GPS控制网的技术设计

【摘　要】　讨论GPS控制网技术设计的一般原则和图形设计，结论认为：传统的控制测量方法将被GPS技术所取代。

【关键词】　GPS 控制网 技术设计原则 图形设计

　　1 引言

　　GPS是英文Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System的字头缩写词NAVSTAR/GPS的简称。它的含义是：利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统。GPS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广泛的应用，本文根据多年的实践经验介绍GPS控制网在工程测量中的布设方法，以供大家参考。

　　2 技术设计的一般原则

　　建立城市或其它局部性GPS控制网是一项重要的基础性工作，而技术设计则是建立GPS网的第一步，是保证GPS网能够满足经济建设需要，并保证GPS成果质量可靠的关键性工作。因此，必须科学地、严谨地作好这一工作。GPS网设计设计的一般原则包括以下几个方面。

　　2.1 充分考虑建立GPS控制网的应用范围

　　对于工程建设的GPS网，应该既考虑勘测设计阶段的需要，又要考虑施工放样等阶段的需要。对于城市GPS控制，既要考虑近期建设和规划的需要；又要考虑远期发展的需要；还可以根据具体情况扩展GPS控制网的功能，充分发挥GPS网和测绘工作在城市建设中的作用。

　　2.2 采用分级布网的方案

　　适当地分级布设GPS网，有利于根据测区的近期需要和远期发展分阶段布设，而且可以使全网的结构呈长短边相结合的形式。与全网均由短边构成的全面网相比，可以减少网的边缘处误差的积累，也便于GPS网的数据处理和成果检核分阶段进行。分级布网是建立常规测量控制网的基本方法，因为GPS测量有许多优越性，所以并不要求GPS网按常规控制网分很多等级布设。例如，大城市的GPS控制网可以为三级：首级网中相邻点的平均距离大于5km；次级网中相邻点平均距离为1~5km；三级网相邻点平均距离可小于1km，且可采用GPS与全站仪相结合的方法布设。对于小城市，分两级布设GPS网即可。

　　为提高GPS网的可靠性，各级GPS网必须布设成由独立的GPS基线向量边（或简称为GPS边）构成的闭合图形网，闭合图形可以是三边形、四边形或多边形，也可以包含一些附和路线，GPS网中不允许存在支线。

　　2.3 GPS测量的精度标准

　　GPS测量的精度标准通常用网中相邻点之间的距离中误差表示，其形式为：

　　
　　式中：σ——距离中误差（mm）；
　　　　　a——固定误差（mm）；
　　　　　b——比例误差系数（ppm）；
　　　　　d——相邻点的距离（km）。

　　2001年实施的“全球定位系统（GPS）测量规范”将GPS的测量精度分为AA~E六级（见表1）。其中AA、A、B三级是国家GPS控制网，C级主要用于大、中城市及工程测量的基本控制网，D、E级主要用于中、小城市、城镇及测图、勘测、建筑施工等控制测量。

表1
　　在GPS网的技术设计中，应根据测区大小，GPS网的用途，来设计网的等级和精度标准。

　　2.4 坐标系统与起算数据

　　GPS测量得到的是GPS基线向量，是属于WGS84坐标系的三维坐标差，而我们需要得到的是属于国家坐标系或地方独立坐标系的坐标。为此，在GPS网的技术设计中，必须说明GPS网的成果所采用的坐标系统和起算数据，也就是说明GPS网所采用的基准。

　　GPS网的基准与常规控制网的基准类似，包括位置基准、方位基准和尺度基准。

　　当测区有旧的地面控制点成果时，应既考虑充分利用旧资料，又要使新建的高精度GPS控制网不受旧资料精度较低的影响。为此，应将新的GPS网与旧控制点进行联测，联测点一般不应少于2个。

