GPS測量質(zhì)量控制措施及分析

【摘 要】本文基于作者多年相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合工程實(shí)例對影響GPS測量質(zhì)量的因素做了簡要分析，并就改善GPS測量方法，提高GPS測量精度方面提出了一些措施。

【關(guān)鍵詞】GPS網(wǎng)；城市測量；質(zhì)量控制

影響GPS網(wǎng)質(zhì)量的因素包括，觀測值的質(zhì)量、GPS基線的質(zhì)量、常規(guī)觀測值的質(zhì)量、起算數(shù)據(jù)的質(zhì)量、網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、以及網(wǎng)平差處理的方法。通常觀測值的質(zhì)量取決于觀測及數(shù)據(jù)處理，起算數(shù)據(jù)的質(zhì)量則取決于設(shè)計及項(xiàng)目的客觀條件，而網(wǎng)的結(jié)構(gòu)取決于設(shè)計，網(wǎng)平差處理的方法取決于數(shù)據(jù)處理。下面我將結(jié)合自己參與的新疆烏魯木齊國際機(jī)場飛行區(qū)道面測量案例分析一下GPS測量質(zhì)量控制措施。

一、測量工程實(shí)例概況

測區(qū)位于烏魯木齊市北郊，地窩堡國際機(jī)場內(nèi)。地理位置為：東經(jīng) 87°27′05″～87°30′05″；北緯 43°53′58″～43°54′46″測區(qū)行政隸屬于新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市。本次工程測任務(wù)主要是對現(xiàn)跑道、聯(lián)絡(luò)道、防吹坪、與聯(lián)絡(luò)道相接處平行滑行道的道面及道肩分塊尺寸、角點(diǎn)高程和道肩邊線外20m范圍內(nèi)的土面表面高程進(jìn)行測量。由于機(jī)場安保原因，出入限制條件非常嚴(yán)格，人員素質(zhì)要求較高，為保證本工程安全，外業(yè)工作只限于我公司專業(yè)人員參加。由于每天作業(yè)時間只有3小時左右，人員不能大量進(jìn)入現(xiàn)場，導(dǎo)致工期時間較長?？傮w作業(yè)環(huán)境完全不同于通常的工程測量。

二、GPS網(wǎng)圖形設(shè)計

GPS網(wǎng)圖形設(shè)計的目的是改善GPS網(wǎng)的精度、增強(qiáng)其可靠性并提高其效率。GPS網(wǎng)結(jié)構(gòu)和形狀連接方式的選擇則取決于GPS測量工程的精度需求、外業(yè)觀測條件以及GPS接收機(jī)數(shù)量等因素。GPS網(wǎng)圖形設(shè)計的內(nèi)容包括同步觀測圖形、重復(fù)觀測次數(shù)、觀測參數(shù)設(shè)置、觀測時長要求等[1]。有兩點(diǎn)非常重要，一是是GPS網(wǎng)的圖形強(qiáng)度（可靠性）與基線向量的數(shù)量和分布有關(guān)，二是GPS點(diǎn)的精度和可靠性和與其相連的基線向量數(shù)密切相關(guān)，相連的基線向量數(shù)越多，精度和可靠性越高。

工程實(shí)測中，為保證測量質(zhì)量，GPS網(wǎng)中不應(yīng)存在自由基線，網(wǎng)中的閉合條件中基線數(shù)不可過多，每個點(diǎn)至少要獨(dú)立設(shè)站觀測兩次，且至少應(yīng)與地面網(wǎng)有2個重合點(diǎn)。圖形設(shè)計中需要注意的是，各級GPS網(wǎng)中最簡獨(dú)立閉合環(huán)或附和導(dǎo)線的邊數(shù)必須滿足有關(guān)要求。當(dāng)控制網(wǎng)的范圍較大時，可采用分級布設(shè)的方法，即首先布設(shè)點(diǎn)數(shù)較少但等級較高的框架網(wǎng)，然后再部分項(xiàng)目所要求等級的全面網(wǎng)。網(wǎng)中距離較近的點(diǎn)間要進(jìn)行直接觀測（短邊必測）。

三、GPS測量數(shù)據(jù)

GPS控制網(wǎng)外業(yè)觀測時，作業(yè)人員應(yīng)按靜態(tài)觀測基本作業(yè)技術(shù)要求來執(zhí)行[2]。天線對中誤差不應(yīng)大于3毫米，基座圓水準(zhǔn)氣泡必須居中，觀測前后在天線互為120°方向上量取天線斜高，互差應(yīng)小于5毫米。開機(jī)后把測站相關(guān)信息輸入GPS接收機(jī)并做外業(yè)觀測記錄。

在基線解算階段，若所設(shè)定的起點(diǎn)坐標(biāo)不準(zhǔn)確，將導(dǎo)致基線向量發(fā)生偏差。對于基線解算來講，參與計算的衛(wèi)星，如果與其相關(guān)的整周未知數(shù)沒有準(zhǔn)確確定的話，就將嚴(yán)重影響整個基線解算結(jié)果的質(zhì)量。在觀測時段內(nèi)，通常多路徑效應(yīng)比較嚴(yán)重，隨多路徑效應(yīng)的嚴(yán)重程度，對基線質(zhì)量的影響將有所不同。多路徑效應(yīng)對基線向量的水平方向影響較大。此外，對流層折射影響或電離層折射、衛(wèi)星軌道誤差較大以及地球潮汐、地球自轉(zhuǎn)等數(shù)學(xué)模型問題也會影響基線的質(zhì)量。

應(yīng)對基線起點(diǎn)坐標(biāo)不準(zhǔn)確，通常要使用坐標(biāo)精度高的點(diǎn)作為起算點(diǎn)，所有基線應(yīng)從一點(diǎn)或由該點(diǎn)衍生出的點(diǎn)起算。

