鐘漢青

（珠海市測(cè)繪院 珠海市 519000）

1 概述

GPS相對(duì)定位的作業(yè)模式有靜態(tài)定位作業(yè)模式、快速靜態(tài)定位模式、準(zhǔn)動(dòng)態(tài)定位模式和動(dòng)態(tài)定位模式，其測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)需通過測(cè)后處理，即必須將觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)解算才能獲得。

GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量又稱后處理差分動(dòng)態(tài)定位測(cè)量，簡(jiǎn)稱GPS PPK，它是根據(jù)GPS相對(duì)定位原理，將一臺(tái)接收機(jī)設(shè)置在已知點(diǎn)上（基準(zhǔn)站），另一臺(tái)或幾臺(tái)接收機(jī)在進(jìn)行靜態(tài)初始化后依次到各待測(cè)點(diǎn)進(jìn)行同步觀測(cè)，每點(diǎn)觀測(cè)幾個(gè)歷元數(shù)據(jù)。在觀測(cè)結(jié)束后，將兩觀測(cè)值進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，通過聯(lián)合求差來確定運(yùn)動(dòng)載體的位置。GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量在野外數(shù)據(jù)采集時(shí)與GPS RTK相似，即每個(gè)流動(dòng)點(diǎn)上只需觀測(cè)幾個(gè)歷元，點(diǎn)位精度即可達(dá)到厘米級(jí)，但GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)無法得到測(cè)量點(diǎn)的準(zhǔn)確平面坐標(biāo)，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的后處理方可得到，而且，它要求移動(dòng)站在搬站移動(dòng)過程中不能失鎖，且需要先在已知點(diǎn)或用其它方式進(jìn)行靜態(tài)初始化 （采用有動(dòng)態(tài)初始化On—The— Fly功能的軟件處理時(shí)例外）。因此，在GPS RTK普遍、廣泛應(yīng)用的今天，GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量方式似乎已經(jīng)過時(shí)。然而，筆者在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，在一些特殊的環(huán)境下，該作業(yè)模式有其它任何作業(yè)模式都無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，有時(shí)甚至是解決問題的唯一或最優(yōu)選擇。下面就以特殊環(huán)境下的大比例尺地形測(cè)量實(shí)例介紹和探討該模式的作業(yè)方法、特點(diǎn)及其靈活應(yīng)用。

2 GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量模式的特點(diǎn)及作業(yè)方法

2.1 GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量模式的特點(diǎn)

相比GPS RTK測(cè)量模式及GPS快速靜態(tài)測(cè)量模式，GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)模式有其獨(dú)特的特點(diǎn)：野外數(shù)據(jù)采集既可以同GPS RTK一樣在待測(cè)點(diǎn)上只需觀測(cè)幾個(gè)歷元，又無需數(shù)據(jù)鏈通訊（與RTK定位最大的區(qū)別），可廣泛用于無通信數(shù)據(jù)鏈測(cè)區(qū)的各種不急于知道精確定位結(jié)果的工程測(cè)量，如線路測(cè)量、圖根控制測(cè)量、剖面測(cè)量及大比例尺地形碎部測(cè)量等。

2.2 GPS PPK具體測(cè)量方法

首先，利用測(cè)區(qū)附近已知控制資料精確求取該測(cè)區(qū)的轉(zhuǎn)換參數(shù)，然后，在測(cè)區(qū)內(nèi)的已知控制點(diǎn)（含三維坐標(biāo)）上架設(shè)GPS基準(zhǔn)站，各流動(dòng)站GPS進(jìn)行靜態(tài)初始化（視衛(wèi)星狀況8～15min即可），初始化完成后，各流動(dòng)站即可進(jìn)行碎部點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，每點(diǎn)采集（5～10）s即可，只要在移動(dòng)過程中保持初始化不丟失，這種采集方式即可一直持續(xù)下去，直到采集結(jié)束。在測(cè)量前、后或測(cè)量過程中，須在測(cè)區(qū)內(nèi)已知點(diǎn)上進(jìn)行坐標(biāo)檢核。外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的后處理，包括基線解算、網(wǎng)平差等，最后，利用事先求取的測(cè)區(qū)轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，最終得到各測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。

