利用高等级点加强三级GPS网的处理分析*

程广义 张海东 张英利 万 鑫 赵淑芬

(西安测绘总站，西安 710054)

利用高等级点加强三级GPS网的处理分析*

程广义 张海东 张英利 万 鑫 赵淑芬

(西安测绘总站，西安 710054)

全国三级GPS大地控制网是基础测绘长期的建设项目，充分利用各类工程建设的高等级GPS控制点，不仅可以提高三级GPS大地控制网布设精度，而且还可以加快三级GPS网的建设。提出了基于高等级GPS控制点的三级网计算方法，并针对某区域进行了试验分析。

三级GPS大地控制网;基准站;高等级;GPS;控制点;工程建设

1 引言

全国三级GPS大地控制网(简称三级GPS网)，是全国一、二级GPS网的加密和补充，并与高等级GPS控制点(简称高等级点)共同构成三维基础大地控制网［1-3］。三级GPS网可为相关用户提供各种控制基础和联测起算，也可为地方所用。三级GPS网从2002年开始建设，目前已经完成了大约10多个省区的站点布设。已完成的三级网点满足了设计要求，其水平方向点位中误差精度优于3 cm，垂直方向点位中误差精度优于5 cm［4］。

在三级网建设之初，高等级点约有2 000多个，其主要包括:中国地壳运动观测网络(简称网络工程)基准站、基本站、区域站，全国一、二级GPS网以及国家A、B级网点［3］。以往科研和工程人员主要利用网络工程的GPS基准站观测结果作为三级网的起算控制［4］，其他高等级点由于点位分布和观测精度等原因，在三级网布设和分析中实际应用不多。目前已经布设的全国高等级点大约有5 000多个，随着中国大陆构造环境监测网络(简称陆态网络)、区域地壳形变监测网和全国水准面精化等各类基础测绘项目的实施和完成，高等级GPS控制点将会增加到10 000多个。通过对高等级点的数据处理和整网平差，在三级网布设时充分利用这些高等级点的成果，从而为提高三级网的建设速度和布网精度创造了良好的条件。本文通过对三级网布设过程中利用高等级GPS站点的成果进行试验和分析，并对应用这些成果的效果进行评估，同时提出实际作业和数据处理方案的建议，为今后继续布设军控三级网提供借鉴。

2 三级网的布设原则

三级GPS网的设计精度和国家C级网的精度基本相同，三级网除了满足C级网用途外，还有其他特殊的应用，所以三级网布网方法、观测手段和作业模式与国家C级网有所不同。

三级网的布设原则上均匀覆盖，相邻点间距离为20～50 km，一般约为35 km，特殊地区可根据实际情况而定。三级网点周围一般布设2个GPS方位点，构成两两通视的GPS方位边三角形，方位边边长一般为1.5～4 km。在观测作业时，三级网点需要和GPS方位点同步观测，有效观测时间应不少于4小时。此外，三级网点均需联测三等以上的水准高程标志。三级网测量既可采用基于连续运行GPS基准站的作业模式，也可以采用GPS静态相对定位作业模式［3，4］。采用基于连续运行的基准站的GPS作业模式，应保证测区周围有4个基准站正常运行，并在测区设立临时基准站，保证基准站的几何分布合理［5］。

3 基于高等级点三级网的布设

近年来，随着高等级点的数量大幅增加、精度的提高以及点位分布的更加合理，为提高三级网的建设速度和布网精度创造了条件。

3.1 利用高等级点布网的基本思想

基于连续运行GPS基准站的作业模式在全国发展很快，仅陆态网络GPS基准站就增加了10倍，站间距离缩短到150～200 km。目前三级网布设作业时，单个测区范围内大多有2个以上GPS基准站，今后基准站的密度会更高，因此今后作业时就不需要设立临时基准站。

同时，全国高等级点的数量也比三级网建设之初有大幅度的增加，且以后还将会增加。因此，在三级网布设时采用高等级点作为同步三角形GPS观测的主点，并在其周围布设2个GPS方位点，按照三级网的技术要求进行同步观测也成为可能。相应地在GPS数据处理时，可以把高等级点和测区范围内的基准站作为控制点，同步解算出GPS方位点。这样就可以大大减少三级网布设时的额外工作，提高布设的效率、降低布网的费用。这样一种作业方式是否可行?与之配套的数据处理方案应该如何选取?其实际效果如何?需要通过试验来验证。

3.2 三级网布设试验

在西南某区域选取了陆态网络7个基准站作首级控制，同时采用了4个陆态网络区域网点、2个全国水准面精化点作为三级网的主点。我们按照三级网的技术要求新设了6个三级网点，在三级网主点周围布设了两个GPS方位点和主点构成同步观测三角形，采用上节提出的作业方式进行了试验。相应地在数据处理时，采用两种约束方案来确定三级点的坐标:一种是仅对网内陆态网络GPS基准站坐标做强约束;另一种是对网内全部高等级点的坐标进行强约束，解算新设三级点的坐标。同时，方位点的解算也采用了两种方法:第一种方法为同步解算基准站、三级网的主点和方位点的坐标，第二种方法则直接利用三级网主点的已知坐标同步解算方位点坐标。

