GPS在城市地籍测量中的应用

郝东宏 郝东伟

【摘 要】简述了全球定位系统GPS的基本结构和测量原理，总结了GPS用于城市地籍测量和城市测量控制网所具有的特点，介绍了GPS在地籍测量中的应用实例。

【关键词】GPS 地籍测量 测量控制网 精度

中图分类号：G4 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2014.11.191

全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS）是美国从20世纪70年代开始研制的用于军事部门的新一代卫星导航与定位系统，历时20年，耗资200多亿美元，分三阶段研制，陆续投入使用，并于1994年全面建成。GPS是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统，它具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能，而且具有良好的抗干扰性和保密性。因此，GPS技术率先在大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测量、城市测量等测绘领域得到了应用，并在军事、交通、通信、资源、管理等领域展开了研究并得到广泛应用。

1 GPS简介

1.1 GPS构成

GPS主要由空间卫星星座、地面监控站及用户设备三部分构成。

（1）GPS空间卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫）星组成。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道平面的倾角为55°，卫星的平均高度为20 200 km，运行周期为11 h 58 min。卫星用L波段的两个无线电载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号，导航定位信号中含有卫星的位置信息，使卫星成为一个动态的已知点。在地球的任何地点、任何时刻，在高度角15°以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达到9颗。

（2）GPS地面监控站主要由分布在全球的一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。主控站根据各监 测站对GPS卫星的观测数据，计算各卫星的轨道参数、钟差参数等，并将这些数据编制成导航电文，传送到注入站，再由注入站将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器中。

（3）GPS用户设备由GPS接收机、数据处理软件及其终端设备（如计算机）等组成。GPS接收机可捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，跟踪卫星的运行，并对信号进行交换、放大和处理，再通过计算机和相应软件，经基线解算、网平差，求出GPS接收机中心（测站点）的三维坐标。

1.2 GPS的工作原理

GPS系统是一种采用后方距离交会法的卫星导航定位系统。在需要测量的位置架设GPS接收机，在某一时刻同时接收了4颗以上的GPS卫星所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离，同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置（三维坐标）。从而用距离交会的方法求得测量点的三维坐标（X，Y，Z）。

1.3 GPS测量的特点

相对于常规测量来说，GPS测量主要有以下特点：①测量精度高。GPS观测的精度明显高于一般常规测量，在小于50 km的基线上，其相对定位精度可达1×10-6，在大于1 000 km的基线上可达1×10-8。②测站间无需通视。GPS测量不需要测站间相互通视，可根据实际需要确定点位，使得选点工作更加灵活方便。③观测时间短。随着GPS测量技术的不断完善，软件的不断更新，在进行GPS测量时，静态相对定位每站仅需20 min左右，动态相对定位仅需几秒钟。④仪器操作简便。目前GPS接收机自动化程度越来越高，操作智能化，观测人员只需对中、整平、量取天线高及开机后设定参数，接收机即可进行自动观测和记录。⑤全天候作业。GPS卫星数目多，且分布均匀，可保证在任何时间、任何地点连续进行观测，一般不受天气状况的影响。⑥提供三维坐标。GPS测量可同时精确测定测站点的三维坐标，其高程精度已可满足四等水准测量的要求。

2 GPS测量技术设计

GPS测量技术设计是进行GPS定位的最基本性工作，它的依据国家有关规范及GPS网的用途、用户的要求等对测量工作的网形、精度及基准等的具体设计。

2.1 GPS网技术设计的依据

GPS网技术设计的依据是GPS测量规范和测控任务书。

2.1.1 GPS测量规范

GPS测量规范是国家测绘管理部门或行业部门制定的技术法规。

2.1.2 测量任务书

测量任务书或测量施工单位上级主管部门或合同甲方下达的技术要求文件。这种技术文件是指令性的，它规定了测量任务的范围、目的、精度和密度要求，提交成果资料的项目和时间，完成的经济指标等。在GPS方案设计时，一般首先依据任务书提出的GPS网的精度、密度和经济指标，再结合规范规定并现场踏勘具体确定各点的连接方法，各点设站观测的次数、时间长短等部网观测方案。

