基于GPS的控制測量技術研究

摘 要：本文結合天津某市資源勘查項目，以基于GPS的控制測量技術為研究對象，論文首先分析了GPS控制測量的技術流程，進而探討了控制測量的布網(wǎng)方案，最后給出了數(shù)據(jù)處理中基線向量解算方案。

關鍵詞：GPS 控制測量 基線向量

中圖分類號：P2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（c）-0040-02

1 GPS控制測量技術概述

GPS控制測量工作與經(jīng)典大地測量工作相類似，按其性質可分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩大部分。其中：外業(yè)工作主要包括選點（即觀測站址的選擇）、建立觀測標志、野外觀測作業(yè)以及成果質量檢核等；內(nèi)業(yè)工作主要包括GPS測量的技術設計、測后數(shù)據(jù)處理以及技術總結等。如果按照GPS測量實施的工作程序，則大體可分為這樣幾個階段：技術設計；選點與建立標志；外業(yè)觀測；成果檢核與處理。作業(yè)方法：采用兩臺（或兩臺以上）接收機，分別安置在一條（或數(shù)條）基線的端點，根據(jù)基線長度和要求的精度，按GPS測量系統(tǒng)外業(yè)的要求同步觀測四顆以上的衛(wèi)星數(shù)時段，時段長度根據(jù)測量等級確定。定位精度：基線測量的精度可達±（5 mm+1 ppm×D），D為基線長度，以公里計。作業(yè)要求：采取這種作業(yè)模式所觀測的獨立基線邊，應構成閉合圖形（如：三角形、多邊形），以利于觀測成果的檢核，增強網(wǎng)的強度，提高成果的可靠性和精確性。適用范圍：建立國家大地控制網(wǎng)（二等或二等以下）；建立精密工程控制網(wǎng)，如橋梁測量、隧道測量等；建立各種加密控制網(wǎng)，如城市測量、工程點測量、道路測量、勘界測量等；觀測中至少跟蹤四顆衛(wèi)星，同時基線邊一般不要超過15 km；注意事項：所有已觀測基線應組成一系列封閉圖形，已利于外業(yè)檢核，提高成果可靠度。

GPS測量是一項技術復雜、要求嚴格、耗費較大的工作，對這項工作總的原則是，在滿足用戶要求的情況下，盡可能地減少經(jīng)費、時間、和人力的消耗。因此，對其各階段的工作都要精心設計和實施。

GPS測量的工作程序見圖1。

2 工程概述

我單位2010年承擔了天津某市資源普查項目中的基礎控制測量、1：10000地形圖的測繪及本區(qū)的工程測量任務。工作量為D級控制點8個；工程點測量86個。工作區(qū)地勢總體呈現(xiàn)南高北低、東高西低。標高850～1200 m左右，最大相對高差350 m。中部地區(qū)為高力罕河形成的平原，由南向北傾斜。標高850～910 m，相對高差僅70～80 m，坡降2.5‰～3.0‰，地勢較平坦。

3 控制測量布網(wǎng)方案

3.1 平面與高程控制

測區(qū)首級平面控制采用D級GPS網(wǎng)，選用線形鎖形式布設。使用儀器為南方9600單頻GPS接收機?？刂凭W(wǎng)布設時力求圖形幾何結構強，有良好的自檢能力和約束力。平面與高程控制均采用國家二等以上三角點作為起算點，聯(lián)測點個數(shù)不少于3個。

3.2 選點

由于GPS測量觀測站之間不一定要求相互通視，而且網(wǎng)的圖形結構也比較靈活，所以選點工作比常規(guī)控制測量的選點簡便。但由于點位的選擇對于保證觀測工作的順利進行并保證測量結果的可靠性有著重要的意義，所以在選點工作開始前，除收集和了解有關測區(qū)的地理情況和原有測量控制點分布及標架、標型、標石完好情況，決定其適宜的點位外，選點工作還應遵守以下原則。

（1）點位應設在易于安裝接收設備、視野開闊的較高點上。（2）點位目標要顯著，視場周圍15以上不應有障礙物，以減小GPS信號被遮擋或被障礙物吸收。（3）點位應遠離大功率無線電發(fā)射源，其距離不小于200 m；遠離高壓輸電線和微波無線電信號傳送綬道，其距離不得小于50 m，以避免電磁場對GPS信號的干擾。（4）點位附近不應有大面積水域或不應有強烈干擾衛(wèi)星信號接收的物體，以減弱多路徑效應的影響（5）點位交通方便有利于其他手段擴展與聯(lián)測的地方。（6）地面基礎穩(wěn)定，易于點的保存。（7）當所選點位需要進行水準聯(lián)測時，選點人員應實地踏勘水準路線。

