時進行基線處理，以發(fā)現(xiàn)采集的數(shù)據(jù)中有沒有粗差，對觀測數(shù)據(jù)做質(zhì)量分析評估。依據(jù)規(guī)范要求通常從以下四個方面對GPS控制網(wǎng)整體質(zhì)量進行評價:

1）數(shù)據(jù)剔除率［2］

它直接反映了外業(yè)實際觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，規(guī)范中規(guī)定，計算同一時段觀測值的數(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)和若干個獨立觀測基線構(gòu)成的異步環(huán)，其相應(yīng)的坐標(biāo)分量閉合差、環(huán)全長閉合差及相對閉合差理論上應(yīng)等于0，但實際上由于受觀測條件、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)滿足相應(yīng)等級測量精度的要求。

3）重復(fù)基線是否超限

同一條基線任意兩個時段進行重復(fù)觀測的互差，應(yīng)小于接收機標(biāo)稱精度的2倍。

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

4）其他手段的檢查測量

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其邊長等進行檢查，其較差應(yīng)符合相應(yīng)的標(biāo)稱精度，一般應(yīng)滿足公式

2 優(yōu)化基線解算精度技術(shù)方法［2］

影響GPS觀測數(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、對流層及電離層影響、多路徑誤差、無線電干擾、不明因素影響及起算點誤差過大等都會影響基線解算，多數(shù)隨機軟件都會使用默認(rèn)的參數(shù)進行解算，用戶查看基線解算報告，并對基線質(zhì)量進行分析，當(dāng)有不理想基線存在時，應(yīng)當(dāng)對其進行優(yōu)化，優(yōu)化的過程其實就是用戶手工干預(yù)解算的過程，主要通過以下幾種方法達到提高基線精度的目的。

1）提高起算點坐標(biāo)精度

基線解算時軟件必須固定一個點的 WGS－84作為起算坐標(biāo)，該固定點的選取非常重要，因為該起算點的坐標(biāo)精度將會對基線解算結(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)確定位一個點的 WGS－84坐標(biāo)還有一定的困難，可以采取測區(qū)內(nèi)觀測時間較長的點，或者以前有觀測數(shù)據(jù)的點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，要提高固定點的精度，通?？捎靡韵路椒?選擇測區(qū)中心部位的某點獨立觀測兩次或者多次，每次觀測時間較長的點位，取其平均值作為全網(wǎng)基線解算的起算點，以提高基線解算的精度。

2）刪除或優(yōu)化衛(wèi)星組合

GPS接收機往往不可能一直保持對同一顆衛(wèi)星的同步觀測，個別或少數(shù)衛(wèi)星觀測時間太短導(dǎo)致失鎖，且接收到的每個衛(wèi)星的星歷信息時間長短不一，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，有必要對所接收衛(wèi)星進行篩選，篩選要考慮圖形強度因子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)星時可以采取先屏蔽一些可能失鎖的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，進行解算查看相關(guān)指標(biāo)，不要輕易刪除某顆衛(wèi)星，因為去掉某一顆衛(wèi)星就意味著衛(wèi)星的方位及GDOP值將發(fā)生變化。具體可以通過觀察衛(wèi)星相位跟蹤圖，能直觀地看到觀測到的各顆衛(wèi)星的出、沒時間。經(jīng)驗表明:在不出現(xiàn)周跳的情況下不少于規(guī)范規(guī)定的觀測時間是必須的，當(dāng)基線無固定解時，在基線報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其觀測時間，對短基線來說觀測時間過長，衛(wèi)星時鐘差引起的模糊度求解誤差就大，所有進行衛(wèi)星刪除優(yōu)化時要綜合考慮某顆衛(wèi)星對網(wǎng)內(nèi)其它基線的影響。

3）調(diào)整衛(wèi)星截止高度角等控制參數(shù)

主要是通過調(diào)整衛(wèi)星截止高度角和采樣間隔歷元數(shù)等手段來提高基線解算質(zhì)量。在基線解算時，當(dāng)觀測到的GPS衛(wèi)星數(shù)目足夠多時，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。而實際上，增大高度角雖可提高相位觀測值的精度，但會使衛(wèi)星圖形強度變?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，但此時對流層誤差的影響特別嚴(yán)重，也會得不償失。因此，衛(wèi)星截止高度角以15°為好；對于同步觀測時間短的基線，可適當(dāng)增加歷元間隔，讓更多的觀測數(shù)據(jù)參加解算，既考慮到觀測的時間長短又要顧及到歷元間隔（采樣率），通常靜態(tài)觀測的采樣率以s為宜；另外還可以通過改變對流層修正模型、電離層改正模型的方法來優(yōu)化基線解算方法。

4）截取觀測時段

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

3 結(jié) 論

1）高質(zhì)量基線解算的前提是必須保證野外作業(yè)的觀測時間和數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量。如果觀測條件較好，隨機商用處理軟件對基線按默認(rèn)設(shè)置自動解算，精度質(zhì)量基本合格。

2）對于不合格基線的人工處理是一個各種手段相互結(jié)合反復(fù)的過程，應(yīng)根據(jù)外業(yè)觀測數(shù)據(jù)和內(nèi)業(yè)基線解算的實際情況，通過衛(wèi)星殘差圖等分析進行有效解決。

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基線解算經(jīng)驗點滴［J］．測繪通報，1997（1）:18－20．