GPS技術(shù)在城市控制網(wǎng)建立中的應(yīng)用

1、GPS技術(shù)在城市控制網(wǎng)建立中的應(yīng)用摘要：本文闡述了衛(wèi)星定位的基本原理和數(shù)據(jù)處理的基本流程，以某城市三等控制網(wǎng)為例，采用對(duì)起算點(diǎn)進(jìn)行精度檢測(cè)和保留三維無約束平差中精度較低的短基線的數(shù)據(jù)處理策略完成了數(shù)據(jù)的處理，得出一種最優(yōu)的數(shù)據(jù)處理方案，對(duì)具體工程有指導(dǎo)價(jià)值。關(guān)鍵詞：GPS;數(shù)據(jù)處理;起算點(diǎn);三維無約束平差;基線1 引言全球定位系統(tǒng)GPS是美國(guó)國(guó)防部在總結(jié)了NNSS的優(yōu)劣之后，于上世紀(jì)70年代批準(zhǔn)研制的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)1。至上世紀(jì)90年代，GPS技術(shù)已廣泛用于大地測(cè)量、精密工程測(cè)量、地殼形變測(cè)量等高精度的精密測(cè)量領(lǐng)域。GPS技術(shù)具有定位精度高、速度快、布網(wǎng)靈活、點(diǎn)間不必通視和可全天候采集數(shù)據(jù)等

2、優(yōu)勢(shì)，不但大大降低了成本和作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且工作效率比傳統(tǒng)方法可提高35倍2。GPS控制網(wǎng)按精度和規(guī)模分為全球性或全國(guó)性的高精度GPS控制網(wǎng)和區(qū)域性的GPS控制網(wǎng)兩類，其中第二類包括各城市控制網(wǎng)、工程控制網(wǎng)和具有特定用途的獨(dú)立GPS控制網(wǎng)等。第二類GPS網(wǎng)一般用商業(yè)軟件來進(jìn)行解算。目前，比較流行的商用軟件當(dāng)屬美國(guó)天寶(Trimble)公司新推出的用于GPS靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)處理的Trimble Business Center(TBC)系列軟件。TBC軟件操作簡(jiǎn)單、解算精度高和可靠性強(qiáng)，深受我國(guó)廣大測(cè)繪工作者青睞。2 GPS定位原理GPS的定位原理就是把衛(wèi)星視為“飛行”的控制點(diǎn)，在已知其瞬

3、間坐標(biāo)（可根據(jù)衛(wèi)星軌道參數(shù)計(jì)算）的條件下，以GPS衛(wèi)星和用戶接收機(jī)天線之間的距離或距離差為觀測(cè)量，進(jìn)行空間距離后方交會(huì)，從而確定用戶接收機(jī)天線所處的位置。設(shè)想在地面待定點(diǎn)上安置GPS接收機(jī)，同一時(shí)刻接收4顆以上GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)。通過一定的方法測(cè)定這4顆以上衛(wèi)星在此瞬間的位置以及它們分別至該接收機(jī)的距離，據(jù)此可以解算出待定點(diǎn)的位置及接收機(jī)鐘差3。圖1 GPS定位原理如圖1，設(shè)時(shí)刻在測(cè)站點(diǎn)用GPS接收機(jī)同時(shí)測(cè)得點(diǎn)至四顆GPS衛(wèi)星、的距離、4，通過GPS導(dǎo)航電文可以求出四顆GPS衛(wèi)星的三維坐標(biāo)，為光速，則點(diǎn)的三維坐標(biāo)的觀測(cè)方程為：(1-1)3 GPS數(shù)據(jù)處理GPS測(cè)量數(shù)據(jù)處理可以分為觀測(cè)值的粗加

4、工、預(yù)處理、基線向量解算（相對(duì)定位處理）和GPS基線向量與地面網(wǎng)數(shù)據(jù)的聯(lián)合處理等基本步驟。3 1 GPS數(shù)據(jù)粗加工和預(yù)處理粗加工包括將接收機(jī)采集的數(shù)據(jù)通過傳輸、分流，解譯成相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件，并通過預(yù)處理將各類接收機(jī)的數(shù)據(jù)文件標(biāo)準(zhǔn)化，形成平差計(jì)算所需的文件。預(yù)處理目意在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波，剔除粗差，刪除無效無用數(shù)據(jù)；統(tǒng)一數(shù)據(jù)文件格式，將各類接收機(jī)的數(shù)據(jù)文件加工成彼此兼容的標(biāo)準(zhǔn)化文件；GPS衛(wèi)星軌道方程的標(biāo)準(zhǔn)化，一般用一多項(xiàng)式擬合觀測(cè)時(shí)段內(nèi)的星歷數(shù)據(jù)（廣播星歷或精密星歷）；診斷整周跳變點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)并恢復(fù)整周跳變，使觀測(cè)值復(fù)原；對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行各種模型改正，最常見的是大氣折射模型改正，凈化觀測(cè)值，提高觀測(cè)值的

