畢業(yè)論文-11GPS定位測量質(zhì)量控制與分析

z§2.9GPS定位測量質(zhì)量控制與分析GPS定位技術由于其方便靈活，精確度和自動化程度高、速度快，在測繪生產(chǎn)實踐中以得到廣泛的應用。但就我國現(xiàn)階段看，因定位衛(wèi)星系統(tǒng)一般采用的是美國的GPS衛(wèi)星系統(tǒng)，接收設備和解算軟件多數(shù)也為美國的，而我國又是非協(xié)議國家，一般只能接受廣播星歷，無法接受精密歷，同時工作中還受制美國SA政策的影響，此外美國GPS衛(wèi)星系統(tǒng)采用的是WGS-84坐標系為橫軸墨卡托坐標與我國采用的高斯投影坐標也是絕然不同，因此其出現(xiàn)了各種各樣的亟待解決的問題也是不言而愈。由于生產(chǎn)單位，可以看到的國內(nèi)外資料都很有限，尚且未見有對GPS測量的整個生產(chǎn)流程，從野外數(shù)據(jù)的采集到觀測數(shù)據(jù)的測后處理都進行分析研究的規(guī)范資料。所以GPS測量中對質(zhì)量的控制，一般主要執(zhí)行現(xiàn)行規(guī)范的要求，我們這方面工作主要是按以下幾個要點來掌握，較好保證使用要求。2.外業(yè)質(zhì)量控制GPS控制網(wǎng)質(zhì)量控制，一般我們是按已知點、外業(yè)觀測成果和內(nèi)業(yè)處理三階段來進行的，以下作具體分析。2.1GPS測量的網(wǎng)設計GPS測量的網(wǎng)設計雖然不像常規(guī)測量的網(wǎng)設計那樣，需要考慮點的通視、邊的相似、觀測角的大小等眾多因素，它的網(wǎng)設計很靈活方便，但這并不是說GPS測量的網(wǎng)不用設計、它可以隨意地連線成網(wǎng)，它同樣也需要考慮很多綜合因素。GPS測量的網(wǎng)設計，在嚴格遵守GPS測量規(guī)范的基礎上，要注意的是：采用單頻接收機觀測時，基線邊長最好不超過20KM；布網(wǎng)方式有邊連式、點連式、邊點結合形式、極坐標形式、導線形式等，一般等級網(wǎng)應采用邊連式全面網(wǎng)為佳，其次才是邊點結合形式，點連式和極坐標形式等級網(wǎng)不宜采用；導線形式一般用在狹長地帶如路線勘察等；點連式和極坐標形式一般用于圖根控制，則根據(jù)具體情況采用最佳形式。（3）異步環(huán)中相鄰兩很近的點要進行同步觀測。例如圖1，圖中所示為一異步環(huán)。點4和點9相對其他基線邊相距很近，假設小于1KM，為了保證全網(wǎng)精度，點4和點9必須進行同步觀測。因為若點4和點9均有1cm的點位中誤差，則4-9邊長中誤差為cm。4-9的相對中誤差大于=14ppm×D，即3-8的相對精度很低。因此說，若點4和點9不進行同步觀測，勢必影響整個GPS網(wǎng)的相對精度。（4）在已知成果中，有時會有天文方位角、電磁波測距等其他常規(guī)測量成果，布網(wǎng)時，如果已知點的數(shù)量和質(zhì)量都符合要求，不必強求使用這些成果；應用常規(guī)測量成果時，因其精度相差很大，平差前先驗權不容易準確設定，平差時后驗權即使給的很大，也是一種假象，不準確，作固定值處理更不合理。因此應用該類成果有可能破壞GPS精度，則必須認真分析選用。2.2GPS測量的觀測GPS測量的觀測工作與常規(guī)測量相比，操作簡單，自動化程度很高。但要求獲得良好的外業(yè)成果，必須在GPS測量規(guī)范的指導下，注意以下問題：（1）接收機、天線、電纜、電池能否正常工作。溫差大的高溫高濕天氣，天線密封不好可能進水。如果進水，反映在觀測中信噪比變小，甚至小于3。因此一定注意清除潮氣，以免影響觀測精度。（2）當GPS的精度要求較高時，觀測時段的分布盡可能日夜均勻，以減少電離層、對流層的折射影響。規(guī)范規(guī)定衛(wèi)星的地平高度角應大于15°，這是普通規(guī)定應根據(jù)地區(qū)的具體情況掌握，因為當高度角較小時衛(wèi)星的交會角度好了，但周圍若是山地則多路徑效應變大反而影響成果精度，同樣高度角較大則多路徑效應變小，但衛(wèi)星的交會角度又很差也影響成果精度。因此，應根據(jù)具體地形條件掌握有利時間段進行觀測，來獲得最佳觀測成果。（4）此外在水網(wǎng)地區(qū)和沿海作業(yè)時，應特別注意避開大面積水域所產(chǎn)生的多路徑影響。3.內(nèi)業(yè)質(zhì)量控制3.1基線向量解算（1）在獲得外業(yè)原始數(shù)量數(shù)據(jù)后，就要進行GPS網(wǎng)的基線向量解算。