GPS雙基準(zhǔn)站快速靜態(tài)在山區(qū)像控測(cè)量中的應(yīng)用

王祥吉 彭鑫

摘要：在山區(qū)航測(cè)外業(yè)像控測(cè)量中，由于地形條件和通訊條件的限制，現(xiàn)有的RTK技術(shù)不能很好的發(fā)揮作用，普通靜態(tài)測(cè)量模式觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)效率低，雙基準(zhǔn)站快速靜態(tài)具有快速、易操作、精度高等特點(diǎn)。本文提出采用雙基準(zhǔn)站快速靜態(tài)方式進(jìn)行山區(qū)航測(cè)外業(yè)像控測(cè)量，并結(jié)合實(shí)例，分析了方法的可靠性、高效性及實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：GPS技術(shù)；快速靜態(tài)；基準(zhǔn)站；似大地水準(zhǔn)面精化

1 引言

GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）技術(shù)自上世紀(jì)90年代投入民用后，廣泛用在導(dǎo)航、定位等領(lǐng)域，在測(cè)量行業(yè)更是具有革命性的意義，成為控制測(cè)量的主要手段。隨著區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化技術(shù)的發(fā)展，利用GPS技術(shù)可以快速獲取高精度三維坐標(biāo)，使得GPS應(yīng)用更加方便。在山區(qū)像控測(cè)量中，使用傳統(tǒng)的RTK作業(yè)方式受到地形條件的影響，數(shù)據(jù)鏈傳輸距離有限，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)浮動(dòng)解或接收不到差分信號(hào)的情況，難以得到固定解，影響外業(yè)工作效率。本文提出雙基準(zhǔn)站GPS測(cè)量方法結(jié)合地方似大地水準(zhǔn)面精化成果，并使用具體實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，證明了方法的可靠性和高效性。

2 原理

為了獲得厘米級(jí)甚至毫米級(jí)的高精度測(cè)量成果，在常規(guī)GPS測(cè)量中通常采用載波相位測(cè)量的方法，GPS接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星信號(hào)中，已用相位調(diào)制技術(shù)在載波上調(diào)制了測(cè)距碼和衛(wèi)星導(dǎo)航電文，通過(guò)碼相關(guān)法或平方法可以將調(diào)制在載波上的測(cè)距碼和衛(wèi)星電文去掉，恢復(fù)載波的相位。GPS接收機(jī)的觀測(cè)量包括載波不足一周的部分Fr（Ф）和整周計(jì)數(shù)Int（Ф），一般表示：

載波相位φ和衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離ρ之間存在以下關(guān)系：

ρ=（Fr（Ф）+ Int（Ф）+N）·λ

由于載波是不帶任何識(shí)別標(biāo)識(shí)的一種純余弦波，GPS接受機(jī)能準(zhǔn)確的量測(cè)不足一周的部分，卻無(wú)法測(cè)出是第幾周的載波信號(hào)，整周數(shù)的確定是載波相位測(cè)量中的關(guān)鍵問(wèn)題。在普通的GPS靜態(tài)測(cè)量中往往需要進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)，一般不少于45分鐘，以便能唯一正確的確定整周模糊度，保證解的可靠性和精度[1]。

Frei和Beutler于1990年提出了一種快速求解整周模糊度方法（FARA），采用很少的觀測(cè)數(shù)據(jù)就能求解出整周模糊度。FARA方法的基本思想：以數(shù)理統(tǒng)計(jì)的參數(shù)估計(jì)和假設(shè)檢驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用初始平差的解向量（測(cè)站坐標(biāo)和相位模糊度的實(shí)數(shù)解），以及其精度信息（方差-協(xié)方差和單位權(quán)中誤差），確定出某一置信區(qū)間；在該置信區(qū)間，確定出整周模糊度可能的整數(shù)解的組合；依次將整周模糊度的每一組合作為未知數(shù)一一代回法方程式，找出單位權(quán)中誤差σ最小的解，若σ最小顯然小于σ次最小，且從數(shù)理統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)看基線向量及標(biāo)準(zhǔn)方差與初始解是一致的，則σ最小對(duì)應(yīng)的解即為最終的雙差固定解。采用FARA法所需觀測(cè)時(shí)間一般雙頻接收機(jī)5～10分鐘，單頻機(jī)10～20分鐘，無(wú)需重啟機(jī)器，使用常規(guī)方法觀測(cè)[2]。

3 雙基準(zhǔn)站操作方法

在測(cè)區(qū)中選取的兩個(gè)固定點(diǎn)架設(shè)GPS接收機(jī)作為基準(zhǔn)站，并一直保持對(duì)衛(wèi)星的跟蹤觀測(cè)，同時(shí)其他接收機(jī)在一定范圍內(nèi)流動(dòng)設(shè)站作業(yè)，在每個(gè)點(diǎn)觀測(cè)一定的時(shí)間，以確定該點(diǎn)到兩個(gè)基準(zhǔn)站之間的基線向量（如圖1所示）。

圖1 GPS雙基站快速靜態(tài)觀測(cè)示意圖

GPS快速靜態(tài)的數(shù)據(jù)處理與常規(guī)靜態(tài)測(cè)量相同，主要有基線解算、閉合環(huán)檢驗(yàn)、三維平差、二維約束平差和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)[3]。