根據(jù)以上原則選擇了包括測區(qū)且分布較均勻的7個GPS點，之后埋設具有中心標志的標石，以精確標志點位，點的標石和標志必須穩(wěn)定、堅固以利長久保存和利用。

3.3 觀測

觀測作業(yè)的主要目的是捕獲GPS衛(wèi)星信號，并對其進行跟蹤、處理和量測，以獲得所需要的定位信息和觀測數(shù)據(jù)。

由于本次測量有GPS接收機與天線是一體的，所以接收機在點位上對中整平后便可開機觀測。接收機鎖定衛(wèi)星并開始記錄數(shù)據(jù)后，觀測員可按照儀器隨機提供的操作手冊進行輸人和查詢操作，在未掌握有關操作系統(tǒng)之前，不要隨意按鍵和輸人，一般在正常接收過程中禁止更改任何設置參數(shù)。

本次工作中，要求儀器操作人員應注意以下事項。

（1）當確認外接電源電纜及天線等各項連接完全無誤后，方可接通電源，啟動接收機。（2）開機后接收機有關指示顯示正常并通過自檢后，方能輸人有關測站和時段控制信息。（3）接收機在開始記錄數(shù)據(jù)后，應注意查看有關觀測衛(wèi)星數(shù)量、衛(wèi)星號、相位測量殘差、實時定位結果及其變化、存儲介質記錄等情況。（4）一個時段觀測過程中，不允許進行以下操作：關閉又重新啟動；進行自測試（發(fā)現(xiàn)故障除外）；改變衛(wèi)星高度角；改變天線位置；改變數(shù)據(jù)采樣間隔；按動關閉文件和刪除文件等功能鍵。（5）每一觀測時段中，氣象元素一般應在始、中、末各觀測記錄一次，當時段較長時可適當增加觀測次數(shù)。（6）在觀測過程中要特別注意供電情況，除在出測前認真檢查電地容量是否充足外，作業(yè)中觀測人員不要遠離接收機，聽到儀器的低電壓報警要及時予以處理，否則可能會造成儀器內(nèi)部數(shù)據(jù)的破壞或丟失。（7）儀器高一定要按規(guī)定始、末各量測一次，并及時輸人儀器及記人測量手簿之中。（8）接收機在觀測過程中不要靠近接收機使用對講機；雷雨季節(jié)架設天線要防止雷擊，雷雨過境時應關機停測，并卸下天線。（9）觀測站的全部預定作業(yè)項目，經(jīng)檢查均已按規(guī)定完成，見記錄與資料完整無誤后方可遷站。（10）觀測過程中要隨時查看儀器內(nèi)存或硬盤容量，每日觀測結束后，應及時將數(shù)據(jù)轉存至計算機硬、軟盤上，確保觀測數(shù)據(jù)不丟失。

3.4 觀測記錄

外業(yè)觀測中存儲介質上的數(shù)據(jù)文件應及時拷貝一式兩份，分別保存在專人保管的防水、防靜電的資料箱內(nèi)。存儲介質的外面，適當處應貼制標簽，注明文件名、網(wǎng)區(qū)名、點名、時段名、采集日期、測量手簿編號等。

接收機內(nèi)存數(shù)據(jù)文件在轉錄到外存介質上時，不得進行任何剔除或刪改，不得凋用任何對數(shù)據(jù)實施重新加工組合的操作指令。本次測量使用的儀器為南方9600單頻GPS靜態(tài)接收機一套（三臺），標稱精度5 mm+1 ppm。作業(yè)模式為經(jīng)典靜態(tài)定位。具體要求如下。

（1）衛(wèi)星截止高度角為15°。（2）有效觀測衛(wèi)星個數(shù)必須超過4個。（3）采樣間隔為5 s。（4）時段長度必須大于45 min。（5）幾何精度因子（PDOP）必須小于10，（實際觀測數(shù)為PDOP≤4）。（6）儀器天線高從三個方位量測三次取平均值。

其觀測網(wǎng)型見圖2。其中GPS1、2、3、4、5、6、7是覆蓋測區(qū)的GPS點，AMDL、DYTL、GLDB、DLAB、KLQQ分別是國家二等三角點。利用GLHH四等點檢核數(shù)據(jù)。

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 基線向量的解算

基線向量的解算是一個復雜的平差計算過程。解算時要顧及觀測時段中信號間斷引起的數(shù)據(jù)剔除、觀測數(shù)據(jù)粗差的發(fā)現(xiàn)及剔除、星座變化引起的整周未知參數(shù)的增加等問題。

