GPS技术在城市首级控制网中的应用

【 摘　要】　为满足城市测量工作的需要，采用GPS技术进行首级控制，建立城市E级GPS控制网。

【关键词】　采样率 几何精度因子（PDOP） 高程异常值 转换参数

　　0 前言

　　随着全球定位技术的不断发展和成熟，GPS仪器设备已可以满足城市总体控制精度要求，并且具有其特有的优势：效率高、全天候、工作量小、不受通视条件限制。但其在高程系统上的条件要求较高，起算高程点的位置分布及密度都直接影响控制网的整体高程精度。因而，采用全球定位技术布设城市总体控制网，需对起算数据的分布及网形结构进行筛选和加强，从而提高网形精度和控制精度。

　　1 GPS网形设计
  

　　因为我们只用三台静态GPS接收机，GPS网采用边联式组网，为了加强网形的几何精度，在基础网形的基础上再加测几个时段（如图上所示：X001-002-004～X002-003-004～X004-003-009～X003-009-013），从而提高控制网的整体精度。点位选择应遵循自然条件相对较好，远离对GPS信号有影响的反射源，考虑到城市测量工作中的实际需要，点位间至少有两点需互相通视。

　　上图所示GPS控制网中：同步环15个，异步环25个，独立基线35条，复测基线边8条，占独立基线边的23%，大于《GPS测量规范》中规定的10%。因此，此控制网结构具有较好的内符合精度。

　　2 数据采集及分析

　　2.1 时段与观测线路设计

　　1．观测时段设计：监测网中共有24个三角网，包括了全部的控制点，初步设计总时段数为23个，NGS-200接收机标定精度仅有（10mm+2ppm），为了能够获取成功有效的数据，接收时间设计为1～1.2h。

　　2．观测线路设计：GPS控制网控制面积大，站间距离大。进入新一观测时段时，接收机的固定与移动及移动的线路都需进行优化设计，以免出现漏测或重测。GPS控制网的观测线路及接收机移动设计如下：

　　2.2 数据采集

　　接收GPS信号时：卫星几何精度因子PDOP值≤4，数据采样率设为10s/次，卫星高度截止角设为15度，天线高采用三次平均值。为了减少联系方式对接收机信号的影响，我们在开机前联系统一开机接收信号，接收时间达到设计时间后，再进行联系准备移站。接收信号过程中，做好信号最强的卫星号记录。

　　2.3 数据处理

　　数据处理采用南方NGS-200型接收机配套处理软件，对观测数据进行处理。基线处理设置：历元间隔取10s，卫星高度角取15度。一些基线在整体处理中没能解算合格，我们采用改变基准卫星，修改有效历元，剔除产生周跳及信号受影响大的数据，增加历元间隔，对不合格基线进行独立处理。基线解算合格后，对控制网进行自由网平差，然后将联测的已知点数据引入其中，进行三维约束平差。

　　考虑到GPS的相对高程精度较高，根据联测的部分控制点的水准高程推算控制区域的高程异常值，对GPS高程值进行纠正，从而获取较高精度的高程值。

　　2.4 数据分析

　　全球定位系统为84坐标系统，须转换为城市坐标系统（比如北京54系统），往往对转换参数的求取要求较高，精度差异较大，同时受地形地貌自然条件影响较大，再加上柳州是山区，地球曲面变化大。所以，起算数据的分布及密度直接影响控制网的精度等级。在此，就其对整个控制网的精度影响进行比较分析。

　　分别以方案（1）X001-002-013、（2）X004-011-007、（3）X001-002-006-013、（4）X001-002-006-007-013作为起算
数据对控制网进行平差求解，其平面、高程值与精度对比如下表：
各方案平面位置偏移量S（单位：毫米）

各方案高程不符值（单位：毫米，-表示偏小，+表示偏大。）

　　以上平面数据是以城市三等的导线测量所得数据为基准，高程数据则是以联测国家Ⅲ等点水准数据为基准，各方案下求取得数据与其比较得出。从以上数据可以看出整个GPS控制网平面精度较高，且对起算数据（位置与密度）的要求相对较低，同时受此影响的程度较小，完全能够达到城市测量工作中首级控制网的平面精度要求。然而高程系统则变化较大，不同方案间的高程值变化也较大，甚至出现粗差或是错误。其中方案（一）的起算数据均位于控制网的外围处，有两个数据还是位于高山上，其它多数控制点是位于地势平坦处。根据上表数据所示，由其解算所得高程值误差很大、精度很低；方案（二）的起算数据位于控制网的中心部的平坦地势上，同样由其解算所得的高程值偏差较大，精度很低，而且还出现了粗差；上述两种方案求解的转换参数与高程异常值精度较低，偏差较大，不能很好地反映控制区的实际地形地势变化情况，从而大大降低了GPS控制网整体的测量控制精度。

方案（三）在方案（二）的基础上，再增加一个处于平坦地势上的起算数据，增加控制量，重新解算。根据表中数据可见，高程值的不符值有很大变化，精度有很大的提高，而且基本达到城市测量精度需求；方案（四）则是在方案（三）的基础上对GPS控制网的起算数据进一步优化，使得起算数据较合理的分布于控制区的不同地势处，且分布密度较大，从而得出上表中的数据。高程偏差较小，精度也较为理想。其中X014在四套方案中的偏差都很大，主要是因为此点位于网的外边缘且在一座独立的山头上，四套方案都没能充分反映出此处的地势起伏，即高程异常未能正常反映此处的情况。因此，采用此方案求解84系统到54系统的转换参数及高程异常值较为合理，能够较准确的求出其间的具体参数值，从而使两种参考面经过转换能获得较大的重合面，提高整个GPS控制网在54系统中的精度。

　　3 总结

　　根据上面的实际应用和分析，我们不难得出以下结论：在现有GPS设备和技术，采用GPS技术进行城市首级控制是完全可行的，可靠的。但其在高程方面受已知数据的分布、密度影响明显，区域高程异常值的解算要求较高。

　　采用GPS技术进行城市首级控制时，应充分考虑以下几个问题：①GPS控制网要具有较强的几何精度及内符合精度；②数据采集尽量根据卫星星历预报选择理想时间进行；③根据上面的数据分析，起算数据的分布以及密度将直接影响GPS控制网的整体精度，特别是高程点的选取。因而，在实施的过程中要尽量多联测一些高等级的控制点，特别是高程点，同时这些点的分布要相对合理，比较能够反映控制区的地形变化（主要是山地与平地的区分）。与此同时，这些起算点的密度也同样重要，密度不够，精度就很难达到要求；④转换参数的求取及高程异常值的应用应与实地相符。

　　综上所述，随着GPS技术的不断发展和提高，GPS技术的应用领域也将不断增加，技术要求也不断降低。在城市测量中，如能总体设计测设大量GPS控制点，精确求解区域内的转换参数和高程异常值，这将使得GPS应用更加方便，精度更高。


【参考文献】

[1] 刘基余、李征航.《全球定位系统原理及其应用》.测绘出版社出版
[2] 徐绍铨、张华海、杨志强、王泽民等编著.《GPS测量原理及应用》.武汉测绘科技大学出版社出版

  声明①：文章部分内容来源互联网，如有侵权请联系删除，邮箱 cehui8@qq.com

  声明②：中测网登载此文出于传递更多信息之目的，并不意味着赞同其观点或证实其描述，文章内容仅供参考。

  加群提示：我们创建了全国32个省份的地方测绘群，旨在打造本地测绘同行交流圈，有需要请联系管理员测小量（微信 cexiaoliang）进群，一人最多只能进入一个省份群，中介人员勿扰