GPS控制網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì)

1、GPS控制網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì)【摘要】討論GPS控制網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的一般原則和圖形設(shè)計(jì)，結(jié)論認(rèn)為：傳統(tǒng)的控制測(cè)量方法將被GPS技術(shù)所取代。【關(guān)鍵詞】GPS 控制網(wǎng) 技術(shù)設(shè)計(jì)原則 圖形設(shè)計(jì)1 引言GPS是英文Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System的字頭縮寫詞NAVSTAR/GPS的簡(jiǎn)稱。它的含義是：利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)時(shí)和測(cè)距，以構(gòu)成全球定位系統(tǒng)。GPS具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的精密三維導(dǎo)航與定位功能，而且具有良好的抗干擾性和保密性。因此，GPS技術(shù)在大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量、海洋測(cè)量、城市測(cè)

2、量等測(cè)繪領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，本文根據(jù)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)介紹GPS控制網(wǎng)在工程測(cè)量中的布設(shè)方法，以供大家參考。2 技術(shù)設(shè)計(jì)的一般原則建立城市或其它局部性GPS控制網(wǎng)是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性工作，而技術(shù)設(shè)計(jì)則是建立GPS網(wǎng)的第一步，是保證GPS網(wǎng)能夠滿足經(jīng)濟(jì)建設(shè)需要，并保證GPS成果質(zhì)量可靠的關(guān)鍵性工作。因此，必須科學(xué)地、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)刈骱眠@一工作。GPS網(wǎng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的一般原則包括以下幾個(gè)方面。2.1 充分考慮建立GPS控制網(wǎng)的應(yīng)用范圍對(duì)于工程建設(shè)的GPS網(wǎng)，應(yīng)該既考慮勘測(cè)設(shè)計(jì)階段的需要，又要考慮施工放樣等階段的需要。對(duì)于城市GPS控制，既要考慮近期建設(shè)和規(guī)劃的需要；又要考慮遠(yuǎn)期發(fā)展的需要；還可以根據(jù)具體情況擴(kuò)展G

3、PS控制網(wǎng)的功能，充分發(fā)揮GPS網(wǎng)和測(cè)繪工作在城市建設(shè)中的作用。2.2 采用分級(jí)布網(wǎng)的方案適當(dāng)?shù)胤旨?jí)布設(shè)GPS網(wǎng)，有利于根據(jù)測(cè)區(qū)的近期需要和遠(yuǎn)期發(fā)展分階段布設(shè)，而且可以使全網(wǎng)的結(jié)構(gòu)呈長(zhǎng)短邊相結(jié)合的形式。與全網(wǎng)均由短邊構(gòu)成的全面網(wǎng)相比，可以減少網(wǎng)的邊緣處誤差的積累，也便于GPS網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理和成果檢核分階段進(jìn)行。分級(jí)布網(wǎng)是建立常規(guī)測(cè)量控制網(wǎng)的基本方法，因?yàn)镚PS測(cè)量有許多優(yōu)越性，所以并不要求GPS網(wǎng)按常規(guī)控制網(wǎng)分很多等級(jí)布設(shè)。例如，大城市的GPS控制網(wǎng)可以為三級(jí)：首級(jí)網(wǎng)中相鄰點(diǎn)的平均距離大于5km；次級(jí)網(wǎng)中相鄰點(diǎn)平均距離為15km；三級(jí)網(wǎng)相鄰點(diǎn)平均距離可小于1km，且可采用GPS與全站儀相結(jié)合的方

4、法布設(shè)。對(duì)于小城市，分兩級(jí)布設(shè)GPS網(wǎng)即可。為提高GPS網(wǎng)的可靠性，各級(jí)GPS網(wǎng)必須布設(shè)成由獨(dú)立的GPS基線向量邊（或簡(jiǎn)稱為GPS邊）構(gòu)成的閉合圖形網(wǎng)，閉合圖形可以是三邊形、四邊形或多邊形，也可以包含一些附和路線，GPS網(wǎng)中不允許存在支線。2.3 GPS測(cè)量的精度標(biāo)準(zhǔn)GPS測(cè)量的精度標(biāo)準(zhǔn)通常用網(wǎng)中相鄰點(diǎn)之間的距離中誤差表示，其形式為：式中：距離中誤差（mm）；a固定誤差（mm）；b比例誤差系數(shù)（ppm）；d相鄰點(diǎn)的距離（km）。2001年實(shí)施的“全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范”將GPS的測(cè)量精度分為AAE六級(jí)（見表1）。其中AA、A、B三級(jí)是國家GPS控制網(wǎng)，C級(jí)主要用于大、中城市及工程測(cè)量的