基線處理完成后應對其結果作以下分析和檢核。

（1）觀測值殘差分析。平差處理時假定觀測值僅存在偶然誤差。理論上，載波相位觀測精度為l%周，即對L1波段信號觀測誤差只有2 mm。因而當偶然誤差達1 cm時，應認為觀測值質量存在系統(tǒng)誤差或粗差。當殘差分布中出現(xiàn)突然的跳變時，表明周跳未處理成功。（2）基線長度的精度。處理后基線長度中誤差應在標稱精度值內(nèi)。本次使用的單頻接收機的基線長度標稱精度為5±1 ppm·D（km），對于20 km以內(nèi)的短基線，單頻數(shù)據(jù)通過差分處理可有效地消除電離層影響，從而確保相對定位結果的精度。（3）基線向量環(huán)閉合差的計算及檢核。由同時段的若干基線向量組成的同步環(huán)和不同時段的若干基線向量組成的異步環(huán)，其閉合差應能滿足相應等級的精度要求。其閉合差值應小于相應等級的限差值。基線向量檢核合格后，便可進行基線向量網(wǎng)的平差計算（以解算的基線向量作為觀測值進行無約束平差），平差后求得各GPS之間的相對坐標差值，加上基準點的坐標值，求得各GPS點的坐標。實際應用中，往往要求得各GPS點在國家坐標系中的坐標值。為此；還需要進行坐標轉換，將GPS點的坐標值轉換為國家坐標系坐標值。也可以將GPS網(wǎng)與地面網(wǎng)進行聯(lián)合平差，包括固定地面網(wǎng)點已知坐標、邊長、方位角、高程等的約束平差，坐標轉換，或將GPS基線網(wǎng)與地面網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)一并聯(lián)合平差。

4.2 外業(yè)數(shù)據(jù)檢核

基線向量解算完成后，要對野外觀測資料首先進行復查，內(nèi)容包括：成果是否符合規(guī)范和設計的要求；進行的觀測數(shù)據(jù)質量分析是否符合實際；然后進行下列項目的檢核。

（1）同步觀測邊的檢核：數(shù)據(jù)剔除率，剔除的觀測值個數(shù)與應獲取的觀測個數(shù)的比值稱為數(shù)據(jù)剔除率。同一時段觀測值的數(shù)據(jù)剔除率，其值小于10%

（2）重復觀測邊的檢核：同一條基線邊若觀測了多個時段時，則可得到多個邊長結果。這種具有多個獨立觀測結果的邊就是重復觀測邊。對于重復觀測邊的任意兩個時段的成果互差，均滿足規(guī)范的要求。

（3）同步觀測環(huán)檢核：當環(huán)中各邊為多臺接收機同步觀測時，由于各邊是不獨立的，所以其閉合差應恒為零。但由于模型誤差和處理軟件的內(nèi)在缺陷，使得同步環(huán)的閉合差實際上仍可能不零，一般會存在很小的閉合差值，所以可把它作為成果質量的一種檢核標準。同步環(huán)中第三邊處理結果與前兩邊的代數(shù)和之差應小于下式：

（4）異步觀測環(huán)檢核：在整個GPS網(wǎng)中選取一組完全獨立的基線構成獨立環(huán)，各獨立環(huán)的坐標分量閉合差和全長閉合差應符合下式：

式中：n為閉合環(huán)邊數(shù)；σ為相應級別規(guī)定的精度。

本次控制測量的內(nèi)業(yè)處理軟件采用南方公司提供的隨機軟件《GPS數(shù)據(jù)處理軟件》，解算后對外業(yè)成果質量進行檢核。

閉合環(huán)最大節(jié)點數(shù)：3；閉合環(huán)總數(shù)：65；同步環(huán)總數(shù)：14；異步環(huán)總數(shù)：51。

根據(jù)同步觀測邊檢核，其閉合差最大值為Wx=2.861 mm；

Wy=-3.736 mm；Wz=-2.149 mm；Ws=3.582 mm。

根據(jù)異步觀測邊檢核，其閉合差最大值為Wx=-12.195 mm；Wy=-5.665 mm；Ws=16.601 mm。最弱邊相對中誤差最差為1∶425681。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可得：均滿足規(guī)范要求，成果可靠，滿足本次勘探工程測量的需要。

5 結論

應用靜態(tài)GPS進行平面控制測量，只要按規(guī)范及GPS操作規(guī)程使用，并用先進的隨機處理軟件進行解算，其成果完全能滿足資源勘查控制測量的要求。

參考文獻

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