GNSS在控制測量中的應(yīng)用

（貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院礦業(yè)工程學(xué)院 貴州·畢節(jié) 551700）

1 GNSS組成及其優(yōu)勢分析

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）主要包含了空間衛(wèi)星星座、地面控制系統(tǒng)以及用戶終端三大部分。由中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、美國的GPS系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)以及歐洲的GALILEO系統(tǒng)組成，同時也涵蓋在建的和以后要建的其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

對比用全站儀與水準(zhǔn)儀結(jié)合的傳統(tǒng)布設(shè)控制網(wǎng)的方式，它由于測站之間無需通視，在選擇站點(diǎn)時具有更加靈活性的特點(diǎn)；由于其信號的傳輸方式及工作方式又使其具備了自動化、全天候、連續(xù)性、實(shí)時性、應(yīng)用廣泛與經(jīng)濟(jì)性的導(dǎo)航定位定時優(yōu)點(diǎn)。

2 現(xiàn)行規(guī)范及其要求

根據(jù)我國目前現(xiàn)行的 GPS網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范 GBT18314-2016《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）中，對GNSS控制網(wǎng)的主要技術(shù)要求見表1。

表1：GNSS控制網(wǎng)的主要技術(shù)要求

其中，二、三、四等網(wǎng)，相鄰點(diǎn)最小距離不應(yīng)小于平均距離的1/2；最大距離不應(yīng)超過平均距離的2倍；一、二級網(wǎng)的相鄰導(dǎo)線長短邊距離不應(yīng)超過3:1，且導(dǎo)線邊夾角應(yīng)大于30°。

表2：城市及工程GPS控制作業(yè)中靜態(tài)GPS測量作業(yè)的基本技術(shù)要求

《規(guī)范》中對城市及工程GPS控制作業(yè)中各級測量作業(yè)的基本要求規(guī)定見表2。

在貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院（以下簡稱貴工程）進(jìn)行靜態(tài)控制網(wǎng)的布設(shè)時，由于測區(qū)面積較小，同時為了控制點(diǎn)達(dá)到一定的數(shù)量要求，布設(shè)基線的長度均小于1km且普遍介于200m～500m之間，適用《規(guī)范》中對于二級GNSS網(wǎng)布設(shè)的技術(shù)要求。

3 GNSS測量的設(shè)計(jì)與實(shí)施

貴工程內(nèi)分布有畢節(jié)市地區(qū)E級GNSS控制點(diǎn)，本次通過聯(lián)測已有的控制點(diǎn)進(jìn)行靜態(tài)加密布網(wǎng)；并通過南方NTS-3402R系列全站儀（測距精度2±2×10-6D，測角精度2″）對部分控制點(diǎn)進(jìn)行測量，檢驗(yàn)控制網(wǎng)的精度與可靠性。

由于其測區(qū)內(nèi)無高大建筑物以及地表高壓輸電線等地物影響，采用GNSS靜態(tài)觀測方法可以減少多路徑效應(yīng)產(chǎn)生的影響，保證測量精度。同時，為了避免其他觀測環(huán)境因素對接收機(jī)信號的影響，因此選擇前校門WA17點(diǎn)、化學(xué)工程學(xué)院旁WA10點(diǎn)、學(xué)院大橋K2點(diǎn)等十個點(diǎn)進(jìn)行校園控制網(wǎng)的布設(shè)。

根據(jù)測區(qū)的實(shí)際情況，由于靜態(tài)控制網(wǎng)的邊長屬于短基線且平均基線長度小于1km，適用《規(guī)范》中的二級GNSS網(wǎng)的測設(shè)工作，因此可進(jìn)行對GNSS短基線控制網(wǎng)布設(shè)的應(yīng)用分析?？刂凭W(wǎng)采用了十個定位點(diǎn)，五個觀測時段；具有三條重復(fù)基線，十三個同步環(huán)；并采用了邊連式進(jìn)行網(wǎng)連接，增強(qiáng)了控制網(wǎng)的幾何強(qiáng)度和可靠性?？刂泣c(diǎn)點(diǎn)位分布及控制網(wǎng)形如圖1所示。

圖1：貴工程校園控制網(wǎng)示意圖

本次實(shí)驗(yàn)采用了四臺中海達(dá) V90機(jī)頭進(jìn)行靜態(tài)測量工作，其靜態(tài)采集平面精度為±2.5mm ＋ 1ppm，高程精度為±5mm＋1ppm；設(shè)置采樣間隔為10s，衛(wèi)星高度角≥15°；觀測時段≥60min，符合規(guī)范對二級網(wǎng)靜態(tài)采集的要求。具體觀測時段見表3。

