劉偉

摘要:結(jié)合靜態(tài)GPS測(cè)量的基本原理和相關(guān)測(cè)量規(guī)范,使用中海達(dá)HDS2003數(shù)據(jù)處理軟件,探討靜態(tài)GPS控制測(cè)量數(shù)據(jù)處理的過(guò)程。對(duì)于一些常見(jiàn)的問(wèn)題,提出解決的方法。

關(guān)鍵詞:靜態(tài)GPS控制網(wǎng)基線(xiàn)向量二維平差高程擬合

中圖分類(lèi)號(hào):P2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2012)04(c)-0019-02

GPS定位測(cè)量是接收GPS衛(wèi)星信號(hào)實(shí)現(xiàn)空間定位的一種高新測(cè)量技術(shù)。一般而言,GPS具有全天候作業(yè)、觀測(cè)操作簡(jiǎn)便、布網(wǎng)自由、觀測(cè)與數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度高、同時(shí)提供三維坐標(biāo)、定位精度高等特點(diǎn)。鑒于靜態(tài)GPS測(cè)量的特點(diǎn),在等級(jí)控制測(cè)量中,靜態(tài)GPS測(cè)量得到了廣泛的應(yīng)用。目前GNSS高精度數(shù)據(jù)處理軟件有GAMIT和Bernese等,數(shù)據(jù)處理較繁瑣。但用于低等級(jí)的GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理,一般用GPS廠家提供的隨機(jī)軟件結(jié)合相關(guān)規(guī)范規(guī)程,就能滿(mǎn)足生產(chǎn)需要。本文就利用HDS2003軟件進(jìn)行GPS控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理為例,對(duì)靜態(tài)GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的方法進(jìn)行探討。

1新建數(shù)據(jù)處理的工作環(huán)境

新建項(xiàng)目的主要目的是輸入靜態(tài)GPS網(wǎng)處理基本參數(shù),建立數(shù)據(jù)處理的環(huán)境。在數(shù)據(jù)處理之前,必須明確以下幾項(xiàng)內(nèi)容。

(1)項(xiàng)目所需要的坐標(biāo)系統(tǒng)、中央子午線(xiàn)和高程系統(tǒng)。(2)已知點(diǎn)的坐標(biāo)系統(tǒng)、中央子午線(xiàn)和高程系統(tǒng)。(3)根據(jù)項(xiàng)目技術(shù)設(shè)計(jì),本GPS網(wǎng)是什么等級(jí)或主要技術(shù)指標(biāo)。

通常情況下,項(xiàng)目所需要的坐標(biāo)系統(tǒng)、中央子午線(xiàn)和高程系統(tǒng)和已知點(diǎn)的坐標(biāo)系統(tǒng)、中央子午線(xiàn)和高程系統(tǒng)是一致的。若不一致,需坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

以HDS2003為例介紹工程項(xiàng)目文件建立過(guò)程。(1)選擇文件夾存貯的位置和名稱(chēng)。(2)按實(shí)際情況的輸入項(xiàng)目細(xì)節(jié)。(3)選擇數(shù)據(jù)處理的依據(jù)和控制網(wǎng)等級(jí)。(4)選擇坐標(biāo)系統(tǒng)和設(shè)定中央子午線(xiàn)。

將中海達(dá)GPS下載的原始文件拷貝到新建的文件夾下,在軟件中可直接導(dǎo)入。外業(yè)采用非中海達(dá)天線(xiàn),需使用該機(jī)原配傳輸軟件下載數(shù)據(jù),再用原配數(shù)據(jù)軟件轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)RINEX格式。比如:南方GPS和中海達(dá)GPS同時(shí)觀測(cè)時(shí),南方GPS應(yīng)該用南方的軟件傳輸和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換,因?yàn)槟戏降能浖?nèi)置了南方天線(xiàn)的參數(shù)。

2基線(xiàn)解算

2.1 基線(xiàn)精度評(píng)定指標(biāo)

GPS網(wǎng)相鄰點(diǎn)間弦長(zhǎng)中誤差按下式計(jì)算:。式中(mm)為固定誤差;(ppm)為比例誤差系數(shù);(km)為相鄰點(diǎn)間的距離。

各等級(jí)GPS網(wǎng)的主要技術(shù)要求(以《全球定位系統(tǒng)城市測(cè)量技術(shù)規(guī)程CJJ7397》為例)如表1。

值是GPS精度指標(biāo)的基礎(chǔ),基線(xiàn)精度限差都是計(jì)算得出。主要限差有:RATIO、整數(shù)解誤差、同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差和重復(fù)基線(xiàn)較差。

2.2 基線(xiàn)的選擇組網(wǎng)

在傳統(tǒng)的三角測(cè)量的中,對(duì)網(wǎng)形的邊長(zhǎng)和夾角有嚴(yán)格的要求,而在靜態(tài)GPS測(cè)量規(guī)范中,對(duì)網(wǎng)形沒(méi)有如此嚴(yán)格的規(guī)定。以致于許多測(cè)繪人員在布網(wǎng)時(shí),對(duì)網(wǎng)形不是很重視。其實(shí)對(duì)于靜態(tài)GPS網(wǎng)來(lái)說(shuō),網(wǎng)形一樣很重要,因?yàn)榫W(wǎng)形不好會(huì)導(dǎo)致環(huán)閉合差偏大,不易通過(guò)檢驗(yàn)。