3 GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)的測(cè)量精度及影響因素分析

3.1 測(cè)量精度分析

理論上，GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量模式的定位精度與GPS RTK一樣，可以達(dá)到厘米級(jí)。為了在運(yùn)動(dòng)中取得厘米級(jí)水平的定位精度，一定要先解算出“整周未知數(shù)”，最好的方法是利用靜態(tài)初始化進(jìn)行準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量。一般在進(jìn)行小于20 km 的基線觀測(cè)時(shí)，只要有（8～10）min（視衛(wèi)星分布情況）的雙頻靜態(tài)觀測(cè)值，就能在事后基線處理中解算出“整周未知數(shù)”。

一旦靜態(tài)初始化成功完成，就可以移動(dòng)GPS天線進(jìn)行準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，觀測(cè)時(shí)間一般只需幾秒鐘即可。在移動(dòng)過程中，只要衛(wèi)星定位不中斷（如：因障礙物遮擋導(dǎo)致接收機(jī)衛(wèi)星少于4顆），定位結(jié)果就會(huì)保持高精度。一旦衛(wèi)星定位中斷，這將喪失高精度的定位結(jié)果，此時(shí)，必須重新進(jìn)行靜態(tài)初始化工作。需要注意的是這種方法要求在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)確保有5顆以上衛(wèi)星可供觀測(cè)，流動(dòng)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)相距應(yīng)不超過20 km。為檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性及精度分析，我們?cè)趲讉€(gè)不同的工程作業(yè)前均使用GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量方法在測(cè)區(qū)附近已知GPS點(diǎn)上進(jìn)行了坐標(biāo)檢測(cè)，檢測(cè)內(nèi)容包括平面和高程值，檢測(cè)點(diǎn)均為GPS D級(jí)網(wǎng)點(diǎn)，其高程為四等水準(zhǔn)留點(diǎn)。

由記錄表看出，采用GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量方法與靜態(tài)GPS D級(jí)控制網(wǎng)測(cè)量方法所得平面坐標(biāo)相差不大，最大為0.068 m，若以GPS D級(jí)控制網(wǎng)測(cè)定的點(diǎn)位為準(zhǔn)，則兩個(gè)表中GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量點(diǎn)位相對(duì)于GPS D級(jí)控制網(wǎng)測(cè)定點(diǎn)位的中誤差分別為：

根據(jù)《城市測(cè)量規(guī)范》（CJJ 8-99）相關(guān)規(guī)定：測(cè)站點(diǎn)相對(duì)于鄰近圖根點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不大于圖上0.3 mm，地物點(diǎn)相對(duì)于鄰近圖根點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不得大于圖上0.5 mm；鄰近地物點(diǎn)間距中誤差不得大于圖上0.4 mm。成圖比例為1∶1 000時(shí)，圖根點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為0.3 m，地物點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為0.5 m；成圖比例為1∶500時(shí)，中誤差分別為0.15 m和0.25 m。因此，采用GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量方法完全能夠滿足大比例尺圖根控制測(cè)量和地形碎部測(cè)量的精度要求。

在記錄表中，共采用了均勻分布在測(cè)區(qū)內(nèi)的9個(gè)四等水準(zhǔn)點(diǎn)參與高程擬合，采用了7個(gè)四等水準(zhǔn)點(diǎn)參與高程擬合，擬合精度均小于3 cm。

由記錄表看出，使用GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法與常規(guī)四等水準(zhǔn)方法測(cè)量的高程值相差不大，測(cè)量數(shù)據(jù)表3中高差最大值為-0.033 m，平均為0.020 m；測(cè)量數(shù)據(jù)表4中高差最大值為0.060 m，平均為0.032 m。若以四等水準(zhǔn)高程為準(zhǔn)，則GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量高程相對(duì)于常規(guī)四等水準(zhǔn)高程的中誤差分別為：