5、基本控制網(wǎng)，D、E級(jí)主要用于中、小城市、城鎮(zhèn)及測(cè)圖、勘測(cè)、建筑施工等控制測(cè)量。 項(xiàng)目AAABCDE固定誤差a（mm）358101010比例誤差系數(shù)b（ppm）0.010.1151020相鄰點(diǎn)最小距離（km）30010023421相鄰點(diǎn)最大距離（km）300090021036208相鄰點(diǎn)平均距離（km）10003007010155100.25 表1在GPS網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)測(cè)區(qū)大小，GPS網(wǎng)的用途，來設(shè)計(jì)網(wǎng)的等級(jí)和精度標(biāo)準(zhǔn)。2.4 坐標(biāo)系統(tǒng)與起算數(shù)據(jù)GPS測(cè)量得到的是GPS基線向量，是屬于WGS84坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)差，而我們需要得到的是屬于國家坐標(biāo)系或地方獨(dú)立坐標(biāo)系的坐標(biāo)

6、。為此，在GPS網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì)中，必須說明GPS網(wǎng)的成果所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)和起算數(shù)據(jù)，也就是說明GPS網(wǎng)所采用的基準(zhǔn)。GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)與常規(guī)控制網(wǎng)的基準(zhǔn)類似，包括位置基準(zhǔn)、方位基準(zhǔn)和尺度基準(zhǔn)。當(dāng)測(cè)區(qū)有舊的地面控制點(diǎn)成果時(shí)，應(yīng)既考慮充分利用舊資料，又要使新建的高精度GPS控制網(wǎng)不受舊資料精度較低的影響。為此，應(yīng)將新的GPS網(wǎng)與舊控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，聯(lián)測(cè)點(diǎn)一般不應(yīng)少于2個(gè)。GPS網(wǎng)的坐標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)盡量與測(cè)區(qū)過去采用的坐標(biāo)系統(tǒng)一致，如果采用的是地方獨(dú)立坐標(biāo)系，一般應(yīng)該了解以下幾個(gè)參數(shù)：a.所采用的參考橢球體，一般是以國家坐標(biāo)系的參考橢球?yàn)榛A(chǔ)；b.坐標(biāo)系的中央子午線的精度值；c.縱、橫坐標(biāo)的加常數(shù)；d.坐標(biāo)系的投

7、影面高程及測(cè)區(qū)平均高程異常值；e.起算點(diǎn)的坐標(biāo)。GPS網(wǎng)的位置基準(zhǔn)，通常都是由給定的起算點(diǎn)坐標(biāo)確定。方位基準(zhǔn)可以通過給定起算方位角值確定，也可以由GPS基線向量的方位作為方位基準(zhǔn)，尺度基準(zhǔn)可以由地面的電磁波測(cè)距邊確定，或由兩個(gè)以上的起算點(diǎn)之間的距離確定，也可以由GPS基線向量的距離確定。2.5 GPS點(diǎn)的高程為了得到GPS點(diǎn)的正常高，應(yīng)使一定數(shù)量的GPS點(diǎn)與水準(zhǔn)點(diǎn)重合，或者對(duì)部分GPS點(diǎn)聯(lián)測(cè)水準(zhǔn)。為了便于進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，且便于進(jìn)行GPS觀測(cè)，提高GPS作業(yè)效率，GPS點(diǎn)一般應(yīng)設(shè)在交通方便的地方。3 GPS控制網(wǎng)的圖形設(shè)計(jì)網(wǎng)的圖形設(shè)計(jì)主要是根據(jù)網(wǎng)的用途和用戶要求，側(cè)重考慮如何保證和檢核GPS數(shù)據(jù)質(zhì)

