基于GPS的控制测量技术研究

摘 要：本文结合天津某市资源勘查项目，以基于GPS的控制测量技术为研究对象，论文首先分析了GPS控制测量的技术流程，进而探讨了控制测量的布网方案，最后给出了数据处理中基线向量解算方案。

关键词：GPS 控制测量 基线向量

中图分类号：P2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（c）-0040-02

1 GPS控制测量技术概述

GPS控制测量工作与经典大地测量工作相类似，按其性质可分为外业和内业两大部分。其中：外业工作主要包括选点（即观测站址的选择）、建立观测标志、野外观测作业以及成果质量检核等；内业工作主要包括GPS测量的技术设计、测后数据处理以及技术总结等。如果按照GPS测量实施的工作程序，则大体可分为这样几个阶段：技术设计；选点与建立标志；外业观测；成果检核与处理。作业方法：采用两台（或两台以上）接收机，分别安置在一条（或数条）基线的端点，根据基线长度和要求的精度，按GPS测量系统外业的要求同步观测四颗以上的卫星数时段，时段长度根据测量等级确定。定位精度：基线测量的精度可达±（5 mm+1 ppm×D），D为基线长度，以公里计。作业要求：采取这种作业模式所观测的独立基线边，应构成闭合图形（如：三角形、多边形），以利于观测成果的检核，增强网的强度，提高成果的可靠性和精确性。适用范围：建立国家大地控制网（二等或二等以下）；建立精密工程控制网，如桥梁测量、隧道测量等；建立各种加密控制网，如城市测量、工程点测量、道路测量、勘界测量等；观测中至少跟踪四颗卫星，同时基线边一般不要超过15 km；注意事项：所有已观测基线应组成一系列封闭图形，已利于外业检核，提高成果可靠度。

GPS测量是一项技术复杂、要求严格、耗费较大的工作，对这项工作总的原则是，在满足用户要求的情况下，尽可能地减少经费、时间、和人力的消耗。因此，对其各阶段的工作都要精心设计和实施。

GPS测量的工作程序见图1。

2 工程概述

我单位2010年承担了天津某市资源普查项目中的基础控制测量、1：10000地形图的测绘及本区的工程测量任务。工作量为D级控制点8个；工程点测量86个。工作区地势总体呈现南高北低、东高西低。标高850～1200 m左右，最大相对高差350 m。中部地区为高力罕河形成的平原，由南向北倾斜。标高850～910 m，相对高差仅70～80 m，坡降2.5‰～3.0‰，地势较平坦。

3 控制测量布网方案

3.1 平面与高程控制

测区首级平面控制采用D级GPS网，选用线形锁形式布设。使用仪器为南方9600单频GPS接收机。控制网布设时力求图形几何结构强，有良好的自检能力和约束力。平面与高程控制均采用国家二等以上三角点作为起算点，联测点个数不少于3个。

3.2 选点

由于GPS测量观测站之间不一定要求相互通视，而且网的图形结构也比较灵活，所以选点工作比常规控制测量的选点简便。但由于点位的选择对于保证观测工作的顺利进行并保证测量结果的可靠性有着重要的意义，所以在选点工作开始前，除收集和了解有关测区的地理情况和原有测量控制点分布及标架、标型、标石完好情况，决定其适宜的点位外，选点工作还应遵守以下原则。

（1）点位应设在易于安装接收设备、视野开阔的较高点上。（2）点位目标要显著，视场周围15以上不应有障碍物，以减小GPS信号被遮挡或被障碍物吸收。（3）点位应远离大功率无线电发射源，其距离不小于200 m；远离高压输电线和微波无线电信号传送绶道，其距离不得小于50 m，以避免电磁场对GPS信号的干扰。（4）点位附近不应有大面积水域或不应有强烈干扰卫星信号接收的物体，以减弱多路径效应的影响（5）点位交通方便有利于其他手段扩展与联测的地方。（6）地面基础稳定，易于点的保存。（7）当所选点位需要进行水准联测时，选点人员应实地踏勘水准路线。

根据以上原则选择了包括测区且分布较均匀的7个GPS点，之后埋设具有中心标志的标石，以精确标志点位，点的标石和标志必须稳定、坚固以利长久保存和利用。

3.3 观测

观测作业的主要目的是捕获GPS卫星信号，并对其进行跟踪、处理和量测，以获得所需要的定位信息和观测数据。

由于本次测量有GPS接收机与天线是一体的，所以接收机在点位上对中整平后便可开机观测。接收机锁定卫星并开始记录数据后，观测员可按照仪器随机提供的操作手册进行输人和查询操作，在未掌握有关操作系统之前，不要随意按键和输人，一般在正常接收过程中禁止更改任何设置参数。

本次工作中，要求仪器操作人员应注意以下事项。

（1）当确认外接电源电缆及天线等各项连接完全无误后，方可接通电源，启动接收机。（2）开机后接收机有关指示显示正常并通过自检后，方能输人有关测站和时段控制信息。（3）接收机在开始记录数据后，应注意查看有关观测卫星数量、卫星号、相位测量残差、实时定位结果及其变化、存储介质记录等情况。（4）一个时段观测过程中，不允许进行以下操作：关闭又重新启动；进行自测试（发现故障除外）；改变卫星高度角；改变天线位置；改变数据采样间隔；按动关闭文件和删除文件等功能键。（5）每一观测时段中，气象元素一般应在始、中、末各观测记录一次，当时段较长时可适当增加观测次数。（6）在观测过程中要特别注意供电情况，除在出测前认真检查电地容量是否充足外，作业中观测人员不要远离接收机，听到仪器的低电压报警要及时予以处理，否则可能会造成仪器内部数据的破坏或丢失。（7）仪器高一定要按规定始、末各量测一次，并及时输人仪器及记人测量手簿之中。（8）接收机在观测过程中不要靠近接收机使用对讲机；雷雨季节架设天线要防止雷击，雷雨过境时应关机停测，并卸下天线。（9）观测站的全部预定作业项目，经检查均已按规定完成，见记录与资料完整无误后方可迁站。（10）观测过程中要随时查看仪器内存或硬盘容量，每日观测结束后，应及时将数据转存至计算机硬、软盘上，确保观测数据不丢失。