2.2 GPS网的精度、密度设计

2.2.1 GPS测量精度标准及分类

对于各类GPS网的精度设计主要取决于网的用途。用于城市地籍测量的GPS控制网可根据相邻点的平均距离和精度参照《规范》中的二、三、四等和一、二、级见表1

2.2.2GPS测量控制网布设

在实际工作中，精度标准的规定要根据用户的实际需要及人力、物力、财力情况合理设计，也可参照本部门已有的生产规程和作业经验适当掌握。在具体布设中，可以分级布设，也可以越级布设，或布设同级全面网。在实际布网设计时还要注意以下几点：① GPS网的点与点之间尽管不要求通视，但是考虑到利用常规测量加密的需要，每点应有一个以上的通视方向。② 為了顾客及原城市测绘成果资料以及各种大比例尺地形图的沿用，应采用原有城市坐标系统。对凡GPS网点要求的旧点，应充分利用其标石。③ GPS网必须由非同步独立观测边构成若干个闭合环或复合线路。

3 应用实例

简介了本地区GPS四等平面控制网的优化设计方案与施测结果，并得出使用GPS建网比使用全站仪建网具有效率高、费用省的结论。

3.1测区概况

海城市为比较发达的地区，海城河缓延曲折从城市中间穿过。河岸多为含沙泥，间有风化、半风化岩石。两岸大量种植玉米、黄豆、及各种经济果林，植被茂盛，通视不良。资料表明，测区Ⅱ等以上国家控制点大部份已遭毁坏，仅存Ⅱ等以上控制点两点，Ⅰ级控制点一点，而且现存控制点的分布并不理想。其中“老尖岭”位于河道中段偏下游北岸4公里开外的土岭顶上。“三棵岭”位于河道中段南岸1公里开外的山岭上。其中“三棵岭”为Ⅱ等国家控制点，“老尖岭”为Ⅱ等国家控制点。另一个Ⅰ级控点位于河道下游南岸边的仔站山顶上如图1所示：

3.2控制网的优化布设

根据任务要求，四等和一级导线控制网均沿河岸布设。很明显，一级导线网沿河布设成附合导线最为经济合理，而且能保證精度，关键在于四等网的布设，首先考虑一级网对四等网的要求。一级导线总长限制在10公里以内。因此，对于四等点来说，沿河布设间隔不能超过10公里。其次，考虑附合导线与起算边至少有一头需测连接角（一级导线边长较短，数量较多，拟采用全站仪施测）。故沿河四等点的边长也不能太长，否则观测连接角时通视将成问题。经以上分析，四等控制网的网形设计按测边网进行，布设时有如下3种方案：①各短边与S1-S2（Ⅱ等己知边）组成独立的大地四边形；②各短边与两个Ⅲ等点S1、S2组成一大一小的两个三边形，各三边形之间联测一条边；③前两种方案的结合。

第一种方案中，控制网图形强度好，有利于精度条件的满足。但由于各短边被分成若干个独立网，各网间缺少联系，不利于整个四等网各控制点之间点位精度的一致。容易造成一级附合导线网出现较大的方位角闭合差和坐标闭合差。

第二种方案中，整个控制网连成一体，点位精度均匀。但因为短边与已知边之间缺少一条加强边，使得每一条短边产生一个图形极差的三边形，严重影响了整体精度的提高。

第三种方案则优于前两种方案。

控制网的优化设计采用计算机辅助分析计算。按照S86T型GPS接收机静态测距 精度±2.5mm+1ppm作为估算依据。计算测边网各控制点点位误差。三种网形估算的精度如表1：

从以上估算的结果来看，三种网形的点位误差均满足设计精度要求。第三种方案估算明显较高，第二种方案稍差。而第一种方案并没有出现前面分析的精度明显不均匀的情况，原因在于图形较好。该方案比第三方案测站数少，而比第二方案设站集中，综合各种因素，决定按第一种方案，多形布设测量。

3.3外业观测

外业采用S86T型GPS接收机测量（该机为广州南方测绘仪器公司生产，主机采用美国天宝公司接收板，该主板拥有先进的PAC与VISION技术，能够利用信号的特性建模来识别多路径反射影响，配合南方独有的四馈点接收天线、严格的电子屏蔽和特殊的内部构造设计来实现对多路径干扰的抑制。再加上主板采用的长距离解算模型，可以达到超长的作业效果。数据存储器为主机自带内存128M。技术指标为220通道，静态测距平面精度为：±2.5mm+1ppm，静态测距高程精度为：± 5mm+1ppm），打开主机电源，注意观察监控窗口中的信息，包括空间位置精度因子HDOP或PDOP、各通道的信噪比和跟踪状态（模式）。各种观测指标符合条件后，按F2键进入数据采集状态，输入测站名、当天同步观测时段（注意不能重复，否则覆盖上个时段数据）和天线高度，进入采集状态。数据采集完毕时，关闭主机电源，整理现场记录，撤站。