3.2 影響GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量精度的因素分析

（1）求解的測(cè)區(qū)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。

求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)所使用的已知控制點(diǎn)（通常稱作基準(zhǔn)點(diǎn)）的精度、密度及分布狀況對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解質(zhì)量有著直接影響。因此，所選定的基準(zhǔn)點(diǎn)要求精度要高，并且應(yīng)均勻分布在測(cè)區(qū)周圍?；鶞?zhǔn)點(diǎn)的數(shù)量視測(cè)區(qū)的大小一般取3～6點(diǎn)為宜。一般地，在求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)，應(yīng)采取不同基準(zhǔn)點(diǎn)的匹配方案，用不同的計(jì)算方法求得坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，經(jīng)比較后選擇殘差較小、精度較高，且能夠控制整個(gè)測(cè)區(qū)的一組參數(shù)使用。由于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解精度與已知點(diǎn)兩套坐標(biāo)的精度和區(qū)域內(nèi)點(diǎn)位的分布有關(guān)，因此坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)是有區(qū)域性的，它僅適用于已知點(diǎn)所圈定的區(qū)域和臨近地區(qū)，其外推精度明顯低于內(nèi)插精度。

（2）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法的選擇。

主要有兩種：一種是Helmert（赫爾墨特）轉(zhuǎn)換法（即經(jīng)典三維轉(zhuǎn)換法），將坐標(biāo)從WGS84基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換到地方橢球基準(zhǔn)上，應(yīng)用地圖投影得到格網(wǎng)坐標(biāo)；另外一種方法是直接將WGS84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成地方格網(wǎng)坐標(biāo)（即一步法），使用哪種轉(zhuǎn)換方法取決于需要的結(jié)果和已知點(diǎn)的數(shù)量分布。在橢球和地圖投影信息未知且需要將GPS測(cè)量強(qiáng)制附合到地方已有控制網(wǎng)情況下，一步法是最合適的。

（3）野外作業(yè)方法的選擇。

由于測(cè)區(qū)內(nèi)已知控制點(diǎn)精度或分布的原因，若求解的測(cè)區(qū)轉(zhuǎn)換參數(shù)精度不是很好，則可通過架設(shè)兩臺(tái)基準(zhǔn)站的方法進(jìn)行適當(dāng)彌補(bǔ)。具體做法為：在野外測(cè)量時(shí)，首先，在當(dāng)天需要測(cè)量的區(qū)域內(nèi)（或附近）選擇兩個(gè)相距不太遠(yuǎn)（2 km～5 km左右）、精度相對(duì)較高的控制點(diǎn)，在這兩點(diǎn)上架設(shè)兩臺(tái)GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)站，然后其它流動(dòng)站GPS按常規(guī)進(jìn)行準(zhǔn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集。在數(shù)據(jù)后處理時(shí)，解算兩基準(zhǔn)站所有相關(guān)基線，并約束該兩點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)平差計(jì)算，通過兩個(gè)基準(zhǔn)站平差解算出的基線解更準(zhǔn)確，更有代表性，最后進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，其精度會(huì)有效提高。

（4）數(shù)據(jù)后處理方法。

為保證GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量的正確性，基線解算時(shí)必須保證能夠正確解算出整周未知數(shù)，若整周未知數(shù)未解出或解算不可靠，該點(diǎn)應(yīng)舍棄或重測(cè)。在數(shù)據(jù)后處理時(shí)剔除基線解粗差是重要環(huán)節(jié)，這是點(diǎn)位精度（尤其是高程精度）可靠性的重要保證。

4 GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量的誤差來源及預(yù)防措施

在GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量的精度分析過程中，筆者總結(jié)出影響其精度的因素，主要有以下4個(gè)方面：

（1）轉(zhuǎn)換參數(shù)誤差。

轉(zhuǎn)換參數(shù)對(duì)成果的影響非常明顯，如果轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算錯(cuò)誤或誤差較大，觀測(cè)數(shù)據(jù)無論多么精確，結(jié)果都是錯(cuò)誤的。因此，計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)所選擇的點(diǎn)要均勻分布于測(cè)區(qū)四周，并且，要多選擇幾組進(jìn)行計(jì)算分析，避免出現(xiàn)粗差和錯(cuò)誤。

（2）基準(zhǔn)站設(shè)置的位置。

基準(zhǔn)站設(shè)置不在測(cè)區(qū)中央，周圍有干擾衛(wèi)星信號(hào)和無線電波發(fā)射的物體存在等，這些將直接影響觀測(cè)成果的精度。因?yàn)樗杏^測(cè)點(diǎn)的成果都和基準(zhǔn)站所接收到的信息有關(guān)。