4 基于高等级点三级网的数据处理

4.1 数据处理的基本流程

三级GPS控制网数据处理基本流程如图1所示。

图1 三级GPS控制网数据处理基本流程图Fig.1 Flow chart of the third-order GPS geodetic network data processing

4.2 高等级点联合处理

由于高等级点的观测年代、观测仪器不同，高等级点之间的精度有所差异，为了得到统一的高等级点成果，提高联合处理的精度，可根据实际情况对高等级点分区、分子网进行先期处理［6，7］。分区、分子网处理时，首先用最小二乘原理对子网进行网平差，诊断并剔除明显的异常基线数据，根据GPS的观测精度情况，设置粗差的最大限差，剔除粗差数据，保留完好的观测数据［8］。

在先期处理的基础上把联测数据分为4～5个区联合平差。高等级点的数据先用GAMIT软件进行处理，然后用GLOBK进行网平差，得到点位坐标及其方差、协方差。整网平差使用“VECADJ”GPS网平差等软件，并用相关软件进行比较检核。高等级点整体处理基本过程见图2。

图2 高等级点整体处理基本过程Fig.2 Flow chart of global data processing of advanced GPS points

4.3 三级网点的解算

1)三级网主点的数据处理

三级网布网时尽可能利用测区内的高等级点作为主点，根据三级网的技术要求，这些主点相邻间距一般为20～50 km，平均间距约35 km，此外还需要新埋设一定比例的三级网主点。

数据处理时选取测区附近的GPS基准站和高等级点作为起算控制，同步解算新埋设的三级网点。处理同步观测时段的基准站、高等级点和三级网点的GPS数据时，使用GAMIT等高精度GPS数据处理软件进行基线解算和平差。其中基线解算时，基准站、同步时间大于2小时的高等级点以及新设的三级网主点坐标三分量的约束值分别为0.005 m、0.005 m、0.005 m;平差计算时坐标三分量的约束值为0.000 1 m、0.000 1 m、0.000 1 m，同步观测时间小于2小时的高等级点只在平差计算时给予1σ的约束。

2)三级网方位点的数据处理

三级网方位点的作用是为其他观测手段提供方位起算和检核的依据，方位点与主点之间距离在1.5～4 km，并构成同步环。考虑到方位点与主点一般距离较近，主要要求方位点与主点的内符合精度具有较好的一致性。在处理三级网方位点的数据时，可采用GAMIT软件同步解算基准站、三级网主点和方位点，也可选择合适的商用软件来约束三级网主点以获得整体性、一致性较好的三级网点成果。

另外，为了保证三级网坐标成果的精度，采用GAMIT软件同步解算基准站、三级网主点和方位点。对不同方法和不同软件解算的方位点坐标进行比较检核，如果相差较大需精化数据重新解算;相邻点方位角换算精度优于1.5″。

5 试算分析

5.1 强约束高等级点

在基准站和高等级点联合处理的基础上，采用两种解算方法对试验区的三级网点数据进行解算、比较和分析。方法一:强约束基准站，解算其他三级网点;方法二:强约束基准站和高等级点，解算其他三级网点。表1对两种方法解算的三级GPS点的坐标结果进行了点位中误差比较(Mn、Me、Mu为北、东、垂向中误差)。结果表明，在三级GPS网解算时强约束基准站和高等级点的结果好于仅约束基准站坐标的结果，因此可以提高三级网的布网精度。

表1 高等级点强约束的结果(单位：cm)Tab.1 Results of tight constraint for advanced GPS point (unit：cm)

5.2 1σ约束高等级点

采用两种方法解算三级网点，其比较结果见表2。方法一:强约束基准站，解算其他三级网点;方法二:强约束基准站和1σ约束高等级点，解算其他三级网点。表2的结果表明，在解算三级网时，强约束基准站和1σ约束高等级点获得的点位平均中误差结果略优于仅强约束基准站的结果，但该结果比强约束基准站和高等级点的结果要差。

表2 高等级点1σ约束的结果(单位：cm)Tab.2 Results of 1σconstraint for advanced GPS point(unit：cm)

5.3 方位点检核比较

采用两种方法计算方位点的坐标，方法一:采用GAMIT软件同步解算基准站、三级网主点和方位点(即目前三级网解算采用的方法);方法二:对方位点数据进行解算时，选择商用软件约束三级网主点，即直接利用三级网主点的已知坐标同步解算方位点坐标。两种方法得到的结果见表3。由于两种方法所获得的方位点坐标结果互差较小，因此在对三级网方位点坐标进行解算时，选择商用软件约束三级网主点的方法可以获得与目前三级网解算所采用的方法整体性、一致性较好的成果。