表3：靜態(tài)觀測時段

根據(jù)觀測之前的衛(wèi)星預(yù)報(bào)，在上述時間段內(nèi)，GNSS衛(wèi)星幾何分布的PDOP值小于6，衛(wèi)星個數(shù)都在四顆以上符合觀測要求。同時，對聯(lián)測的控制點(diǎn)使用測距精度2±2×10-6D，測角精度2″的南方NTS-3402R全站儀進(jìn)行精密導(dǎo)線測量，確保GNSS靜態(tài)數(shù)據(jù)與導(dǎo)線測量數(shù)據(jù)可進(jìn)行相互校核。

4 基線解算及數(shù)據(jù)分析

表4：GNSS控制網(wǎng)基線解算結(jié)果

為避免數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中造成數(shù)據(jù)丟失，本控制網(wǎng)采用中海達(dá)HGO軟件進(jìn)行基線向量的解算及網(wǎng)平差。首先剔除觀測時段中發(fā)現(xiàn)的粗差以及信號間斷引起整周跳變的數(shù)據(jù)，貴工程校園GNSS控制網(wǎng)基線解算結(jié)果見表4。

通過對基線解算的結(jié)果分析，進(jìn)行短基線處理時，單頻數(shù)據(jù)通過差分處理方法可有效的消除電離層的影響，從而確保相對定位結(jié)果的精度。結(jié)果顯示平面精度最小值為0.2mm，最大值為0.9mm；高程精度最小值為0.5mm，最大值為1.7mm；完全符合E級控制網(wǎng)導(dǎo)線平面精度小于2mm，高程精度小于5mm的精度要求。Ratio與RMS也符合相應(yīng)大于2mm和小于25mm的限差要求。表3的數(shù)據(jù)表明，貴工程校園控制網(wǎng)的基線解算均滿足要求。

同時為檢驗(yàn)基線的精度與可靠性，同時采用南方NTS-3402R系列全站儀及配套棱鏡進(jìn)行部分導(dǎo)線邊的邊角檢測。由于通視條件受限，本實(shí)驗(yàn)僅在部分控制點(diǎn)上進(jìn)行邊長校核。觀測值經(jīng)過加常數(shù)改正、乘常數(shù)改正以及氣象改正等必要的數(shù)據(jù)處理后，其結(jié)果對比見表5。

表5：貴工程平面控制點(diǎn)距離校核表

校核結(jié)果顯示，三條基線平面控制點(diǎn)控制點(diǎn)最弱邊中誤差為1/29460，精度精度完全滿足《規(guī)范》中對于一般工程二等GNSS網(wǎng)的最弱邊中誤差要求，保證了基線解算的正確性與可靠性。

分別采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)、GLONASS系統(tǒng)對同一組數(shù)據(jù)在相同條件下進(jìn)行基線解算的結(jié)果，進(jìn)行精度對比?；€的解算精度對照結(jié)果見表6。

表6：單一系統(tǒng)基線解算精度對比

解算結(jié)果表明，利用單一衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在相同的環(huán)境中進(jìn)行靜態(tài)控制網(wǎng)布設(shè)時，觀測時同步衛(wèi)星的個數(shù)以及定位精度仍然存在一定的局限性，利用GNSS系統(tǒng)可以在整體上改善觀測的有效性、完整性。

5 GNSS網(wǎng)平差結(jié)果分析

代入 WGS—84系下的控制點(diǎn)（WA4、WA6、WA23）利用質(zhì)量檢核合格的基線向量構(gòu)成的閉合圖形，及其相應(yīng)的方差—協(xié)方差陣作為觀測信息，進(jìn)行GPS網(wǎng)的無約束平差。檢驗(yàn)值的范圍為17.8867～61.5821，檢驗(yàn)值為23.6656，檢驗(yàn)通過?；€改正結(jié)果見表7，自由網(wǎng)平差坐標(biāo)結(jié)果見表8。

表7：基線改正結(jié)果

表8：自由網(wǎng)平差坐標(biāo)結(jié)果

其中，平差后的最弱邊（WA10-WA40）相對中誤差為1/29460，完全滿足 GNSS二級網(wǎng)對于最弱邊中誤差小于1/10000的技術(shù)要求。

6 結(jié)束語

本文簡要的分析了GNSS的組成及其在控制測量中的優(yōu)勢。通對校園控制網(wǎng)的布設(shè)，介紹GNSS靜態(tài)數(shù)據(jù)采集處理的一般過程。由單一的導(dǎo)航定位系統(tǒng)靜態(tài)基線解算數(shù)據(jù)對比，可以看出在相同的觀測條件下GNSS組合系統(tǒng)彌補(bǔ)了單一系統(tǒng)在工程測量中的局限性，在整體上改善了系統(tǒng)的有效性、完整性，同時保證了在復(fù)雜環(huán)境中觀測時同步觀測的衛(wèi)星個數(shù)和定位精度。