GPS静态控制测量应用研究

尹亚明

（津市市国土资源局 湖南常德 415400）

GPS定位技术具有不需通视、全天候、自动化、易操作、高效率等优点，适合控制网的测量，但是GPS等级点的测量对精度要求很高。经过近年来的发展，通过合适的方法，规范操作，GPS静态控制测量已经具有很高的可靠性，能达到很高的精度。本文就津市市某新建GPS等级点的静态控制测量为例介绍了GPS控制测量应注意的一些问题。

静态控制测量主要包括四个步骤：选点埋石、技术设计、静态观测、数据处理，下面将就实例分别对这四个步骤予以说明。

图1 GPS静态测量控制网布设示意图

1 选点与GPS静态测量控制网设计

新建GPS等级点建设在津市市市区北部，命名为CDJS。为量测CDJS点位坐标，共纳入5个地面基站参与联测，构建GPS控制网。在GPS静态控制测量中，CORS站点的应用能节省大量人工，且能提供高精度可靠的24h连续GPS观测数据，非常适合用于代替以往GPS静态控制测量中的人工基站，因此5个地面基站中包括4个CORS站点，分别为CDLX、LDXH、CDAX、CDSQ，一个C级GPS控制点，编号为U038。各基站均匀分布在待测点CDJS周围，各相邻基站间的距离平均约30km，网形图如图1所示。

根据设计，本GPS控制网由6个地面基站，15条独立基线构成。15条基线中，最长基线82km，最短基线24km，平均长度42km，符合国家GPS测量规范中关于控制网基线距离的要求。

2 踏勘与埋石

经现场踏勘，CDJS的埋石地点选择在津市市市区北部的经济开发区内，该区域地面压实整平过，土质稳定坚实，视野开阔，无高层建筑，视场高度角不超过15°，周边无高压电塔、微波信号站等大型干扰源，也没有强烈反射卫星信号的物体，非常适合GPS等级点的建设。

埋石的制作、埋设规格按《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T18314-2009）中的要求执行，并经历了三个月，待埋设稳定后方参与控制测量。

3 同步静态观测

CORS站点能提供质量极高的GPS同步观测数据，不需要人工摆站，能极大节约人力。因为CORS站点的应用，本次测量仅需在控制点U038和待测点CDJS上各人工架设一台GPS仪器，即可同步获取整个控制网内各基站的观测数据。这两站视野开阔，周边无大型干扰源，利于同时接收多个卫星信号。

同步观测于2018年6月12日实施，使用两台中海达GPS接收机进行。当天天气晴好，观测前，两组作业人员分三个方向量取仪器高度，并严格对中，高度量取误差与对中误差均优于3mm。为保证同步观测，提前5min开机，并延后5min关机。

在同步静态观测时，设置卫星截止高度角为15°，历元采样间隔为15s，有效观测卫星数不少于5颗，且PDOP值小于6，以保证卫星精度及分布条件。为提高观测精度，同步观测时间为510min，从早上8时2分至下午4时32分。

4 GPS控制网基线解算

五个控制点的坐标基准均为国家2000大地坐标系，高程为85高，在这一坐标基准下，以六段GPS同步观测数据联合解算基线。基线解算及后续数据处理采用中海达HGO数据处理软件进行。因为采集的同一时段的观测数据，无重复基线，采用单基线解模式（Single-BaselineMode）解算，基线解算前，需要对解算参数以及各个质量限值参数进行设置，以剔除过大粗差，平滑周跳和控制GPS观测精度，解算步骤主要分为如下几步：基线解算自检→读入星历数据→读入观测数据→三差解算→周跳修复→双差浮点修复→整周模糊度分解→双差固定解算。

基线解算完成后，首先应对基线进行精化处理。精化处理主要解决几个方面的问题：

（1）单颗卫星时段优化

某颗卫星观测时间太短，或某时段GPS观测数据有较多裂隙，或者周跳严重导致修复困难，可以删除该时段观测数据。可以根据双差分基线残差图进行时段优化，以改善基线解算质量。

（2）多路径效应优化

多路径效应严重造成精度损失时，可缩小编辑因子，以剔除残差较大的观测值，也可删除多路径效应严重的时段或卫星。

（3）电离层与对流层延时优化

当对流层、电离层折射影响过大时，可提高截止高度角，以减少易受对流层、电离层影响的低高度角观测数据，并删除影响特别严重的卫星，也可以分别采用改正模型改正对流层延迟和电离层延迟。

精化处理后，需要对每条基线进行检核，以保证GPS成果精度。检核主要包括：①RMS，指各基线坐标均方根误差，RMS越小表明观测值质量越高；②PDOP，指各基站位置精度强弱度，PDOP越小表明天空中卫星分布程度越好，定位精度越高；③RATIO，方差比，整周模糊度分解后各条基线内最大误差与最小误差的比值，RATIO越大表明整周未知数解算越可靠；④环闭合差，包括同步环与异步环，是基线解算中最重要的质量指标，独立闭合环闭合差WS和各坐标分量闭合差（应满足：，其中，σ 为基线测量中误差精度要求（a为固定误差，b为比例误差系数，D为基线长度）；⑤重复基线，反应观测数据的离散程度，重复基线的较差越小表明观测数据的可靠性越高。经检验，点位精度2mm左右，各基线分量中误差在15～20mm之间，PDOP值与RATIO值均合格，观测数据剔除率不足5%，所有同步环精度合格，无异步环和重复基线，可以进行后续平差处理。

5 GPS控制网平差

坐标基准采用国家2000大地坐标系统。先导入各地面基站的观测数据，不对控制点坐标加以约束，进行三维自由网的加权平差。平差后，对网平差的中误差进行x2-单位权方差检验和τ粗差检验。经权配置，基线标准差置信度设为3.1σ，单位权中误差比为1.1411，得到x2-检验值为34.2342，小于理论值范围，平差结果可靠；15条基线的τ检验合格，显著水平为1%，控制网内符合精度良好，各基线不存在粗差。相对误差优于1：498万，自由网平差精度见表1。

表1 三维自由网平差精度表

自由网平差合格后，利用无约束平差形成的基线向量观测值权阵，将四个CORS站和一个已知C级GPS点U038的已知坐标加入计算，进行三维约束平差。约束平差完成后同样需要进行x2-检验，以检核平差起算数据与GPS观测成果是否相容。在本工程中，三维约束平差的基线标准差置信度设为36.5σ，单位权中误差比为1.0918，得到x2-检验值为45.8544，检验合格。

精度方面，每一基线分量改正数与三维自由网平差的改正数较差均小于2σ，相对误差优于1：574万，三维约束平差精度见表2。

表2 三维约束平差精度表

6 结束语

通过对数个地面基站的同步观测数据进行的三维自由网平差和三维约束平差，我们获得了新建GPS等级点CDJS的2000坐标和正常高。对基线解算及网平差结果进行的检验说明本次成果质量可靠，精度较高。通过本实践应用，我们还发现CORS的合理利用能大大减少GPS静态控制测量对人工、仪器、时间等的要求，极大提高效率。