表3 方位点不同解算结果比较(单位：cm)Tab.3 Contrast of different calculating methods of orientation point(unit：cm)

6 结论

全国三级GPS大地控制网是基础测绘长期的建设项目，已在我国不同省市进行了布设。通过对已有高等级GPS点的数据处理和整网平差，在三级网布设时可以充分利用这些高等级点的成果。本文在所选择的试验区内对三级网布设过程中利用高等级GPS站点的成果进行分析，得到了以下结论:

1)全国高等级点进行整体平差，不仅可以提高高等级点的整体精度，而且还可以统一高等级点的坐标框架(如 2000国家大地坐标系，即CGCS2000)，提高三级网布设的控制精度。

2)利用三级网布设时所用到的高等级点作为三级网主点，在三级网解算时强约束基准站和高等级点，比仅对基准站坐标进行强约束为佳，因此可以提高三级网的布网精度。

3)目前解算三级网方位点时主要使用GAMIT软件同步解算基准站、三级网主点和方位点。本文试验中选择商用软件约束三级网主点获取了三级网方位点的坐标成果。由于两种方法所获得的方位点坐标结果互差较小，因此在对三级网方位点坐标进行解算时，选择商用软件约束三级网主点可以获得与目前采用的方法整体上较为一致的成果。

4)利用高等级点作为三级网主点，可以减少三级网点位选埋的工作量，节约建设成本，提高三级网的建设速度。

1 郭群长，等.青海地区三级GPS大地控制网的建立［J］.测绘科学技术学报，2009，(1):20-23.(Guo Qunchang，et al.Establishing of the third-order GPS geodetic network in Qinghai area［J］.Journal of Geomatics Science and Technology，2009，(1):20-23)

2 程广义，等.关于三级GPS大地控制网数据的初步分析处理［R］.丽江:2003年大地测量学术年会.(Cheng Guangyi，et al.Preliminary data analysis and processing of the third-order GPS geodetic network［R］.Lijiang:Geodetic Annual Conference，2003)

3 程广义，等.陆态网络对全国三级GPS控制网建设的影响［A］.总参西安创新工作站论文集［C］，2010，(7):225 -228.(Cheng Guangyi，et al.The influence of CMONOC on the third-order GPS geodetic network［A］.Proceedings of Xi’an innovative workstation［C］.2010，(7):225-228)

4 程广义等，基于GNSS基准站的三级GPS网解算精度分析［J］.大地测量与地球动力学，2011，(6):89-93.(Cheng Guangyi，et al.Accuracy analysis of third-order GPS geodetic network based on GNSS station［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2011，(6):89-93)

5 徐昌荣，等.GPS控制网中基准点的几何分布对精度的影响研究［J］.安徽农业科学，2011，(3):1 842-1 843.(Xu Changrong，et al.The study on the impact of geometric distribution of datum points to the accuracy on GPS control network［J］.Agricultural Scienceamp;Technology，2011，(3):1 842-1 843)

6 赵庆海，等.方差分量估计简化公式在高精度GPS网平差中的应用［J］.测绘通报，2001，(12):14-15.(Zhao Qinghai，et al.The application of variance-component estimation approximate formula for high precision GPS network［J］.Bulletin of Surveying and Mapping，2001，(12):14-15)

7 吴向阳，等.关于GPS网平差中若干特殊问题的处理［J］.测绘通报，2004，(7):9-11.(Wu Xiangyang，et al.A study of some special problems in GPS network adjustment［J］.Bulletin of Surveying and Mapping，2004，(7):9-11)

8 朱兰艳，等.GPS网稳健估计的实验分析［J］.测绘通报，2004，(12):5-7.(Zhu Lanyan，et al.Experiment analysis of robust estimation method for GPS network［J］.Bulletin of Surveying and Mapping，2004，(12):5-7)

DATA ANALYSIS OF THIRD-ORDER GPS GEODETIC NETWORK BY ADVANCED GPS REFERENCE POINT

Cheng Guangyi，Zhang Haidong，Zhang Yingli，Wan Xin and Zhao Shufen
(Xi’an Division of Surveying and Mapping，Xi’an 710054)

The third-order GPS geodetic network is a long-term construction project of national basic surveying.Making full use of advanced GPS reference points of all kind of project can not only improve the accuracy but also accelerate the construction of the third-order GPS geodetic network.The calculating method based on advanced GPS reference points for the third-order GPS geodetic network is introduced and the data of an area is used as an example.

the third-order GPS geodetic network;fiducial stations;advanced;GPS;reference point;project construction

1671-5942(2012)02-0096-04

2011-10-24

程广义，男，1964年生，硕士，高级工程师，主要从事卫星定位技术及应用研究.E-mail:chenggy_64@163.com

P227

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