8、量；同時(shí)還要考慮接收機(jī)類型、數(shù)量和經(jīng)費(fèi)、時(shí)間、人力及后勤保障條件等因素，以期在滿足要求的前提條件下，取得最佳的效益。3.1 設(shè)計(jì)的一般原則（1）GPS網(wǎng)一般應(yīng)采用由獨(dú)立觀測(cè)邊構(gòu)成的閉合圖形。例如三角形、多邊形或附和線路，以構(gòu)成檢核條件，提高網(wǎng)的可靠性。（2）GPS網(wǎng)點(diǎn)盡量與原有的地面控制網(wǎng)點(diǎn)相重合。重合點(diǎn)數(shù)應(yīng)多于3個(gè)，以便可靠地確定GPS網(wǎng)與地面網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。（3）GPS網(wǎng)點(diǎn)應(yīng)考慮與水準(zhǔn)點(diǎn)相重合，而非重合點(diǎn)一般應(yīng)根據(jù)要求以水準(zhǔn)測(cè)量方法進(jìn)行聯(lián)測(cè)。（4）為便于觀測(cè)和水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，GPS網(wǎng)點(diǎn)一般應(yīng)設(shè)在視野開闊和交通方便的地方。（5）為了便于用常規(guī)方法聯(lián)測(cè)或擴(kuò)展，C、D、E級(jí)控制網(wǎng)點(diǎn)應(yīng)有12個(gè)方向通視

9、。3.2 GPS網(wǎng)的基本形式根據(jù)GPS測(cè)量的不同用途，GPS網(wǎng)的幾何圖形結(jié)構(gòu)，有以下三種形式。（1）三角形網(wǎng)如圖1所示。圖中各三角形邊是由非同步觀測(cè)的獨(dú)立邊所組成。這種網(wǎng)的幾何圖形結(jié)構(gòu)強(qiáng)，具有良好的自檢能力，能有效地發(fā)現(xiàn)觀測(cè)成果的粗差，確保網(wǎng)的可靠性。經(jīng)平差后網(wǎng)中相鄰點(diǎn)間基線向量的精度分布均勻。圖1 GPS三角網(wǎng)這種網(wǎng)的主要缺點(diǎn)是觀測(cè)工作量較大，尤其當(dāng)接收機(jī)的數(shù)量較少時(shí)，將使觀測(cè)工作的時(shí)間大為延長(zhǎng)。因此，通常只有當(dāng)網(wǎng)的可靠性和精度要求較高時(shí)，才單獨(dú)采用這種圖形結(jié)構(gòu)的網(wǎng)。（2）環(huán)形網(wǎng)由若干個(gè)含有多條獨(dú)立觀測(cè)邊的閉合環(huán)所組成的網(wǎng)，稱為環(huán)形網(wǎng)，如圖2所示。這種網(wǎng)的圖形結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較三角網(wǎng)差，其優(yōu)點(diǎn)是觀測(cè)

10、工作量較小，具有較好的自檢性和可靠性。其缺點(diǎn)主要是非直接觀測(cè)的基線邊（或稱間接邊）精度較直接觀測(cè)邊低，相鄰點(diǎn)間的基線精度分布不均勻。由于環(huán)形網(wǎng)的自檢能力和可靠性與閉合環(huán)中所含基線邊的數(shù)量有關(guān)，所以，一般根據(jù)網(wǎng)的精度要求，規(guī)定閉合環(huán)中包含的基線邊的數(shù)量。表2是相應(yīng)于表1所列精度要求所提出的規(guī)定。 類級(jí)ABC閉合環(huán)中的邊數(shù)81012 表2 閉合環(huán)基線邊數(shù)的限值三角網(wǎng)和環(huán)形網(wǎng)是大地測(cè)量和精密工程測(cè)量普遍采用的兩種基本圖形。通常，根據(jù)實(shí)際情況往往采用上述兩種圖形的混合網(wǎng)形。圖2 GPS環(huán)形網(wǎng)（3）附和線路和星形網(wǎng)在GPS高級(jí)網(wǎng)中需進(jìn)一步加密控制點(diǎn)時(shí)，可采用附和線路，如圖3所示。為保證可靠性和精度，附和線路所包含的邊數(shù)也不能超過一定限制。圖3 附合線路星形網(wǎng)的幾何圖形如圖4所示。其圖形簡(jiǎn)單，直接觀測(cè)邊之間不構(gòu)成任何閉合圖形，所以檢驗(yàn)和發(fā)現(xiàn)粗差的能力差。這種圖形的主要優(yōu)點(diǎn)是觀測(cè)中只需要兩臺(tái)GPS接收機(jī)，作業(yè)簡(jiǎn)單。它廣泛地應(yīng)用于工程測(cè)量、邊界測(cè)量、地