摘 要：本文結(jié)合天津某市資源勘查項(xiàng)目，以基于GPS的控制測量技術(shù)為研究對象，論文首先分析了GPS控制測量的技術(shù)流程，進(jìn)而探討了控制測量的布網(wǎng)方案，最后給出了數(shù)據(jù)處理中基線向量解算方案。

關(guān)鍵詞：GPS 控制測量 基線向量

中圖分類號：P2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（c）-0040-02

1 GPS控制測量技術(shù)概述

GPS控制測量工作與經(jīng)典大地測量工作相類似，按其性質(zhì)可分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩大部分。其中：外業(yè)工作主要包括選點(diǎn)（即觀測站址的選擇）、建立觀測標(biāo)志、野外觀測作業(yè)以及成果質(zhì)量檢核等；內(nèi)業(yè)工作主要包括GPS測量的技術(shù)設(shè)計(jì)、測后數(shù)據(jù)處理以及技術(shù)總結(jié)等。如果按照GPS測量實(shí)施的工作程序，則大體可分為這樣幾個階段：技術(shù)設(shè)計(jì)；選點(diǎn)與建立標(biāo)志；外業(yè)觀測；成果檢核與處理。作業(yè)方法：采用兩臺（或兩臺以上）接收機(jī)，分別安置在一條（或數(shù)條）基線的端點(diǎn)，根據(jù)基線長度和要求的精度，按GPS測量系統(tǒng)外業(yè)的要求同步觀測四顆以上的衛(wèi)星數(shù)時段，時段長度根據(jù)測量等級確定。定位精度：基線測量的精度可達(dá)±（5 mm+1 ppm×D），D為基線長度，以公里計(jì)。作業(yè)要求：采取這種作業(yè)模式所觀測的獨(dú)立基線邊，應(yīng)構(gòu)成閉合圖形（如：三角形、多邊形），以利于觀測成果的檢核，增強(qiáng)網(wǎng)的強(qiáng)度，提高成果的可靠性和精確性。適用范圍：建立國家大地控制網(wǎng)（二等或二等以下）；建立精密工程控制網(wǎng)，如橋梁測量、隧道測量等；建立各種加密控制網(wǎng)，如城市測量、工程點(diǎn)測量、道路測量、勘界測量等；觀測中至少跟蹤四顆衛(wèi)星，同時基線邊一般不要超過15 km；注意事項(xiàng)：所有已觀測基線應(yīng)組成一系列封閉圖形，已利于外業(yè)檢核，提高成果可靠度。

GPS測量是一項(xiàng)技術(shù)復(fù)雜、要求嚴(yán)格、耗費(fèi)較大的工作，對這項(xiàng)工作總的原則是，在滿足用戶要求的情況下，盡可能地減少經(jīng)費(fèi)、時間、和人力的消耗。因此，對其各階段的工作都要精心設(shè)計(jì)和實(shí)施。

GPS測量的工作程序見圖1。

2 工程概述

我單位2010年承擔(dān)了天津某市資源普查項(xiàng)目中的基礎(chǔ)控制測量、1：10000地形圖的測繪及本區(qū)的工程測量任務(wù)。工作量為D級控制點(diǎn)8個；工程點(diǎn)測量86個。工作區(qū)地勢總體呈現(xiàn)南高北低、東高西低。標(biāo)高850～1200 m左右，最大相對高差350 m。中部地區(qū)為高力罕河形成的平原，由南向北傾斜。標(biāo)高850～910 m，相對高差僅70～80 m，坡降2.5‰～3.0‰，地勢較平坦。

3 控制測量布網(wǎng)方案

3.1 平面與高程控制

測區(qū)首級平面控制采用D級GPS網(wǎng)，選用線形鎖形式布設(shè)。使用儀器為南方9600單頻GPS接收機(jī)?？刂凭W(wǎng)布設(shè)時力求圖形幾何結(jié)構(gòu)強(qiáng)，有良好的自檢能力和約束力。平面與高程控制均采用國家二等以上三角點(diǎn)作為起算點(diǎn)，聯(lián)測點(diǎn)個數(shù)不少于3個。

3.2 選點(diǎn)