5、“精度”。3 2 基線向量解算利用預(yù)處理后的數(shù)據(jù)求解接收機(jī)所在測(cè)站之間的相對(duì)關(guān)系量（坐標(biāo)差），提供GPS基線向量網(wǎng)平差的觀測(cè)值?；€解算可分為單基線解和多基線解兩種。單基線解，就是在基線解算時(shí)不顧及同步觀測(cè)基線間誤差相關(guān)性，對(duì)每條基線單獨(dú)進(jìn)行解算，一般只用在普通等級(jí)GPS網(wǎng)的測(cè)設(shè)中。而多基線解則顧及了同步觀測(cè)基線間的誤差相關(guān)性，在基線解算時(shí)對(duì)所有同步觀測(cè)的獨(dú)立基線一并解算，在理論上是嚴(yán)密的。其中單基線解算的過程見圖2。圖2 單基線解算的過程基線解算完成后還需作結(jié)果的質(zhì)量評(píng)定，主要包括單位權(quán)方差因子、RMS（均方根誤差）、數(shù)據(jù)刪除率、RATIO、同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差、重復(fù)基線較(互)差4。

6、3 3 基線向量網(wǎng)平差首先在WGS-84坐標(biāo)系下進(jìn)行三維無約束平差，以評(píng)定GPS網(wǎng)的內(nèi)部符合精度，發(fā)現(xiàn)和剔除GPS觀測(cè)值中可能存在的粗差，同時(shí)得到GPS網(wǎng)中各個(gè)點(diǎn)的三維空間直角坐標(biāo)；然后再實(shí)用基準(zhǔn)下進(jìn)行三維或二維的約束平差，確定各個(gè)網(wǎng)點(diǎn)在所需坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。有時(shí)也可作聯(lián)合平差。平差后要作質(zhì)量評(píng)定，包括相鄰點(diǎn)距離中誤差、單位權(quán)方差的檢驗(yàn)、基線改正數(shù)的檢驗(yàn)、已知坐標(biāo)的檢驗(yàn)。4 實(shí)例分析4.1 工程概況某市屬于山地和丘陵地，網(wǎng)點(diǎn)總數(shù)96個(gè)，新布設(shè)GPS控制點(diǎn)80個(gè)，其中包括31個(gè)保存完好的原有平面控制點(diǎn)，網(wǎng)中最長(zhǎng)邊7.632，最短邊1.201，平均邊長(zhǎng)2.95，控制面積約620。起算數(shù)據(jù)為1980西

7、安坐標(biāo)系下的國(guó)家二等三角點(diǎn)GPS01、GPS02、GPS03和GPS04，中央子午線為120°。采用四臺(tái)Trimble 5700 GPS接收機(jī)進(jìn)行靜態(tài)相對(duì)定位，時(shí)段長(zhǎng)60min5,PDOP6，GDOP8，平均重復(fù)設(shè)站數(shù)為2.5，2013年7月15-7月29日完成數(shù)據(jù)采集。采用TBC軟件觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。4.2 基線成果分析基線解算精度統(tǒng)計(jì)：(1)最小同步環(huán)閉合差為0，環(huán)號(hào)為GPS96-94-93-96；最大步環(huán)閉合差為號(hào)為GPS12-GPS11-GPS16-GPS12，滿足5的精度要求。(1)最小閉合差為0，閉合差為0的有3個(gè)異步環(huán)；最大閉合差為5.58，環(huán)號(hào)為GPS22-GPS32

8、-GPS33-GPS22，該環(huán)平均邊長(zhǎng)為，相對(duì)閉合差允許值為10.96。(3)最小復(fù)測(cè)基線較差為-0.293；最大復(fù)測(cè)基線較差為8.147，基線號(hào)為GPS05-GPS06，該基線邊長(zhǎng)，較差允許值為，相對(duì)閉合差允許值為22.99。4.3 三維無約束平差成果分析網(wǎng)中總基線數(shù)為230條，基線向量改正數(shù)詳見表1，基線相對(duì)精度統(tǒng)計(jì)詳見表2。表1 基線向量改正數(shù)精度統(tǒng)計(jì)表基線向量改正數(shù)誤差區(qū)間()0-11-22-33-4 個(gè)數(shù)，百分比225，97.7%5，2.3%0，0.0%0，0.0% 個(gè)數(shù)，百分比215，92.1%12，5.6%4，1.8%1，0.5% 個(gè)數(shù)，百分比209，89.3%18，8.4%5，

