GPS在控制测量中的应用及精度分析

摘要：本文主要介绍了GPS在控制测量中的应用及精度分析。

关键词：控制网；数据处理；精度指标

1.工程概况

A测量单位和B测量单位共同承担了新疆*盆地*地区XX三维地震勘探资料采集项目任务。为圆满完成此项目的前期测量任务，双方设计并共同完成了新疆*盆地*地区XX三维地震勘探资料采集项目工区GPS控制网。由我方对该控制网进行数据处理、质量评定和验收。

1.1 控制网的作业依据

1)SY/T5927—2000《石油物探全球卫星定位系统（GPS）测量规范》

2)中石化*分公司下发的《石油物探全球卫星定位系统动态测量技术实施细则（新疆探区）》中有关的技术规定。

3)《新疆*盆地*地区XX三维地震勘探资料采集项目技术设计》

1.2 布网方案

1.3.1 网点选择及布设

根据本工区国家三角点分布情况和本工区对GPS控制网的要求，我建网工作分两个阶段完成，在工区内选择17个符合建网要求的点，与2个Ⅰ级国家三角点、1个国家Ⅱ等三角点进行联网观测，构成了*盆地*地区XX工区GPS控制网点。

工区GPS控制网点作为以后放样作业的基准站使用，埋置了永久性标志桩作为标志，标志规格15cm×120cm钢管，仪器天线对中标志为钢管顶端2mm圆孔。

1.3 GPS网的外业观测

本次GPS控制网的建立分两个阶段进行，具体实施如下：

第一阶段观测分三期完成，每次观测分别按测前、测后各量取3次仪器高。观测中投入6台Trimble系列接收机进行同步观测，将A、B作为连接高等级国家三角点的连接点，在工区内按照石油物探测量规范对GPS控制网精度要求，对布设工区GPS控制网点进行观测。

第二阶段观测于X年10月18日进行，投入10台Trimble系列接收机，进行布网和整个工区的联网观测。

2 数据处理及精度指标分析

通过对野外数据的采集，工区GPS网的整体控制已完成。对原始数据检核无误后，我们使用Trimble系列接收机随机软件Trimble Geomatics Office对全部观测数据统一进行基线解算和网平差计算。

2.1 基线解算的定义及内涵

基线解算即利用多个测站的GPS同步观测数据，确定测站之间的坐标差的过程。

根据以上原理，我们使用Trimble 5700随机软件TGO对所测的GPS控制网作了基线解算。基线处理形式中的参数可以分成两类：一是精化参数，主要用于控制参与基线处理的数据，达到精化基线的目的。一是非精化参数，仅用于控制显示或表示解的质量。

基线的质量检验需要通过RMS、RATIO、PDOP、同步环闭和差、异步环闭和差和重复基线较差来进行。

参考因子又称单位权方差因子（σ0）,

0= ( 2.1 )

其中：V为观测值；P为观测值的权；f=m-sv-2（m为误差方程个数，sv为观测的卫星个数）。

比率（RADIO）反映了所确定出的整周未知数参数的可靠性，这一指标取决于多种因素，既与观测值的质量有关，也与观测条件的好坏有关。RADIO=RMS次最小/RMS最小

RMS即均方根误差，它表明了观测值的质量，观测值质量越好，RMS越小，反之，观测值质量越差，则RMS越大，它不受观测条件（观测期间卫星分布图形）的好坏的影响。

2.3 基线的精化处理

如基线处理不通过，则对未通过的基线进行精化处理。在TGO软件中通过观察残差图和时序器（timeline），区别导致基线质量控制指标超限的不同原因进行精化处理。如删除个别卫星；删除含有周跳的时段；调整卫星截止高度角等手段。

1)2.3.1质量控制指标

1)距离中误差：σ=( 4.5 )

式中σ——标准差（基线向量的弦长中误差mm）；

a ——固定误差（mm）；

b ——比例误差系数（1 x 10-6）；

D ——相邻点间的距离（km）。

各等级GPS网的主要技术要求应符合规范规定。相邻点最小距离应为平均距离的1/2—1/3；最大距离为平均的2—3倍。

将此网按C级网的精度可求得 σ为30.007mm。

2)重复基线较差、同步观测环差值、异步环观测环差值、基线改正数、无约束平差中基线分量的改正数、约束平差中，基线分量的改正数与通过粗差剔除后的无约束平差结果的同一基线相应改正数较差的绝对值均须遵循国家规范要求的限差。