在靜態(tài)GPS測(cè)量中,為了提高效率通常使用多臺(tái)GPS同時(shí)觀測(cè),有時(shí)多達(dá)10臺(tái)。因同步的GPS接收機(jī)數(shù)量多,產(chǎn)生基線(xiàn)的數(shù)量大。為了提搞數(shù)據(jù)處理效率,簡(jiǎn)化網(wǎng)形。簡(jiǎn)化網(wǎng)形最主要方式就是禁用多余基線(xiàn)。在實(shí)際軟件操作中,不宜刪除基線(xiàn),而使用禁用功能。因?yàn)閯h除是不可逆的,而禁用基線(xiàn)后還可以解除禁用。最簡(jiǎn)閉合環(huán)邊數(shù),可參考規(guī)范。

《全球定位系統(tǒng)城市測(cè)量技術(shù)規(guī)程CJJ7397》中關(guān)于閉合環(huán)的最多邊數(shù)規(guī)定如表2。

比如四等網(wǎng),規(guī)范規(guī)定不大于10條邊,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在實(shí)際工作中最簡(jiǎn)閉合環(huán)邊數(shù)不宜超過(guò)6條邊的。在軟件實(shí)際解算時(shí),往往只列出三邊閉合環(huán)結(jié)果,實(shí)際上多邊閉合環(huán)可理解為是若干個(gè)三邊閉合環(huán)的組合,而且精度普遍較高,與規(guī)范規(guī)程并不沖突。

(1)邊緣部份需有基線(xiàn)連接,如圖1 IA947～I(xiàn)A939之間。

(2)基線(xiàn)跨越了多點(diǎn),需禁用。如圖1 IA900～I(xiàn)A895之間的基線(xiàn)。

(3)基線(xiàn)形成了小夾角或長(zhǎng)短邊。通常夾角不宜小于30°,相鄰邊長(zhǎng)長(zhǎng)度比例不宜超過(guò)1∶3或3∶1。如圖1IA900～I(xiàn)A903,夾角太小宜禁用。

2.3 粗差數(shù)據(jù)的刪除

粗差數(shù)據(jù)的刪除需借肋殘差圖工具,粗差數(shù)據(jù)的刪除是靜態(tài)GPS數(shù)據(jù)處理的核心部分。在GPS接收數(shù)據(jù)時(shí),受電離層、多路徑效應(yīng)和無(wú)線(xiàn)電干擾等影響,會(huì)出現(xiàn)粗差數(shù)據(jù)。在基線(xiàn)處理時(shí),刪除粗差數(shù)據(jù)主要遵循以下原則:(1)先看殘差圖的總體情況,再逐一刪除與標(biāo)準(zhǔn)值偏離較遠(yuǎn)的數(shù)據(jù),宜每刪除一段數(shù)據(jù),就處理一次。(2)同一個(gè)時(shí)段的基線(xiàn)使用同一個(gè)參考衛(wèi)星,通常軟件會(huì)自動(dòng)選擇。(3)衛(wèi)星高度不夠,時(shí)間不長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需刪除,從理論上講4個(gè)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)就能得到固定解。(4)盡量不要從中間冊(cè)除衛(wèi)星數(shù)據(jù),以保證數(shù)據(jù)完整性。

2.4 閉合差超限處理

在軟件中操作中,閉合差的計(jì)算是通過(guò)捜索閉合環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。軟件已內(nèi)置規(guī)范各項(xiàng)指標(biāo),在處理的過(guò)程中若超限,有相應(yīng)的提示,需重新處理基線(xiàn)。處理基線(xiàn)和捜索閉合環(huán),這一過(guò)程需反復(fù)進(jìn)行。HDS2003中閉合差計(jì)算比規(guī)范嚴(yán)格,如果軟件提示超限后,可根據(jù)相關(guān)規(guī)范自行計(jì)算限差判斷是否超限。

3三維無(wú)約束平差

GPS網(wǎng)的無(wú)約束平差指的是在平差時(shí)不引入會(huì)造成GPS網(wǎng)產(chǎn)生由非觀測(cè)量所引起的變形的外部起算數(shù)據(jù),主要作用有以下幾個(gè)方面: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;得到GPS網(wǎng)中各個(gè)點(diǎn)在WGS-84系下經(jīng)過(guò)了平差處理的三維空間直角坐標(biāo);為將來(lái)可能進(jìn)行的高程擬合,提供經(jīng)過(guò)了平差處理的大地高數(shù)據(jù)。

在三維無(wú)約束平差中,最重要一個(gè)指標(biāo)是T檢驗(yàn),限差小于1。T檢驗(yàn)不合格就說(shuō)明GPS內(nèi)還有粗差數(shù)據(jù),主要原因?yàn)闉?(1)網(wǎng)形不合理存在明顯的長(zhǎng)短邊和小夾角。(2)基線(xiàn)處理時(shí),有粗差數(shù)據(jù)沒(méi)有刪除。(3)處理同一個(gè)時(shí)段的基線(xiàn)時(shí),沒(méi)有使用同一組衛(wèi)星。