9、2.3%0，0.0%表2 基線相對(duì)精度統(tǒng)計(jì)統(tǒng)計(jì)表誤差區(qū)間()1/10萬-1/20萬1/20萬-1/50萬1/50萬-個(gè)數(shù)，百分比4，1.9%25，11.6%201，86.5%最弱邊為，其相對(duì)精度為1/129400，完全滿足精度要求。最弱點(diǎn)為GPS13點(diǎn)，其點(diǎn)位中誤差為1.58cm；最優(yōu)點(diǎn)為GPS76號(hào)點(diǎn)，其點(diǎn)位中誤差為0.69cm。剔除GPS43-GPS42和GPS30-28兩條最弱(短邊)基線后，最弱邊變?yōu)镚PS52-GPS55，其相對(duì)精度為l/192678；最弱點(diǎn)仍為GPS13點(diǎn)，其點(diǎn)位中誤差為1.57cm；最優(yōu)點(diǎn)仍為76號(hào)點(diǎn)，其點(diǎn)位0.67cm。由此可見，剔除兩條最弱基線后，最弱邊和最弱

10、點(diǎn)的精度均有所提高。4.4 二維約束平差(1)平差方案方案1：以GPS01、GPS02、GPS03、GPS04為起算點(diǎn)，采用230條基線成果，在1980西安坐標(biāo)系下進(jìn)行二維約束平差計(jì)算。方案2：對(duì)國(guó)家二等三角點(diǎn)進(jìn)行精度檢驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)GPS04精度較低，故將其舍掉。以GPS01、GPS02、GPS03為起算點(diǎn)，采用230條基線成果，在1980西安坐標(biāo)系下進(jìn)行二維約束平差計(jì)算。方案3：以GPS01、GPS02、GPS03為起算點(diǎn)，采用剔除GPS43-GPS42和GPS30-GPS28兩條在三維無約束平差中的最弱基線后剩余的228條基線成果，在1980西安坐標(biāo)系下進(jìn)行二維約束平差計(jì)算。（2）精度分析二

11、維約束平差后各種精度統(tǒng)計(jì)詳見表3表3 二維約束平差后各種精度統(tǒng)計(jì)表分類統(tǒng)計(jì)方案1方案2方案3單位權(quán)中誤差（cm）1.001.041.04最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差（cm）1.361.111.11最弱點(diǎn)點(diǎn)號(hào)646464最弱邊相對(duì)中誤差1/1680301/2146591/214224最弱邊邊號(hào)GPS12-GPS07GPS12-GPS07GPS12-GPS07本次GPS控制網(wǎng)的坐標(biāo)成果與2005年施測(cè)的GPS控制網(wǎng)成果進(jìn)行比較，重合點(diǎn)的坐標(biāo)差值95%都在1cm之內(nèi)，最大差值的絕對(duì)值為4.2cm，最大差值點(diǎn)為GPS85，是一個(gè)雙錐標(biāo)控制點(diǎn)，觀測(cè)時(shí)必須將標(biāo)石中心投影到鋼標(biāo)基板上，投影誤差和鋼標(biāo)的晃動(dòng)會(huì)對(duì)精度產(chǎn)生一些影響。最終選用方案2計(jì)算1980西安坐標(biāo)系成果。5 結(jié)論通過某市三等GPS控制網(wǎng)的建立和數(shù)據(jù)處理得到如下結(jié)論：(1)與傳統(tǒng)的大地測(cè)量方法相比，GPS技術(shù)在建立控制網(wǎng)方面具有極大的挑戰(zhàn)性。隨著GPS和GLONASS系統(tǒng)的現(xiàn)代化、GALILEO計(jì)劃的不斷實(shí)施以及我國(guó)北斗系統(tǒng)由亞太地區(qū)逐步擴(kuò)展到全球，GPS技術(shù)有望淘汰傳統(tǒng)的測(cè)量方法。(2)GPS控制網(wǎng)中剔除最弱基線后，最弱邊和最弱點(diǎn)的精度均有不同程度的提高。(3)起算數(shù)據(jù)的兼容性分析，是GPS數(shù)據(jù)必不可少的環(huán)節(jié)，必須嚴(yán)格執(zhí)行，否則會(huì)對(duì)成果的造成一