否则，认为作为约束的已知坐标、已知距离、已知方位中存在一些误差较大的值，应采用自动或人工的方法剔除这些误差较大的约束值，直至上式满足。

2.4 基线处理情况概况

因为本次建网进行了分时段观测，观测时间长，在解算完所有基线后，基线数据处理质量较好，共产生了180条基线向量构成工区GPS网。基线边长最长为94.502公里，最短为5.410公里，平均边长33.772公里。达到了石油物探测量Ⅱ级网的精度。

由于控制网采取分期、分时段的形式进行观测，因而在基线处理的过程中，产生了大量的同步环和异步环。由180条基线，共构成了350个同步闭合环、1779个异步闭合环、166条重复基线，各类闭合差达到建网技术设计和测量施工设计的精度要求。各时段解向量的重复性反映了基线解的内部精度，是衡量基线解质量的一个重要指标。同步环闭合差反映了本工区GPS网同步环数据质量的好坏，而异步环闭合差反映的是整个工区GPS网的外业观测质量和基线解算质量的可靠性，相对于同步环闭合差，异步环闭合差对GPS成果质量更为重要。

由数值统计可以看出，GPS观测的精度和内部构造符合情况很好，*盆地*地区XX工区GPS控制网的野外数据采集质量较好，基线处理的精度达到了施工设计的要求。

2.5 基线向量网平差

基线向量网平差，即以GPS基线向量为观测值，以其方差阵之逆为权，进行计算求定各GPS网点的坐标并进行精度评定。

2.5.1 三维无约束网平差

平差在WGS-84三维空间直角坐标系下进行，平差时不引入使得GPS网产生由非观测量所引起的变形的外部约束条件。

其作用为：

1)评定GPS网的内部符合精度，发现和剔除GPS观测值中可能存在的粗差

2)得到GPS网中各个点在WGS-84系下经过了平差处理的三维空间直角坐标

3)为将来可能进行的高程拟合，提供经过了平差处理的大地高数据

基线向量改正数绝对值满足：

V△x、 V△y、 V△z≤中误差限制

协方差项满足：水平精度和三维精度在网的等级精度要求之内。通过对基线质量和闭合环质量检核后，选择基准为WGS-84坐标系，在WGS-84坐标系下进行无约束网平差，平差后的各项精度统计表明了对观测误差估计的准确度，反映了基线解算的正确性，控制网内部符和精度较好，基线向量之间无粗差。

2.5.2 约束网平差

三维无约束平差的基准软件默认为WGS-84系统，差方检验通过，各点的坐标变化量均为0，无超限观测值等几项主要精度指标通过后，三维无约束平差即完成，尔后同样在基准为WGS-84坐标系下，以1个已知点（A）的大地坐标为起算点，以已知点B、C为检核点进行约束网平差。通过两种不同的平差方式，我们分别获取了各自的约束网平差坐标，从各项精度统计可以看出，无论是单点约束平差，或是两个点都约束参与平差，各项精度指标都达到规范和设计要求。我们经过对比还可以发现，无论是单点约束平差，或是双点约束平差，其成果之间的差异是很小的，是完全能够满足石油物探测量生产需要的。

根据以上对比情况，我们采用了更为合理的双点约束平差后的网点成果作为工区的控制网成果，根据中石油在*盆地建立B级网点获取的转换三参数和适用于*盆地的新一代高程异常拾取程序（CQG2000高程拟合软件），我们将双点约束平差后得到的WGS-84坐标系下的坐标进行解算，最终成果平面采用1954北京坐标系；高程采用1956黄海高程系，求取了工区控制网点的1954北京坐标系6度带15带平面坐标和海拔高成果。

3 总结

从以上的各种精度统计可以看出，本工区控制网的建立是可靠的，可以满足本工区测量施工需要。此网从外业数据采集、基线处理到无约束平差，再到约束平差，一个完整的GPS静态测量数据处理过程凭借Trimble 5700及其随机软件TGO完成全部工作，在其生成的各项报告中，各项精度指标也比较完善和直观，

通过此项目在实践中的应用及其分析，也进一步说明了GPS导航定位以其高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等特点著称，在GPS测量领域具有不可替代的优势。

参考文献

[1]徐绍铨 张华海，等。GPS测量原理及应用[M]。武汉：武汉大学出版社，2003年。

[2]魏二虎，等。 GPS测量操作与数据处理[M]。武汉：武汉大学出版社，2004年。

作者简介：

刘霞（1973- ），女，新疆大学毕业，工程师，主要从事GPS应用工作。

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