3.4 观测记录

外业观测中存储介质上的数据文件应及时拷贝一式两份，分别保存在专人保管的防水、防静电的资料箱内。存储介质的外面，适当处应贴制标签，注明文件名、网区名、点名、时段名、采集日期、测量手簿编号等。

接收机内存数据文件在转录到外存介质上时，不得进行任何剔除或删改，不得凋用任何对数据实施重新加工组合的操作指令。本次测量使用的仪器为南方9600单频GPS静态接收机一套（三台），标称精度5 mm+1 ppm。作业模式为经典静态定位。具体要求如下。

（1）卫星截止高度角为15°。（2）有效观测卫星个数必须超过4个。（3）采样间隔为5 s。（4）时段长度必须大于45 min。（5）几何精度因子（PDOP）必须小于10，（实际观测数为PDOP≤4）。（6）仪器天线高从三个方位量测三次取平均值。

其观测网型见图2。其中GPS1、2、3、4、5、6、7是覆盖测区的GPS点，AMDL、DYTL、GLDB、DLAB、KLQQ分别是国家二等三角点。利用GLHH四等点检核数据。

4 数据处理

4.1 基线向量的解算

基线向量的解算是一个复杂的平差计算过程。解算时要顾及观测时段中信号间断引起的数据剔除、观测数据粗差的发现及剔除、星座变化引起的整周未知参数的增加等问题。

基线处理完成后应对其结果作以下分析和检核。

（1）观测值残差分析。平差处理时假定观测值仅存在偶然误差。理论上，载波相位观测精度为l%周，即对L1波段信号观测误差只有2 mm。因而当偶然误差达1 cm时，应认为观测值质量存在系统误差或粗差。当残差分布中出现突然的跳变时，表明周跳未处理成功。（2）基线长度的精度。处理后基线长度中误差应在标称精度值内。本次使用的单频接收机的基线长度标称精度为5±1 ppm·D（km），对于20 km以内的短基线，单频数据通过差分处理可有效地消除电离层影响，从而确保相对定位结果的精度。（3）基线向量环闭合差的计算及检核。由同时段的若干基线向量组成的同步环和不同时段的若干基线向量组成的异步环，其闭合差应能满足相应等级的精度要求。其闭合差值应小于相应等级的限差值。基线向量检核合格后，便可进行基线向量网的平差计算（以解算的基线向量作为观测值进行无约束平差），平差后求得各GPS之间的相对坐标差值，加上基准点的坐标值，求得各GPS点的坐标。实际应用中，往往要求得各GPS点在国家坐标系中的坐标值。为此；还需要进行坐标转换，将GPS点的坐标值转换为国家坐标系坐标值。也可以将GPS网与地面网进行联合平差，包括固定地面网点已知坐标、边长、方位角、高程等的约束平差，坐标转换，或将GPS基线网与地面网的观测数据一并联合平差。

4.2 外业数据检核

基线向量解算完成后，要对野外观测资料首先进行复查，内容包括：成果是否符合规范和设计的要求；进行的观测数据质量分析是否符合实际；然后进行下列项目的检核。

（1）同步观测边的检核：数据剔除率，剔除的观测值个数与应获取的观测个数的比值称为数据剔除率。同一时段观测值的数据剔除率，其值小于10%

（2）重复观测边的检核：同一条基线边若观测了多个时段时，则可得到多个边长结果。这种具有多个独立观测结果的边就是重复观测边。对于重复观测边的任意两个时段的成果互差，均满足规范的要求。

（3）同步观测环检核：当环中各边为多台接收机同步观测时，由于各边是不独立的，所以其闭合差应恒为零。但由于模型误差和处理软件的内在缺陷，使得同步环的闭合差实际上仍可能不零，一般会存在很小的闭合差值，所以可把它作为成果质量的一种检核标准。同步环中第三边处理结果与前两边的代数和之差应小于下式：

（4）异步观测环检核：在整个GPS网中选取一组完全独立的基线构成独立环，各独立环的坐标分量闭合差和全长闭合差应符合下式：

式中：n为闭合环边数；σ为相应级别规定的精度。

本次控制测量的内业处理软件采用南方公司提供的随机软件《GPS数据处理软件》，解算后对外业成果质量进行检核。

闭合环最大节点数：3；闭合环总数：65；同步环总数：14；异步环总数：51。

根据同步观测边检核，其闭合差最大值为Wx=2.861 mm；

Wy=-3.736 mm；Wz=-2.149 mm；Ws=3.582 mm。

根据异步观测边检核，其闭合差最大值为Wx=-12.195 mm；Wy=-5.665 mm；Ws=16.601 mm。最弱边相对中误差最差为1∶425681。根据以上数据可得：均满足规范要求，成果可靠，满足本次勘探工程测量的需要。

5 结论

应用静态GPS进行平面控制测量，只要按规范及GPS操作规程使用，并用先进的隨机处理软件进行解算，其成果完全能满足资源勘查控制测量的要求。

参考文献

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