3.4观测数据的后处理

3.4.1观测数据的传输

把观测数据传输到计算机上处理。将主机与微机联接好，建立工程项目任务（子目录）后，打开主机，进入文件管理界面，将外业采集的数据拷贝到电脑中。并将数据导入到南方GNSS数据解算软件中。

3.4.2基线向量处理

GPS接收机所接收的信息（观测量）为伪距、载波相位差及星历数据。要得到两测站间的基线向量（相当于两站天线间的直线距离），必须对GPS接收机信息进行计算处理。基线解算的过程如下：首先作三差解算，求未知数的初始值；接着进行周跳修复，求取双差浮动解；寻找整周固定未知数（模糊度）并进行探查修复；最后求出双差固定解（若未找到可靠模糊度，则求出双差浮动解）。由于受GPS接收机本身的限制，存在卫星与接收机之间的时钟误差和卫星轨道误差。另外，卫星信号的传播也受到电离层、对流层及多路径等环境影响，致使观测的质量降低。因此，在基线向量解算时，需要对观测数据有针对性地进行取舍，以满足具体条件下基线向量解算成果的质量。如修改历元间隔、起始历元、历元总数、卫星高度角、方差因子、有效历元等。

基线向量处理是GPS数据当中重要的一环，基线向量成果的好坏直接影响后续网平差成果质量，需要认真对待。南方测绘仪器公司的基线解算软件具有较强的解算能力，界面也相当友好，GPS四等平面控制网基线解算成果如表2：

3.4.3网平差处理

基线向量解算后即可进行网平差处理。首先对基线进行组网，即选择参加平差的基线向量，然后定义坐标系统，输入中央经线值，输入已知固定点坐标，选定起算基准点，运行平差程序。程序提供了自由网平差、三维约束平差、二维约束平差和高程拟合几种功能。考虑GPS对高程的观测精度尚不能满足四等以上技术要求，我们选择了二维约束平差，运行程序结果如表3：

3.4.4GPS与常规导线布测方法功能比较

GPS定位系统采用微波建立与卫星的空间关系，从而达到测距目的，因而不受通视及气象因素的影响。观测距离可达30km甚至更远，与全站仪相比，GPS的这些优势可免去大量的中间地面观测。以本次测量为例，由于测区已知控制点少，以全站仪沿河布置60km一级导线并与已知点构成足够的导线网，中间至少需多测近100km长导线，多花时间20天。经初步估算，本次测量中GPS与全站仪相比，效率高2～3倍，费用仅占全站仪的1/5左右。

4 结束语

城市地籍测绘是城市各项社会和经济建设的基础，而整个城市控制网就是最根本的保障。原上世纪七十年代以前国家建立了覆盖全国的大地控制，但是由于年代久远，保存下来的控制点已不多，近几年来经济的快速发展，更将城市测绘推入高速发展时期，因而建立新的城市控制网就是必须的工作。在城市控制网建立采用GPS定位方法，可以减少大量的人力物力，并可以提高效率，大幅提高测量精度。通过GPS在测量中的应用，得到如下体会。①GPS控制网选点灵活，布网方便，基本不受通视、网形的限制，特别是在地形复杂、通视困难的测区，更显其优越性。但由于测区条件较差，边长较短（平均边长不到300 m），基线相对精度较低，个别边长相对精度大于1/10 000。因此，当精度要求较高时，应避免短边，无法避免时，要谨慎观测。②GPS接收机观测基本实现了自动化、智能化，且观测时间在不断减少，大大降低了作业强度，观测质量主要受观测时卫星的空间分布和卫星信号的质量影响。但由于各别点的选定受地形条件限制，造成树木遮挡，影响对卫星的观测及信号的质量，经重测后通过。因此，应严格按有关要求选点，择最佳时段观测，并注意手机、步话机等设备的使用。③GPS测量的数据传输和处理采用随机软件完成，只要保证接收卫星信号的质量和已知数据的数量、精度，即可方便地求出符合精度要求的控制点三维坐标。但由于联测已知高程点较少（仅联测5个），致使的控制点高程精度较低。因此，要保证控制点高程的精度，必须联测足够的已知高程点。

参考文献

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[2]周忠谟，易杰军，周琪：《GPS卫星测量原理与应用》，2006年修订版

[3] 魏二虎 黄劲松《 GPS测绘》武汉大学出版社 2002年

[4]邓中卫：《GPS技术、应用与市场》，航空工业出版社，2012年