GPS觀測數(shù)據(jù)的基線向量解算，是內(nèi)業(yè)處理的第一步，影響基線解算結果的因素有觀測值的噪聲、觀測衛(wèi)星的數(shù)量及幾何位置分布、星歷誤差、大氣折射誤差等。（2）基線解算結果的檢核條件。對于單基線，基線解算結果的檢核條件為：①整周模精度接近于整數(shù)；②均方根誤差（RMS）較??；③雙差分固定解之質(zhì)量因子ratio應大于3；④雙差分固定解的協(xié)因數(shù)陣沒有異常。對于整個基線向量網(wǎng)，同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差、利稅測基線較差遵守規(guī)范要求。（3）用GPS接收機的隨機軟件解算基線向量時，往往不能一次成功，中間會出現(xiàn)各種各樣的問題，對于這些問題，需要進行一定的解算和分析，采取相應的改進措施，才能最終獲得滿意的基線解算成果。通過對GPS觀測數(shù)據(jù)的基線向量解算，通常應注意以下幾點：①通過殘差分析，刪除殘差大的數(shù)據(jù)。②根據(jù)有關資料，15km以內(nèi)的基線，同步觀測1h后，基線解算結果應以雙差分固定解為最佳。但也可能因某些原因，如觀測時間不長，觀測期間星座變化，整周跳變探測未完全成功，整周模糊度求解不準等等，使雙差分固定解差非最佳結果。當雙差分固定解不理想時，可采用舍去某段觀測值的方法進行基線處理。③同步環(huán)閉合差是檢驗一個時段觀測質(zhì)量好環(huán)的標志。同步環(huán)閉合差超限，可能是因為同步環(huán)上各測站沒有完全同步，或者是各測站周跳修復不同，也可能是商業(yè)軟件本身的缺陷所造成。應該根據(jù)具體情況，分析問題的原因。PS網(wǎng)中，若同步環(huán)閉合差均符合限差要求，一般情況下，異步環(huán)閉合差不會超限。但是，也是可能因為觀測環(huán)境不好（如多路徑誤差的影響，強輻射源的干擾，電離層、對流層折射的影響等），商業(yè)軟件受SA技術的影響使基線解算結果不準確，以及各基線所在的觀測時間區(qū)段不同（白天與夜間的成果有差異）等原因，異致異步環(huán)閉合差超限。異步環(huán)閉合差超限的檢核方法是：用異步環(huán)中的某一條基線與另外的基線組多個異步環(huán)進行閉合差計算，若與其有關的異步環(huán)閉合差都超限，那么說明異步環(huán)中被檢核的這條基線有問題。3.2三維無約束平差在基線向量解算結果符合限差要求后，首先要進行GPS基線向量網(wǎng)的無約束平差。無約束平差的主要目的是全面考核GPS網(wǎng)的內(nèi)部符合精度，以及衡量已知點的坐標是否含有粗差。如某測區(qū)GPS網(wǎng)平差（圖2），平差軟件采用武漢大學測繪工程學院CosaGPS軟件。此測區(qū)共有30個點，其中1，6，19和30點為已知點。圖2中雙線為復測基線。該測區(qū)GPS定位測量，采用3臺套的Trimble4600LS接收機觀測。.2三維無約束平差在基線向量解算結果符合限差要求后，首先要進行GPS基線向量網(wǎng)的無約束平差。無約束平差的主要目的是全面考核GPS網(wǎng)的內(nèi)部符合精度，以及衡量已知點的坐標是否含有粗差。如某測區(qū)GPS網(wǎng)平差（圖2），平差軟件采用武漢大學測繪工程學院CosaGPS軟件。此測區(qū)共有30個點，其中1，6，19和30點為已知點。圖2中雙線為復測基線。該測區(qū)GPS定位測量，采用3臺套的Trimble4600LS接收機觀測。表1為測區(qū)GPS網(wǎng)圖形結構的主要技術指標?？傸c數(shù)同步環(huán)基線總數(shù)獨立基線必要基線多余基線復測基線30288456292716由表1可見，多余觀測基線數(shù)與獨立基線數(shù)之比約為1：1，復測基線占必要基線數(shù)的55%。因此說，該網(wǎng)肯有較強的可靠性。經(jīng)過反復的選擇和檢驗，最終選定了參加平差的56條獨立基線向量。此測區(qū)的3維無約束平差采用19號點為固定點。3.3無約束平差結果的分析（1）平差后各點的坐標中誤差和點位中誤差是否符合要求。由于此測區(qū)是C級GPS基線向量網(wǎng)，所以GPS基線向量網(wǎng)的點位中誤差是否符合要求，應該與城市測量的四等網(wǎng)的點位中誤差相比較。《城市測量規(guī)范》規(guī)定，四等網(wǎng)中最弱相鄰邦點的相對點位中誤差不得超過5cm。即無約束平差后各點的點位中誤差不得大于5cm。由于差結果及精度估算可知，最弱點（點30）的點位中誤差為2.03cm，也遠小于5cm。