4 應(yīng)用實(shí)例

某森林度假村地形測(cè)量項(xiàng)目采用航測(cè)成圖，比例尺1﹕2000，測(cè)區(qū)高差約120米，成圖面積約22平方公里，采用無(wú)人機(jī)航拍，測(cè)區(qū)中有4平方公里連片水域，森林覆蓋率超過(guò)85%，交通條件較差，外業(yè)刺點(diǎn)比較困難。在測(cè)區(qū)及周邊布設(shè)了8個(gè)E級(jí)GPS點(diǎn)，點(diǎn)間平均距離2.5km，采用全野外布點(diǎn)法布設(shè)像控點(diǎn)。測(cè)區(qū)范圍及控制點(diǎn)布設(shè)情況（如圖2所示）：

圖2 測(cè)區(qū)遙感影像圖

考慮到測(cè)區(qū)交通條件、控制點(diǎn)分布和作業(yè)效率等情況，在測(cè)區(qū)西南部選擇E級(jí)點(diǎn)（E01、E03）作為基準(zhǔn)站，測(cè)區(qū)東北部選擇E級(jí)點(diǎn)（E03、E05）作為基準(zhǔn)站，采用一臺(tái)徠卡1230和一臺(tái)華測(cè)X91觀測(cè)，其中徠卡1230設(shè)為RTK模式并接收靜態(tài)數(shù)據(jù)，流動(dòng)站采用2臺(tái)中緯ZGP800A接收機(jī)，每個(gè)像控點(diǎn)觀測(cè)一次，觀測(cè)時(shí)間不少于15分鐘，觀測(cè)時(shí)鎖定衛(wèi)星不少于5顆，GDOP值不大于6，接收機(jī)采樣率都設(shè)為10s。

數(shù)據(jù)處理采用徠卡公司的隨機(jī)解算軟件LGO7.0，基線解算均采用雙差固定解，基站及像控點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)信息（如圖3所示）：

圖3 觀測(cè)數(shù)據(jù)信息

以測(cè)區(qū)西南部像控點(diǎn)的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算為例，基線解算和閉合環(huán)檢驗(yàn)通過(guò)后，先進(jìn)行三維無(wú)約束平差，然后利用E級(jí)網(wǎng)三維無(wú)約束平差的結(jié)果，固定E001、E003的WGS-84坐標(biāo)進(jìn)行三維約束平差，獲得像控點(diǎn)WGS-84坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，使用測(cè)區(qū)GPS E級(jí)網(wǎng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，在LGO的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊中通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到像控點(diǎn)在地方坐標(biāo)系下的坐標(biāo)[4]。像控點(diǎn)高程通過(guò)似大地水準(zhǔn)面得到，利用似大地水準(zhǔn)面模型文件進(jìn)行高程擬合，可得到較高精度的高程值。三維約束網(wǎng)平差結(jié)果（如圖4所示）：

圖4 像控點(diǎn)三維約束平差結(jié)果

通過(guò)網(wǎng)平差結(jié)果可以看出除點(diǎn)P3459外解算精度都比較高，與常規(guī)靜態(tài)相同。作業(yè)過(guò)程中，檢測(cè)了兩個(gè)E級(jí)點(diǎn)，觀測(cè)時(shí)間均為20分鐘，控制點(diǎn)坐標(biāo)比對(duì)較差（如表1所示）：

整個(gè)項(xiàng)目采用雙基準(zhǔn)站快速靜態(tài)模式觀測(cè)像控點(diǎn)79個(gè)，每天野外工作時(shí)間約10小時(shí)，平均每臺(tái)GPS接收機(jī)每天測(cè)點(diǎn)10個(gè)。在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，還有一臺(tái)徠卡1250型GPS接收機(jī)在徠卡基準(zhǔn)站附近進(jìn)行RTK作業(yè)，平均每天能測(cè)點(diǎn)26個(gè)，整個(gè)測(cè)區(qū)181個(gè)像控點(diǎn)測(cè)量共用4天時(shí)間。

5 結(jié)論

采用雙基準(zhǔn)站GPS快速靜態(tài)測(cè)量方法測(cè)量像控點(diǎn)，只需要一次上點(diǎn)就能滿足觀測(cè)要求，像控點(diǎn)與兩個(gè)基準(zhǔn)站之間形成的三邊同步環(huán)可作為GPS觀測(cè)質(zhì)量的檢核條件，在15km的范圍內(nèi)精度與常規(guī)靜態(tài)相當(dāng)，雙基準(zhǔn)站GPS快速靜態(tài)測(cè)量速度快、精度高、勞動(dòng)強(qiáng)度小，在山區(qū)作業(yè)時(shí)結(jié)合RTK的使用能快速完成像控點(diǎn)測(cè)量任務(wù)，有效提高野外工作效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]李征航、黃勁松 GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理 武漢大學(xué)出版社2005

[2]周忠謨、易杰軍、周琪 GPS衛(wèi)星測(cè)量原理與應(yīng)用 測(cè)繪出版社2006

[3]魏二虎、黃勁松 GPS測(cè)量操作與數(shù)據(jù)處理 武漢大學(xué)出版社2004

[4]LEICA Geo Office GPS幫助手冊(cè)