GPS精密測量研究實驗

張彪，劉浩

(鐵道第三勘察設計院航遙測繪分院，天津 300251)

GPS精密測量研究實驗

張彪?，劉浩

(鐵道第三勘察設計院航遙測繪分院，天津 300251)

結合GPS和全站儀測量數據，分析影響GPS測量精度的相關因素，并提出了相應的處理措施。同時就GPS測量內符合精度、外符合精度以及觀測時段長度對GPS精度的影響，提出了作者自己的觀點供大家參考。

GPS測量；精度統計；誤差分析

1 引 言

全球定位系統(GPS)是美國于1994年全面建成。GPS系統的建立為測量工作提供了一個嶄新的定位測量手段。由于GPS測量技術具有高精度、速度快、成本低的顯著優點，因而目前GPS在工程中的應用已越來越廣泛，利用GPS建立工程控制網已普遍展開，對于絕對精度達到毫米級的GPS工程變形監測也有不少成功實踐。但這一精度是否可靠以及它是在怎樣的觀測環境、觀測方案和具體設備下實現，成了目前研究的主要方向，針對這一問題，我們做了以下的實驗驗證。

2 實驗驗證

2.1 GPS監測點的選擇

GPS監測點的選擇，為了方便實驗數據的外業采集，保證觀測工作的順利進行和獲取可靠的觀測結果，收集了現有GPS點的分布及保存情況，最終選取了4個強制歸心觀測墩作為本實驗的GPS點，其站點及儀器設置如圖1所示。

圖1 站點及儀器設置示意圖

2.2 GPS測量技術方案及設備

(1)GPS網的設計

本次實驗采用網連式的布網形式，這樣構網便于組成較多的同步環、異步環及復測基線，具有較強的幾何強度和多余觀測，網中最長邊為450 m左右，最短邊為20 m左右，屬于超短基線網，在WGS－84下作無約束平差(基準由軟件自定)檢驗其精度。

(2)外業采集儀器設備

此次實驗我們選用TOPCON Legacy－E雙頻接收機(簡稱LE型)并配有TOPCON CR－3扼流圈天線。

2.3 GPS數據獲取

(1)數據獲取工作安排兩天完成，每天觀測兩個時段，每個時段長6 h，儀器不搬站，觀測人員要嚴格按照調度指令，按照規定時間進行作業，檢查接收機和天線連接無誤后，方可開機測量，每時段最少同時跟蹤4顆衛星方可記錄，數據采集間隔為30 s。

(2)在原有的GPS天線基座上，利用強制歸心裝置架設萊卡TS30全站儀(測距精度:0.6 mm＋1 ppm，測角精度0.5″，滿足實驗要求毫米級精度)和配套的萊卡圓棱鏡，通過6測回往返觀測法取平均值分別獲取各基線長度，作為檢測GPS測量外符合精度的參考數據。

全站儀觀測數據 表1

2.4 GPS數據處理

此次GPS測量實驗的數據處理工作采用隨機附帶的TOPCON Pinnacle軟件。在布設GPS網時，數據處理工作是隨著外業工作的展開分階段進行的。從算法角度分析，根據本實驗的具體情況，可將GPS網的數據處理流程分為數據傳輸、基線解算和網平差三個階段，流程如圖2所示。

(1)GPS基線處理

①基線解算采用的是靜態解算模型。

②在初步設置好處理參數后進行解算，發現6日第一時段的殘差圖的殘差有超過正負0.4周現象，而要求最好是在正負0.25周以內。基于此，我們刪除了該時段的S1、S3、S4測站的30＃衛星，S2測站的24＃、30＃的兩顆衛星。

圖2 GPS數據處理流程

(2)GPS基線檢核

①重復觀測邊的檢核

計算不同時段觀測結果的互差，該差值應小于相應級別規定精度的2倍；

同一條邊若有三個時段以上的觀測結果，則應計算各時段結果的平均值。其中任意時段的結果，與其平均值之差，應不超過相應級別的規定精度。

②嚴格進行基線重復性檢驗、同步環和異步環檢驗，同一基線在不同時段的△X、△Y、△Z分量及邊長S的較差，應滿足:

式中:n為同一基線的總觀測時段數；Ci為一個時段的基線某一分量或邊長；為該時段相應于Ci分量的方差；Cm為各時段的加權平均值。

基線精處理后，獨立閉合環或符合路線坐標分量閉合差應滿足:

式中:r為環中的基線數，C(i)＝△X(i)，△Y(i)，△Z(i)。

環線全長閉合差應滿足:

Dbi為環線中第i條基線的方差－協方差陣

③基線解算成果

通過對6小時的觀測時段進行的基線處理結果分析，得出各條基線解算成果表，如表2所示。

基線解算成果表 表2

(3)GPS網平差

在本實驗中，由于我們的目的是為了查看處理精度，并進行相關量的比較與分析，在這里我們采用WGS－84大地坐標系下無約束網平差。為了全面考核GPS測量網的內部附合精度，發現并剔除粗差。以每時段6小時的4個時段的觀測量為數據，基線選取方式見圖1，利用方位角中誤差及邊長距離等相關分量數據，通過點位中誤差和邊長中誤差計算公式，最終得出WGS－84坐標系下相應的精度指標，具體精度統計如表3所示。

表3的數據表明，本GPS網內附合精度已達到了亞毫米級。

GPS網平差后內符合精度表 表3

2.5 精度分析

為了比較該實驗的外符合精度，我們將在WGS－84坐標系下無約束網平差得出的基線結果與全站儀觀測的基線結果進行比較，如表4所示。

精度分析結果 表4

對比結果表明:檢測較差在0.1 mm～3.0 mm之間，邊長相對誤差在1/138328～1/490463之間，從單基線距離較差的相對精度來看，均不低于1/10萬，因此可以判斷此次GPS觀測點之間的相對關系好，GPS網精度高，成果可靠。

2.6 觀測時段長度對精度的影響

在實際工程測量中，人們不僅僅考慮精度因素而且還注重經濟成本以及工作效率，為了既提高測量效率，降低作業成本又保證GPS觀測精度，我們做了縮短時段的GPS數據處理實驗，以驗證不同的觀測時段的測量精度。具體時段的數據處理精度對比如表5所示。

分時段數據處理精度對比表 表5

從表5可以看出，在處理時段數不變的情況下，通過縮短觀測時段進行的數據處理精度，總體上是隨時段長度的縮短而遞減，但在2 h～6 h之間，其GPS觀測精度基本相同，并無明顯變化，精度隨時段明顯發生變化的是在20 min～2 h之間。這樣，我們可以從中得到一種啟示:為獲取不同的GPS觀測精度，在觀測時段上我們應在2 h之內進行相應的調整。

3 實驗結論

(1)利用本實驗的設計方案、數據處理步驟以及控制GPS技術的各種誤差對測量精度的影響的方法等，可以得到達到亞毫米級內符合精度以及毫米級的外符合精度。

(2)在處理時段數不變的情況下，通過逐步縮短觀測時段的數據處理實驗，得出了一個啟示:GPS測量精度總體上是隨時段長度的縮短而遞減，但在2 h～6 h之間，其GPS觀測精度基本相同，并無明顯變化，精度隨時段明顯發生變化的是在20 min～2 h之間。這樣，為獲取不同的GPS觀測精度，在觀測時段上我們應在2 h之內進行相應的調整。

[1] 周忠謨，易杰軍，周琪編著.GPS衛星測量原理與應用[M].北京:測繪出版社，2004

[2] 李征航，黃勁松編著.GPS測量與數據處理[M].武漢:武漢大學出版社，2005

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[4] 孔祥元，梅是義主編.控制測量學[M].武漢:武漢大學出版社，2003

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[8] TOPCON Pinnacle軟件中文操作手冊.

GPS Precision Survey Research Experiment

Zhang Biao，Liu Hao
(Aero Geophysical Survey＆Remote Sensing Branch Institute，The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300251，China)

This paper analyzes correlation factors that influence GPS survey precision by combining GPS and total station survey data and puts forward corresponding handling measurements.The authors give their own points of view in regard to GPS survey internal precision and external precision，and the influence that the length of observation period of time has on GPS precision.

GPS survey；precision statistics；error analysis

1672－8262(2011)02－68－03

P228

B

2010—10—28

張彪(1983—)，男，助理工程師，主要從事精密工程測量研究工作。