由于GPS測量觀測站之間不一定要求相互通視，而且網(wǎng)的圖形結(jié)構(gòu)也比較靈活，所以選點(diǎn)工作比常規(guī)控制測量的選點(diǎn)簡便。但由于點(diǎn)位的選擇對于保證觀測工作的順利進(jìn)行并保證測量結(jié)果的可靠性有著重要的意義，所以在選點(diǎn)工作開始前，除收集和了解有關(guān)測區(qū)的地理情況和原有測量控制點(diǎn)分布及標(biāo)架、標(biāo)型、標(biāo)石完好情況，決定其適宜的點(diǎn)位外，選點(diǎn)工作還應(yīng)遵守以下原則。

（1）點(diǎn)位應(yīng)設(shè)在易于安裝接收設(shè)備、視野開闊的較高點(diǎn)上。（2）點(diǎn)位目標(biāo)要顯著，視場周圍15以上不應(yīng)有障礙物，以減小GPS信號被遮擋或被障礙物吸收。（3）點(diǎn)位應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源，其距離不小于200 m；遠(yuǎn)離高壓輸電線和微波無線電信號傳送綬道，其距離不得小于50 m，以避免電磁場對GPS信號的干擾。（4）點(diǎn)位附近不應(yīng)有大面積水域或不應(yīng)有強(qiáng)烈干擾衛(wèi)星信號接收的物體，以減弱多路徑效應(yīng)的影響（5）點(diǎn)位交通方便有利于其他手段擴(kuò)展與聯(lián)測的地方。（6）地面基礎(chǔ)穩(wěn)定，易于點(diǎn)的保存。（7）當(dāng)所選點(diǎn)位需要進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測時，選點(diǎn)人員應(yīng)實(shí)地踏勘水準(zhǔn)路線。

根據(jù)以上原則選擇了包括測區(qū)且分布較均勻的7個GPS點(diǎn)，之后埋設(shè)具有中心標(biāo)志的標(biāo)石，以精確標(biāo)志點(diǎn)位，點(diǎn)的標(biāo)石和標(biāo)志必須穩(wěn)定、堅(jiān)固以利長久保存和利用。

3.3 觀測

觀測作業(yè)的主要目的是捕獲GPS衛(wèi)星信號，并對其進(jìn)行跟蹤、處理和量測，以獲得所需要的定位信息和觀測數(shù)據(jù)。

由于本次測量有GPS接收機(jī)與天線是一體的，所以接收機(jī)在點(diǎn)位上對中整平后便可開機(jī)觀測。接收機(jī)鎖定衛(wèi)星并開始記錄數(shù)據(jù)后，觀測員可按照儀器隨機(jī)提供的操作手冊進(jìn)行輸人和查詢操作，在未掌握有關(guān)操作系統(tǒng)之前，不要隨意按鍵和輸人，一般在正常接收過程中禁止更改任何設(shè)置參數(shù)。

本次工作中，要求儀器操作人員應(yīng)注意以下事項(xiàng)。

（1）當(dāng)確認(rèn)外接電源電纜及天線等各項(xiàng)連接完全無誤后，方可接通電源，啟動接收機(jī)。（2）開機(jī)后接收機(jī)有關(guān)指示顯示正常并通過自檢后，方能輸人有關(guān)測站和時段控制信息。（3）接收機(jī)在開始記錄數(shù)據(jù)后，應(yīng)注意查看有關(guān)觀測衛(wèi)星數(shù)量、衛(wèi)星號、相位測量殘差、實(shí)時定位結(jié)果及其變化、存儲介質(zhì)記錄等情況。（4）一個時段觀測過程中，不允許進(jìn)行以下操作：關(guān)閉又重新啟動；進(jìn)行自測試（發(fā)現(xiàn)故障除外）；改變衛(wèi)星高度角；改變天線位置；改變數(shù)據(jù)采樣間隔；按動關(guān)閉文件和刪除文件等功能鍵。（5）每一觀測時段中，氣象元素一般應(yīng)在始、中、末各觀測記錄一次，當(dāng)時段較長時可適當(dāng)增加觀測次數(shù)。（6）在觀測過程中要特別注意供電情況，除在出測前認(rèn)真檢查電地容量是否充足外，作業(yè)中觀測人員不要遠(yuǎn)離接收機(jī)，聽到儀器的低電壓報(bào)警要及時予以處理，否則可能會造成儀器內(nèi)部數(shù)據(jù)的破壞或丟失。（7）儀器高一定要按規(guī)定始、末各量測一次，并及時輸人儀器及記人測量手簿之中。（8）接收機(jī)在觀測過程中不要靠近接收機(jī)使用對講機(jī)；雷雨季節(jié)架設(shè)天線要防止雷擊，雷雨過境時應(yīng)關(guān)機(jī)停測，并卸下天線。（9）觀測站的全部預(yù)定作業(yè)項(xiàng)目，經(jīng)檢查均已按規(guī)定完成，見記錄與資料完整無誤后方可遷站。（10）觀測過程中要隨時查看儀器內(nèi)存或硬盤容量，每日觀測結(jié)束后，應(yīng)及時將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至計(jì)算機(jī)硬、軟盤上，確保觀測數(shù)據(jù)不丟失。

