GPS靜態(tài)測(cè)量

王慧鵬+姜建紅

摘要：GPS測(cè)量技術(shù)以其高效、精準(zhǔn)、全天候等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，在測(cè)量、軍事、交通等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用價(jià)值，特別是在城市、工程測(cè)量中這項(xiàng)技術(shù)倍受測(cè)繪工作者的青睞，成為測(cè)繪工作中的一項(xiàng)重大技術(shù)革命。本文介紹了靜態(tài)GPS測(cè)量的特點(diǎn)，進(jìn)行了GPS靜態(tài)測(cè)量技術(shù)實(shí)證分析。

關(guān)鍵詞：GPS，靜態(tài)測(cè)量；技術(shù)；實(shí)證分析

GPS靜態(tài)測(cè)量，是利用測(cè)量型GPS接收機(jī)進(jìn)行定位測(cè)量的一種。主要用于建立各種的控制網(wǎng)。進(jìn)行GPS靜態(tài)測(cè)量時(shí)，認(rèn)為GPS接收機(jī)的天線在整個(gè)觀測(cè)過(guò)程中的位置是靜止，在數(shù)據(jù)處理時(shí)，將接收機(jī)天線的位置作為一個(gè)不隨時(shí)間的改變而改變的量，通過(guò)接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)的變化來(lái)求得待定點(diǎn)的坐標(biāo)。在測(cè)量中，GPS靜態(tài)測(cè)量的具體觀測(cè)模式是多臺(tái)接收機(jī)在不同的測(cè)站上進(jìn)行靜止同步觀測(cè)，時(shí)間由40分鐘到十幾小時(shí)不等。隨著信息化、數(shù)字化時(shí)代的深入發(fā)展，空間科學(xué)和測(cè)量技術(shù)得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。GPS測(cè)量技術(shù)以其高效、精準(zhǔn)、全天候等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，在測(cè)量、軍事、交通等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用價(jià)值，特別是在城市、工程測(cè)量中這項(xiàng)技術(shù)倍受測(cè)繪工作者的青睞， 成為測(cè)繪工作中的一項(xiàng)重大技術(shù)革命。

1 靜態(tài)GPS測(cè)量的特點(diǎn)

1.1 GPS相對(duì)定位原理

GPS相對(duì)定位原理，根據(jù)若干臺(tái)GPS接收機(jī)跟蹤GPS衛(wèi)星信號(hào)所測(cè)得的載波相位觀測(cè)值，運(yùn)用求差的方法，得出各觀測(cè)站間的坐標(biāo)差即基線向量。再根據(jù)已知點(diǎn)坐標(biāo)和基線向量求得其他各測(cè)站點(diǎn)的坐標(biāo)。相對(duì)定位可以消除或大幅削弱誤差（如衛(wèi)星鐘差、電離層延遲、對(duì)流程延遲等），因而可以獲得很高精度的相對(duì)位置。GPS相對(duì)定位分為靜態(tài)相對(duì)定位和動(dòng)態(tài)相對(duì)定位，其中靜態(tài)相對(duì)定位廣泛應(yīng)用于控制測(cè)量中。

1.2 GPS測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)

（1）測(cè)站間不需要通視

這是GPS定位的最大優(yōu)點(diǎn)，既要保持良好的通視條件，又要保障測(cè)量控制網(wǎng)的良好圖形是傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)難以解決的矛盾。而GPS測(cè)量由于不要求測(cè)站之間相互通視， 因此使點(diǎn)位的選擇變得十分靈活，而且保證控制網(wǎng)有良好的圖形。

（2）定位精度高

短距離（ 15km以內(nèi)）精度可達(dá)毫米級(jí)，中、長(zhǎng)距離（幾十公里甚至幾百公里）相對(duì)精度可達(dá)到10- 7～10- 8。

（3）全天候作業(yè)

GPS衛(wèi)星數(shù)目多，且分布均勻，可保證在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)連續(xù)進(jìn)行觀測(cè)，保障了連續(xù)的三維定位，一般不受天氣狀況的影響。

（4）操作簡(jiǎn)便

GPS接收機(jī)自動(dòng)化程度極高，在外業(yè)觀測(cè)中只需對(duì)中、整平、量取天線高及開機(jī)后設(shè)置參數(shù)，其他工作儀器自動(dòng)完成，工作效率高。

2 GPS靜態(tài)測(cè)量技術(shù)實(shí)證分析

2.1 GPS數(shù)據(jù)后處理存在的問題

根據(jù)施測(cè)實(shí)際需要，控制點(diǎn)數(shù)量、分布和測(cè)區(qū)的形狀，設(shè)計(jì)GPS網(wǎng)圖，選定控制點(diǎn)并注意布設(shè)條件，避免對(duì)觀測(cè)影響，使網(wǎng)型合理、邊長(zhǎng)合乎規(guī)范要求，控制點(diǎn)分布均勻，且使控制面積足夠大。采用隨機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)下載，基線解算，全面考核GPS網(wǎng)的內(nèi)部符合精度和探測(cè)可能的粗差，并且全部通過(guò)的基礎(chǔ)上進(jìn)行WGS84自由網(wǎng)平差，會(huì)得到非常高的內(nèi)附和精度。