四、GPS網(wǎng)平差的質(zhì)量控制

在基線向量檢核符合要求后，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，以一個點(diǎn)的wgs-84系下三維坐標(biāo)作為起算依據(jù)，進(jìn)行GPS控制網(wǎng)三維無約束平差。三維無約束平差報表須提供各點(diǎn)在wgs-84系下的三維坐標(biāo)、各基線向量及其改正數(shù)和其精度信息。若某基線分量改正數(shù)超限，則認(rèn)為該基線或其附近的基線存在粗差，應(yīng)在平差中將其剔除，直至所有參與平差的基線滿足要求。若結(jié)果不滿足要求，則認(rèn)為作為約束的已知坐標(biāo)、已知距離、已知方位中存在一些誤差較大的值，應(yīng)刪除這些誤差較大的約束值，直至滿足要求。

地窩堡國際機(jī)場工程測量中一級點(diǎn)GPS外業(yè)采集數(shù)據(jù)處理采用中海達(dá)GPS解算軟件HDS2003導(dǎo)入數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為Rinex標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，采用南方GPS數(shù)據(jù)處理軟件GPSPro4.0進(jìn)行基線解算及平差。平差后的坐標(biāo)為1954年北京坐標(biāo)系坐標(biāo)，由于將地形圖投影到高斯面上長度變形較大，超出規(guī)范要求，為了保證測量質(zhì)量，因此在本測區(qū)沿用烏魯木齊城市坐標(biāo)系，將1954年北京坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為烏魯木齊城市坐標(biāo)系坐標(biāo)；另根據(jù)甲方及設(shè)計、實(shí)際施工要求又將其轉(zhuǎn)換為機(jī)場坐標(biāo)系坐標(biāo)。

五、GPS RTK測量及其質(zhì)量控制

RTK（Real Time Kinematic）即進(jìn)行實(shí)時動態(tài)相對定位的技術(shù)，一般定位精度可達(dá)厘米級。常規(guī)RTK的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)鏈和流動站。基準(zhǔn)站的選擇、基準(zhǔn)站電臺天線的架設(shè)、中繼站的設(shè)置、流動站初始化、模糊度的保持（測量過程中周跳的探測）、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)都會影響RTK測量的質(zhì)量[3]。初始化錯誤發(fā)生原因主要是未能正確確定模糊度，會導(dǎo)致所有觀測結(jié)果發(fā)生較大偏差。未正確探測或修復(fù)基準(zhǔn)站及流動站載波相位數(shù)據(jù)中的周跳會導(dǎo)致模糊度保持失敗后的所有觀測成果發(fā)生較大偏差。未正確設(shè)置基準(zhǔn)站坐標(biāo)或設(shè)置了錯誤的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)會導(dǎo)致所有觀測成果發(fā)生錯誤。

為提高RTK測量的質(zhì)量，要確保在一個連續(xù)的觀測段中，對首尾的測量成果進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)方法是要確保在已知點(diǎn)上進(jìn)行初始化或初始化完成檢測一個已知點(diǎn)以及進(jìn)行復(fù)測，兩次復(fù)測之間必須重新進(jìn)行初始化。

在工程實(shí)測中RTK單次測量高程精度略低于設(shè)計要求，為了加強(qiáng)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性及提高精度，在觀測水泥板塊時我們采用每個觀測點(diǎn)記錄兩次，且每個記錄設(shè)置自動平滑采集10次，采用多余觀測方式提高點(diǎn)位精度。

六、GPS質(zhì)量分析和技術(shù)統(tǒng)計

烏魯木齊國際機(jī)場飛行區(qū)道面測量經(jīng)解算基線總數(shù)90條，重復(fù)基線有11條，復(fù)測基線較差最大為31mm，允許值為ds≤±49mm。同步環(huán)91個，各觀測邊的坐標(biāo)分量之和最大為0.014m。異步環(huán)83個，各觀測邊的坐標(biāo)分量之和最大為0.051m。Ratio平均值為22，同步環(huán)全長相對閉合差允許值為10ppm，最大值為5.4ppm，異步環(huán)全長相對閉合差最大值為9.9ppm。重復(fù)基線、同步環(huán)、異步環(huán)都滿足限差要求。測區(qū)邊長相對中誤差最小1/101.2萬；最大1/4.3萬。GPS網(wǎng)最長邊邊長5924m，邊長相對中誤差1/94.1萬；最短邊邊長184m，邊長相對中誤差1/5.5萬；最弱邊邊長352.7m，邊長相對中誤差1/12.7萬；最弱點(diǎn)點(diǎn)位Wx=±1.48mm，Wy=±1.31mm。根據(jù)2001年國家測繪局發(fā)布的測繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》和《工程測量規(guī)范》（GB50026-2007），施測的GPS控制點(diǎn)可以滿足后續(xù)板塊測量對控制點(diǎn)精度要求。

總結(jié)：

GPS已廣泛應(yīng)用于各種等級精度的城市控制測量中。為提高測量精度，就必須做好GPS測量的質(zhì)量控制工作?？傮w而言，質(zhì)量控制的內(nèi)容主要包括質(zhì)量評價（評定質(zhì)量的指標(biāo)）和質(zhì)量改善（提高質(zhì)量的方法）。從GPS測量的作業(yè)流程來看，一般包括測前、測中和測后三個階段。測前一般包括測量工程的設(shè)計與計劃以及儀器設(shè)備的檢定檢驗(yàn)，測中主要是施測工作，而測后則主要是數(shù)據(jù)處理及成果整理，所以GPS 測量的質(zhì)量控制過程必須貫穿測前、中、后三個階段。

參考文獻(xiàn)：

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