（3）操作誤差。

操作誤差主要是作業(yè)人員操作接收機(jī)時(shí)對(duì)中、整平等引起的誤差。減少操作誤差主要是提高作業(yè)人員業(yè)務(wù)水平，進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)等，來降低操作誤差對(duì)最后成果的影響。

（4）衛(wèi)星信號(hào)和衛(wèi)星分布。

衛(wèi)星信號(hào)和衛(wèi)星分布有時(shí)也會(huì)對(duì)測(cè)量精度構(gòu)成影響。當(dāng)衛(wèi)星分布不均勻時(shí)，即使有足夠多的衛(wèi)星，其觀測(cè)精度也不是很高，為了避免出現(xiàn)這種情況，觀測(cè)前應(yīng)通過衛(wèi)星預(yù)報(bào)，避開這一時(shí)間段。

5 GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量方式的缺陷及建議

5.1 GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量方式的缺陷

（1）在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無法實(shí)時(shí)得到精確的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，不能進(jìn)行精確的坐標(biāo)放樣等工作。

（2）在“一些特殊的環(huán)境下”意味著在一定環(huán)境條件下方能發(fā)揮其獨(dú)特的作用，即全站儀不宜設(shè)站、不適合GPS RTK作業(yè)的地區(qū)，如沼澤、沙漠、灘涂等。因此，GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量只能是在特定條件下的有效補(bǔ)充作業(yè)手段。

5.2 GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量方式建議

（1）隨著距離的增加，點(diǎn)位及高程誤差成正比增長(zhǎng)，增長(zhǎng)大小取決于轉(zhuǎn)換參數(shù)所能控制的范圍和精度。因此，參考站與流動(dòng)站間的距離應(yīng)盡可能的短，理想情況是小于3 km，超過5 km的基線應(yīng)盡量避免。

（2）在選取求解測(cè)區(qū)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的已知控制點(diǎn)時(shí)，要十分慎重，應(yīng)盡量避免“外推”，以確保坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的質(zhì)量。

（3）一般情況下，測(cè)量鏈（由靜態(tài)初始化與流動(dòng)階段的觀測(cè)值以及隨后各準(zhǔn)動(dòng)態(tài)點(diǎn)上的觀測(cè)值組成）不應(yīng)過長(zhǎng)，建議測(cè)量到一定點(diǎn)位后（如最大不超過50個(gè)點(diǎn)），結(jié)束測(cè)量鏈并重新初始化，開始另一條測(cè)量鏈。

（4）測(cè)區(qū)應(yīng)盡可能開闊，測(cè)點(diǎn)的旁邊不應(yīng)有大量的障礙物，在整個(gè)測(cè)量過程中，應(yīng)至少保持5顆衛(wèi)星可見，6顆以上衛(wèi)星效果更佳，以保證衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度，否則，將大大降低野外作業(yè)的效率。

（5）靜態(tài)初始化階段，流動(dòng)站應(yīng)保持穩(wěn)定，即使是幾厘米的移動(dòng)也將使事后處理數(shù)據(jù)很難進(jìn)行。由于移動(dòng)而引起的整周未知數(shù)的無法解算將導(dǎo)致起始點(diǎn)及隨后測(cè)量的一系列點(diǎn)位的精度顯著降低。

（6）在地形測(cè)量中，若等高距為0.5m以上時(shí)，GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)既可以直接進(jìn)行碎部點(diǎn)采集，也可進(jìn)行圖根水準(zhǔn)點(diǎn)布測(cè)。

6 結(jié)語

綜上所述，GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量模式作為在特定條件下地形測(cè)量的一種有效補(bǔ)充手段，依然有很強(qiáng)的生命力，還有很大的應(yīng)用空間和應(yīng)用領(lǐng)域，在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)仍然具有廣闊的發(fā)展前景。

1 王海峰，高娓.影響夏邑縣煤田預(yù)查區(qū)GPS控制測(cè)量精度的問題[J].山西建筑，2010，17.

2 應(yīng)元康.提高差分GPS定位時(shí)水深測(cè)量精度之對(duì)策[J].浙江測(cè)繪，1997，03.