　　GPS望的坐标系统应尽量与测区过去采用的坐标系统一致，如果采用的是地方独立坐标系，一般应该了解以下几个参数：

　　a.所采用的参考椭球体，一般是以国家坐标系的参考椭球为基础；

　　b.坐标系的中央子午线的精度值；

　　c.纵、横坐标的加常数；

　　d.坐标系的投影面高程及测区平均高程异常值；

　　e.起算点的坐标。

　　GPS网的位置基准，通常都是由给定的起算点坐标确定。方位基准可以通过给定起算方位角值确定，也可以由GPS基线向量的方位作为方位基准，尺度基准可以由地面的电磁波测距边确定，或由两个以上的起算点之间的距离确定，也可以由GPS基线向量的距离确定。

　　2.5 GPS点的高程

　　为了得到GPS点的正常高，应使一定数量的GPS点与水准点重合，或者对部分GPS点联测水准。为了便于进行水准联测，且便于进行GPS观测，提高GPS作业效率，GPS点一般应设在交通方便的地方。

　　3 GPS控制网的图形设计

　　网的图形设计主要是根据网的用途和用户要求，侧重考虑如何保证和检核GPS数据质量；同时还要考虑接收机类型、数量和经费、时间、人力及后勤保障条件等因素，以期在满足要求的前提条件下，取得最佳的效益。

　　3.1 设计的一般原则

　　（1）GPS网一般应采用由独立观测边构成的闭合图形。例如三角形、多边形或附和线路，以构成检核条件，提高网的可靠性。
　　（2）GPS网点尽量与原有的地面控制网点相重合。重合点数应多于3个，以便可靠地确定GPS网与地面网之间的转换参数。
　　（3）GPS网点应考虑与水准点相重合，而非重合点一般应根据要求以水准测量方法进行联测。
　　（4）为便于观测和水准联测，GPS网点一般应设在视野开阔和交通方便的地方。
　　（5）为了便于用常规方法联测或扩展，C、D、E级控制网点应有1~2个方向通视。

　　3.2 GPS网的基本形式

　　根据GPS测量的不同用途，GPS网的几何图形结构，有以下三种形式。

　　（1）三角形网
　　如图1所示。图中各三角形边是由非同步观测的独立边所组成。这种网的几何图形结构强，具有良好的自检能力，能有效地发现观测成果的粗差，确保网的可靠性。经平差后网中相邻点间基线向量的精度分布均匀。

图1 GPS三角网

　　这种网的主要缺点是观测工作量较大，尤其当接收机的数量较少时，将使观测工作的时间大为延长。因此，通常只有当网的可靠性和精度要求较高时，才单独采用这种图形结构的网。

　　（2）环形网

　　由若干个含有多条独立观测边的闭合环所组成的网，称为环形网，如图2所示。这种网的图形结构强度较三角网差，其优点是观测工作量较小，具有较好的自检性和可靠性。其缺点主要是非直接观测的基线边（或称间接边）精度较直接观测边低，相邻点间的基线精度分布不均匀。由于环形网的自检能力和可靠性与闭合环中所含基线边的数量有关，所以，一般根据网的精度要求，规定闭合环中包含的基线边的数量。表2是相应于表1所列精度要求所提出的规定。

表2 闭合环基线边数的限值

　　三角网和环形网是大地测量和精密工程测量普遍采用的两种基本图形。通常，根据实际情况往往采用上述两种图形的混合网形。

图2 GPS环形网

　　（3）附和线路和星形网

　　在GPS高级网中需进一步加密控制点时，可采用附和线路，如图3所示。为保证可靠性和精度，附和线路所包含的边数也不能超过一定限制。

图3 附合线路

　　星形网的几何图形如图4所示。其图形简单，直接观测边之间不构成任何闭合图形，所以检验和发现粗差的能力差。这种图形的主要优点是观测中只需要两台GPS接收机，作业简单。它广泛地应用于工程测量、边界测量、地籍测量和碎部测量等方面，定位中采用快速定位的作业模式。

图4 星形网

　　4 结束语

　　随着科学技术的发展，传统的测量方法正被日益发展的GPS技术所取代，控制网的布设方法越来越灵活、简单。控制网布设方法应根据网的不同用途选择采用，同时还要考虑接收机类型、数量和经费、时间等，这样才能扬长避短，取得最佳的经济效益。

参考文献：

[1] 周忠谟，GPS卫星测量原理与应用
[2] GB/T 18314-2001《全球定位系统（GPS）测量规范》

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