3.4 觀測記錄

外業(yè)觀測中存儲介質(zhì)上的數(shù)據(jù)文件應(yīng)及時拷貝一式兩份，分別保存在專人保管的防水、防靜電的資料箱內(nèi)。存儲介質(zhì)的外面，適當(dāng)處應(yīng)貼制標(biāo)簽，注明文件名、網(wǎng)區(qū)名、點(diǎn)名、時段名、采集日期、測量手簿編號等。

接收機(jī)內(nèi)存數(shù)據(jù)文件在轉(zhuǎn)錄到外存介質(zhì)上時，不得進(jìn)行任何剔除或刪改，不得凋用任何對數(shù)據(jù)實(shí)施重新加工組合的操作指令。本次測量使用的儀器為南方9600單頻GPS靜態(tài)接收機(jī)一套（三臺），標(biāo)稱精度5 mm+1 ppm。作業(yè)模式為經(jīng)典靜態(tài)定位。具體要求如下。

（1）衛(wèi)星截止高度角為15°。（2）有效觀測衛(wèi)星個數(shù)必須超過4個。（3）采樣間隔為5 s。（4）時段長度必須大于45 min。（5）幾何精度因子（PDOP）必須小于10，（實(shí)際觀測數(shù)為PDOP≤4）。（6）儀器天線高從三個方位量測三次取平均值。

其觀測網(wǎng)型見圖2。其中GPS1、2、3、4、5、6、7是覆蓋測區(qū)的GPS點(diǎn)，AMDL、DYTL、GLDB、DLAB、KLQQ分別是國家二等三角點(diǎn)。利用GLHH四等點(diǎn)檢核數(shù)據(jù)。

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 基線向量的解算

基線向量的解算是一個復(fù)雜的平差計(jì)算過程。解算時要顧及觀測時段中信號間斷引起的數(shù)據(jù)剔除、觀測數(shù)據(jù)粗差的發(fā)現(xiàn)及剔除、星座變化引起的整周未知參數(shù)的增加等問題。

基線處理完成后應(yīng)對其結(jié)果作以下分析和檢核。

（1）觀測值殘差分析。平差處理時假定觀測值僅存在偶然誤差。理論上，載波相位觀測精度為l%周，即對L1波段信號觀測誤差只有2 mm。因而當(dāng)偶然誤差達(dá)1 cm時，應(yīng)認(rèn)為觀測值質(zhì)量存在系統(tǒng)誤差或粗差。當(dāng)殘差分布中出現(xiàn)突然的跳變時，表明周跳未處理成功。（2）基線長度的精度。處理后基線長度中誤差應(yīng)在標(biāo)稱精度值內(nèi)。本次使用的單頻接收機(jī)的基線長度標(biāo)稱精度為5±1 ppm·D（km），對于20 km以內(nèi)的短基線，單頻數(shù)據(jù)通過差分處理可有效地消除電離層影響，從而確保相對定位結(jié)果的精度。（3）基線向量環(huán)閉合差的計(jì)算及檢核。由同時段的若干基線向量組成的同步環(huán)和不同時段的若干基線向量組成的異步環(huán)，其閉合差應(yīng)能滿足相應(yīng)等級的精度要求。其閉合差值應(yīng)小于相應(yīng)等級的限差值?；€向量檢核合格后，便可進(jìn)行基線向量網(wǎng)的平差計(jì)算（以解算的基線向量作為觀測值進(jìn)行無約束平差），平差后求得各GPS之間的相對坐標(biāo)差值，加上基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)值，求得各GPS點(diǎn)的坐標(biāo)。實(shí)際應(yīng)用中，往往要求得各GPS點(diǎn)在國家坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。為此；還需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將GPS點(diǎn)的坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換為國家坐標(biāo)系坐標(biāo)值。也可以將GPS網(wǎng)與地面網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)合平差，包括固定地面網(wǎng)點(diǎn)已知坐標(biāo)、邊長、方位角、高程等的約束平差，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，或?qū)PS基線網(wǎng)與地面網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)一并聯(lián)合平差。