在平差時(shí),軟件會(huì)提示某條基線(xiàn)T檢驗(yàn)超限,實(shí)際情況是與此基線(xiàn)所在同一閉合環(huán)的基線(xiàn)都可能有問(wèn)題。處理時(shí)相關(guān)基線(xiàn)可重解算或調(diào)整網(wǎng)形,禁用誤差大的基線(xiàn)。這一個(gè)過(guò)程也有是一個(gè)反復(fù)的過(guò)程,需要有耐心調(diào)整基線(xiàn)和網(wǎng)形。

4二維約束平差

已知點(diǎn)是二維約束平差的依據(jù),三維無(wú)約束平差合格說(shuō)明GPS網(wǎng)本身精度已合格,要轉(zhuǎn)換成當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)還需輸入已知點(diǎn)。輸入已知點(diǎn)后,通過(guò)參數(shù)計(jì)算可知已知點(diǎn)殘差,從殘差數(shù)值可得出各已知點(diǎn)與GPS網(wǎng)形的適應(yīng)性。從而達(dá)到檢查已知點(diǎn)的目的。使用HDS2003軟件平差結(jié)束時(shí),超限會(huì)提示。在二維約束平差中最重要指標(biāo)是二維平差基線(xiàn)邊的相對(duì)中誤差和點(diǎn)位中誤差。這些指標(biāo)在平差報(bào)告中有明確的顯示,可根據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行精度的評(píng)定。

5高程擬合

GPS直接觀測(cè)值為大地高,而我們實(shí)際運(yùn)的高程為正常高。通常我們通過(guò)水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)方法得到測(cè)區(qū)部分控制點(diǎn)的正常高,與GPS大地高對(duì)比。得出這部分點(diǎn)的高程異常,據(jù)此采用一定數(shù)學(xué)模型,推算其它控制點(diǎn)正常高的過(guò)程,即高程擬合。這個(gè)過(guò)程有兩個(gè)關(guān)鍵的地方,聯(lián)測(cè)水準(zhǔn)點(diǎn)在整個(gè)測(cè)區(qū)的分布和數(shù)量。HDS2003中有三種擬合方式:平移、平面擬合和曲面擬合。只有一個(gè)或兩個(gè)已知高程點(diǎn),只能選擇平移;3個(gè)到5個(gè)已知高程點(diǎn)可選擇平面擬合;6個(gè)以上已知高程點(diǎn)可選擇曲面擬合。

在實(shí)際工作中,據(jù)經(jīng)驗(yàn)若要達(dá)到等外水準(zhǔn)的精度,測(cè)區(qū)的四周及中央要均勻分布水準(zhǔn)點(diǎn)。聯(lián)測(cè)水準(zhǔn)的GPS點(diǎn)一般需占總數(shù)的30%以上。平差后首先要進(jìn)行內(nèi)符合精度檢查,再進(jìn)行外符合精度檢查。在平差時(shí)選擇幾個(gè)水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)點(diǎn)不要輸入水準(zhǔn)成果,平差后的高程成果與水準(zhǔn)成果對(duì)比,即水準(zhǔn)擬合外符合精度檢查。若高程較差小于4cm～5cm,可視為已達(dá)到等外水準(zhǔn)精度。最后將檢查點(diǎn)的水準(zhǔn)高補(bǔ)輸入軟件中,重平差。

6結(jié)語(yǔ)

對(duì)于普通工程測(cè)繪人員講,主要從事GPS-D或E級(jí),以及更低級(jí)的控制測(cè)量,掌握廠家附送的商業(yè)軟件,足以應(yīng)對(duì)工程測(cè)量的控制工作。其它GPS廠家如南方、華測(cè)和天寶也有靜態(tài)處理軟件,但大同小異。一般數(shù)據(jù)處理流程為,新建數(shù)據(jù)處理的工作環(huán)境、基線(xiàn)解算、閉合環(huán)組網(wǎng)、三維無(wú)約束平差、二維無(wú)約束平差和高程擬合。根據(jù)規(guī)范的精度指標(biāo),基線(xiàn)解算、閉合環(huán)組網(wǎng)和三維無(wú)約束平差需反復(fù)多次,達(dá)到精度指標(biāo)為止,這一個(gè)過(guò)程也是數(shù)據(jù)處理的核心部份。二維平差和高程擬合除觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量外,與起算點(diǎn)本身精度也有直接關(guān)系。在精度不達(dá)標(biāo)時(shí),一定要分清GPS網(wǎng)本身精度不足,還是起算點(diǎn)精度不足。只有準(zhǔn)確判斷精度不達(dá)標(biāo)的原因,才能確定下一步的數(shù)據(jù)處理方案。若GPS網(wǎng)本身精度不足,應(yīng)該重新處理相關(guān)基線(xiàn),重新組網(wǎng)。若起算點(diǎn)精度不足,應(yīng)該找出精度不足的一個(gè)或多個(gè)點(diǎn),刪除或更換。

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