2.2 北京坐標(biāo)系（1954年）

建國(guó)初期，為了迅速開展我國(guó)的測(cè)繪事業(yè)，鑒于當(dāng)時(shí)的實(shí)際情況，將我國(guó)一等鎖與原蘇聯(lián)遠(yuǎn)東一等鎖相連接，然后以連接處呼瑪、吉拉寧、東寧基線網(wǎng)擴(kuò)大邊端點(diǎn)的原蘇聯(lián)1942年普爾科沃坐標(biāo)系的坐標(biāo)為起算數(shù)據(jù)，平差我國(guó)東北及東部區(qū)一等鎖，這樣傳算過(guò)來(lái)的坐標(biāo)系就定名為1954年北京坐標(biāo)系?？蓺w結(jié)為：①屬參心大地坐標(biāo)系；②采用克拉索夫斯基橢球的兩個(gè)幾何參數(shù)；③大地原點(diǎn)在原蘇聯(lián)的普爾科沃；④采用多點(diǎn)定位法進(jìn)行橢球定位；⑤高程基準(zhǔn)為1956年青島驗(yàn)潮站求出的黃海平均海水面；⑥高程異常以原蘇聯(lián) 1955年大地水準(zhǔn)面重新平差結(jié)果為起算數(shù)據(jù)，按我國(guó)天文水準(zhǔn)路線推算而得。

基準(zhǔn)面是利用特定地球橢球?qū)μ囟ǖ貐^(qū)地球表面的逼近，選用一個(gè)同大地相近的、可以用數(shù)學(xué)方法來(lái)表達(dá)的旋轉(zhuǎn)橢球來(lái)代替，它是測(cè)量與制圖的基礎(chǔ)。凡與局部地區(qū)（一個(gè)或幾個(gè)國(guó)家）的大地水準(zhǔn)面符合得最好的旋轉(zhuǎn)橢球，稱之為“參考橢球”。目前常見的有三種：“北京54”坐標(biāo)系、“西安80”坐標(biāo)系、WGS1984?！氨本?4”坐標(biāo)系是我國(guó)從1953年起從蘇聯(lián)1942坐標(biāo)系聯(lián)測(cè)并經(jīng)平差引伸到我國(guó)，原點(diǎn)在蘇聯(lián)西部的普爾科夫，采用Krassovsky橢球參數(shù)而定的基準(zhǔn)面；“西安80”坐標(biāo)系是采用1975年IUGG/IAG第16屆大會(huì)推薦的地球橢球參數(shù)，國(guó)家原點(diǎn)設(shè)在陜西省涇陽(yáng)縣，其較好地與我國(guó)大地水準(zhǔn)面符合較好；WGS1984坐標(biāo)系的基準(zhǔn)面采用WGS84橢球體，它是一地心坐標(biāo)系，即以地心作為橢球體中心。目前GPS接收機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)多以WGS1984坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，Pulkovo 1942、非洲索馬里的Afgooye基準(zhǔn)面都采用了Krassovsky橢球體，但它們的基準(zhǔn)面顯然是不同的。

2.3 解決方法

從1954年北京坐標(biāo)系建立的條件、手段及方法，可以看出，1954年北京坐標(biāo)系具有良好的方位角，其兩點(diǎn)的邊長(zhǎng)是通過(guò)基線擴(kuò)大邊計(jì)算而來(lái)并投影到Krassovsky橢球體，精度相對(duì)較低。GPS接收機(jī)（標(biāo)稱精度平面：5mm+1ppm）測(cè)量控制時(shí)其基線精度是非常高的（合格基線），同時(shí)也具有高精度的方位。由于1954年北京坐標(biāo)系與WGS1984坐標(biāo)系的參考地球橢球不同，導(dǎo)致兩坐標(biāo)系在方位上存在誤差，在利用七參數(shù)（XYZ平移，XYZ旋轉(zhuǎn)，尺度比） 進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程中就會(huì)存在邊長(zhǎng)和角度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系的矛盾，其矛盾以平差后的殘差形式表現(xiàn)出來(lái)。

如何做到既保證控制網(wǎng)的整體精度，又滿足1954年北京坐標(biāo)系的坐標(biāo)系統(tǒng)？經(jīng)過(guò)反復(fù)論證、實(shí)踐檢核，采用一點(diǎn)一方位的進(jìn)行約束平差，其具體做法如下：

2.3.1 對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行WGS84自由網(wǎng)平差（剔除粗差后），基線合格。

2.3.2 選用距側(cè)區(qū)中心最近的54坐標(biāo)數(shù)據(jù)（A）進(jìn)行單點(diǎn)起算進(jìn)行GPS控制網(wǎng)在54橢球上約束平差。通過(guò)單點(diǎn)結(jié)算坐標(biāo)反算其他54已知控制點(diǎn)距A點(diǎn)的距離S，選用最遠(yuǎn)的距離點(diǎn)B，反算出A→B的方位角α，再用Sab及方位角α計(jì)算B點(diǎn)坐標(biāo)，再利用A、B兩點(diǎn)對(duì)GPS控制網(wǎng)平面控制點(diǎn)進(jìn)行GPS網(wǎng)約束平差，解算出GPS的各個(gè)點(diǎn)位平面坐標(biāo)。對(duì)已知的54控制點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)位中誤差計(jì)算，評(píng)定精度。

2.3.3 采用一點(diǎn)一方位的進(jìn)行約束平差，既保證控制網(wǎng)的整體精度，又滿足1954年北京坐標(biāo)系的坐標(biāo)系統(tǒng)，非常適合局部區(qū)域或具體工程對(duì)高精度控制又要與國(guó)家控制網(wǎng)聯(lián)測(cè)的要求。

作者簡(jiǎn)介：王慧鵬，身份證號(hào)碼：410181197908271030

姜建紅，身份證號(hào)碼：430104197006074039