因此說，無約束平差后各點的坐標誤差和點位中誤差符合要求。（2）GPS基線向量邊的邊長相對精度是否符合要求。由基線邊長相對精度計算結果可知，最弱邊（25-23）的邊長相對中誤差為4.61×10-6D,最弱邊(25-23)的邊長中誤差小于允許值9.34×10-6D。顯然GPS基線向量邊的邊長相對精度符合要求。（3）基線向量觀測值改正數(shù)分布是否正常。由基線向觀測值改正數(shù)計算結果，用極大似然法估計參數(shù)2。于是得理論分布（0.00008,0.000086），將所有的基線向量觀測值改正數(shù)分為9個區(qū)間，算得理論頻數(shù)列于表2表2組數(shù)區(qū)間1-0.05～0.04213.42-0.04～-0.0303-0.03～0.0224-0.02～0.0165-0.01～0.007461.5060.00～0.017459.4270.01～0.02612.5080.02～～0.03390.03～0.041的值為：用檢驗法，自由度等于4-2-1=1，α=0.05，查表得，則顯然＞3.841故可認為基線向量觀測值改正數(shù)分布不屬于正態(tài)分布，即基線向量觀測值改正數(shù)有系統(tǒng)誤差。但由于很小，而且基線向量觀測值改正數(shù)最大為4.94cm,所以仍認為,基線向量觀測值改正數(shù)分布屬于正常。(4)衡量已知點的坐標是否含有粗差，無約束平差的另一個作用，是衡地面網(wǎng)中已知點的坐標是否含有粗差。方法是將無約束平時非固定的已知點在面網(wǎng)中的坐標經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換后的坐標與非固定的已知的無約束平差坐標進行比較，來檢驗已知點的坐標是否含有粗差。由計算結果表明，已知點1，6，30的點位中誤差均小于5cm，說明該測區(qū)GPS網(wǎng)中的4個已知點均不含有粗差。無約束平差實質(zhì)上是約束平差的數(shù)據(jù)檢驗，是約束平差的一個準備工作，我們最終需要的成果是在國家大地坐標系中進行的GPS基線向量網(wǎng)的3維約束平差結果。3.4三約束平差無約束平差后，又用TGPPS軟件進行了4種方案的3維約束平差，限于篇幅，平差結果不再羅列。與無約束平差結果分析方法相同，經(jīng)過分析，4種方案約束平差結果中的平差結果后各點的坐標中誤差和點位中誤差、基線向量邊的邊長相對精度以及基線向量觀測值改正數(shù)分布符合限差要求。3.5四種平差方案的精度比較約束平差時，所采用的4種方案的平差結果，表面上看都滿足要求，至于采用何種方案的平差結果作為最終的平差成果，可以通過比較尺度比K的估值，選擇出最佳的平差成果。尺度比K的值的主要受已知點的坐標精度和測區(qū)54坐標系的高程異常值的影響，如果忽略已知點的坐標誤差的影響，而又已知測區(qū)54坐標系的高程異常值，可用高程異常值與橢球長半徑的比值，估算出K值。在我國，54坐標系的最大高程異常值達60M，尺度比K大約為10。此測區(qū)的高程異常值大約為60M，可算得K的估值大約為9.8，以點19和點30為約束條件的平差方案的K值9.8323與K的估值最接近，所以應該選擇點19和點30為約束條件的平差結果作為最終的成果。4.已知點的可靠性檢驗GPS網(wǎng)中已知點的可靠性直接影響GPS定位成果的精度。在實際生產(chǎn)中，若不分析已知點的坐標是否含有粗差，則很容易引起的返工。因此，在GPS控制網(wǎng)設計中，一定要進行知點可靠性分析或必要檢驗以便發(fā)現(xiàn)并剔除含有粗差的已知點，從而保證工作順利進行和成果精度。關于已知點的可靠性檢驗，本文提出了兩種簡單易行的方法：回歸分析法和約束平差法?；貧w分析法在無約束平差時已提到，在此不再說明?；貧w分析法適用于GPS網(wǎng)中含有4個或4個以上的已知點在無約束平差后進行已知點的可靠性檢驗。它的優(yōu)點是計算量小，可以檢驗出多個含有粗差的已知點。約束平差法是在GPS網(wǎng)的n(n≥4)個已知點中，選其中2個已知點約束條件進行約束平差，根據(jù)非約束已知點的約束平差坐標異常值，按照狄克松異常探測法，即可檢驗出含有粗差的已知點。約束平差法適用于GPS網(wǎng)中含有4個或4個以上的已知點的可靠性檢驗。此法簡單易行，可靠性好。5.結束語由以上分析可知，GPS測量從野外數(shù)據(jù)的采集到GPS基線向量網(wǎng)的整個體平差，是一個非常復雜的過程。在我國現(xiàn)階段要獲得高精度的GPS定位成果，首先要有可靠的已知點，并且要保證