4.2 外業(yè)數(shù)據(jù)檢核

基線向量解算完成后，要對野外觀測資料首先進(jìn)行復(fù)查，內(nèi)容包括：成果是否符合規(guī)范和設(shè)計(jì)的要求；進(jìn)行的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析是否符合實(shí)際；然后進(jìn)行下列項(xiàng)目的檢核。

（1）同步觀測邊的檢核：數(shù)據(jù)剔除率，剔除的觀測值個數(shù)與應(yīng)獲取的觀測個數(shù)的比值稱為數(shù)據(jù)剔除率。同一時段觀測值的數(shù)據(jù)剔除率，其值小于10%

（2）重復(fù)觀測邊的檢核：同一條基線邊若觀測了多個時段時，則可得到多個邊長結(jié)果。這種具有多個獨(dú)立觀測結(jié)果的邊就是重復(fù)觀測邊。對于重復(fù)觀測邊的任意兩個時段的成果互差，均滿足規(guī)范的要求。

（3）同步觀測環(huán)檢核：當(dāng)環(huán)中各邊為多臺接收機(jī)同步觀測時，由于各邊是不獨(dú)立的，所以其閉合差應(yīng)恒為零。但由于模型誤差和處理軟件的內(nèi)在缺陷，使得同步環(huán)的閉合差實(shí)際上仍可能不零，一般會存在很小的閉合差值，所以可把它作為成果質(zhì)量的一種檢核標(biāo)準(zhǔn)。同步環(huán)中第三邊處理結(jié)果與前兩邊的代數(shù)和之差應(yīng)小于下式：

（4）異步觀測環(huán)檢核：在整個GPS網(wǎng)中選取一組完全獨(dú)立的基線構(gòu)成獨(dú)立環(huán)，各獨(dú)立環(huán)的坐標(biāo)分量閉合差和全長閉合差應(yīng)符合下式：

式中：n為閉合環(huán)邊數(shù)；σ為相應(yīng)級別規(guī)定的精度。

本次控制測量的內(nèi)業(yè)處理軟件采用南方公司提供的隨機(jī)軟件《GPS數(shù)據(jù)處理軟件》，解算后對外業(yè)成果質(zhì)量進(jìn)行檢核。

閉合環(huán)最大節(jié)點(diǎn)數(shù)：3；閉合環(huán)總數(shù)：65；同步環(huán)總數(shù)：14；異步環(huán)總數(shù)：51。

根據(jù)同步觀測邊檢核，其閉合差最大值為Wx=2.861 mm；

Wy=-3.736 mm；Wz=-2.149 mm；Ws=3.582 mm。

根據(jù)異步觀測邊檢核，其閉合差最大值為Wx=-12.195 mm；Wy=-5.665 mm；Ws=16.601 mm。最弱邊相對中誤差最差為1∶425681。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可得：均滿足規(guī)范要求，成果可靠，滿足本次勘探工程測量的需要。

5 結(jié)論

應(yīng)用靜態(tài)GPS進(jìn)行平面控制測量，只要按規(guī)范及GPS操作規(guī)程使用，并用先進(jìn)的隨機(jī)處理軟件進(jìn)行解算，其成果完全能滿足資源勘查控制測量的要求。

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