GPS在控制測量中的應用及精度分析

摘要：本文主要介紹了GPS在控制測量中的應用及精度分析。

關鍵詞：控制網；數據處理；精度指標

1.工程概況

A測量單位和B測量單位共同承擔了新疆*盆地*地區XX三維地震勘探資料采集項目任務。為圓滿完成此項目的前期測量任務，雙方設計并共同完成了新疆*盆地*地區XX三維地震勘探資料采集項目工區GPS控制網。由我方對該控制網進行數據處理、質量評定和驗收。

1.1 控制網的作業依據

1)SY/T5927—2000《石油物探全球衛星定位系統（GPS）測量規范》

2)中石化*分公司下發的《石油物探全球衛星定位系統動態測量技術實施細則（新疆探區）》中有關的技術規定。

3)《新疆*盆地*地區XX三維地震勘探資料采集項目技術設計》

1.2 布網方案

1.3.1 網點選擇及布設

根據本工區國家三角點分布情況和本工區對GPS控制網的要求，我建網工作分兩個階段完成，在工區內選擇17個符合建網要求的點，與2個Ⅰ級國家三角點、1個國家Ⅱ等三角點進行聯網觀測，構成了*盆地*地區XX工區GPS控制網點。

工區GPS控制網點作為以后放樣作業的基準站使用，埋置了永久性標志樁作為標志，標志規格15cm×120cm鋼管，儀器天線對中標志為鋼管頂端2mm圓孔。

1.3 GPS網的外業觀測

本次GPS控制網的建立分兩個階段進行，具體實施如下：

第一階段觀測分三期完成，每次觀測分別按測前、測后各量取3次儀器高。觀測中投入6臺Trimble系列接收機進行同步觀測，將A、B作為連接高等級國家三角點的連接點，在工區內按照石油物探測量規范對GPS控制網精度要求，對布設工區GPS控制網點進行觀測。

第二階段觀測于X年10月18日進行，投入10臺Trimble系列接收機，進行布網和整個工區的聯網觀測。

2 數據處理及精度指標分析

通過對野外數據的采集，工區GPS網的整體控制已完成。對原始數據檢核無誤后，我們使用Trimble系列接收機隨機軟件Trimble Geomatics Office對全部觀測數據統一進行基線解算和網平差計算。

2.1 基線解算的定義及內涵

基線解算即利用多個測站的GPS同步觀測數據，確定測站之間的坐標差的過程。

根據以上原理，我們使用Trimble 5700隨機軟件TGO對所測的GPS控制網作了基線解算。基線處理形式中的參數可以分成兩類：一是精化參數，主要用于控制參與基線處理的數據，達到精化基線的目的。一是非精化參數，僅用于控制顯示或表示解的質量。

基線的質量檢驗需要通過RMS、RATIO、PDOP、同步環閉和差、異步環閉和差和重復基線較差來進行。

參考因子又稱單位權方差因子（σ0）,

0= ( 2.1 )

其中：V為觀測值；P為觀測值的權；f=m-sv-2（m為誤差方程個數，sv為觀測的衛星個數）。

比率（RADIO）反映了所確定出的整周未知數參數的可靠性，這一指標取決于多種因素，既與觀測值的質量有關，也與觀測條件的好壞有關。RADIO=RMS次最小/RMS最小

RMS即均方根誤差，它表明了觀測值的質量，觀測值質量越好，RMS越小，反之，觀測值質量越差，則RMS越大，它不受觀測條件（觀測期間衛星分布圖形）的好壞的影響。

2.3 基線的精化處理

如基線處理不通過，則對未通過的基線進行精化處理。在TGO軟件中通過觀察殘差圖和時序器（timeline），區別導致基線質量控制指標超限的不同原因進行精化處理。如刪除個別衛星；刪除含有周跳的時段；調整衛星截止高度角等手段。

1)2.3.1質量控制指標

1)距離中誤差：σ=( 4.5 )

式中σ——標準差（基線向量的弦長中誤差mm）；

a ——固定誤差（mm）；

b ——比例誤差系數（1 x 10-6）；

D ——相鄰點間的距離（km）。

各等級GPS網的主要技術要求應符合規范規定。相鄰點最小距離應為平均距離的1/2—1/3；最大距離為平均的2—3倍。

將此網按C級網的精度可求得 σ為30.007mm。

2)重復基線較差、同步觀測環差值、異步環觀測環差值、基線改正數、無約束平差中基線分量的改正數、約束平差中，基線分量的改正數與通過粗差剔除后的無約束平差結果的同一基線相應改正數較差的絕對值均須遵循國家規范要求的限差。

否則，認為作為約束的已知坐標、已知距離、已知方位中存在一些誤差較大的值，應采用自動或人工的方法剔除這些誤差較大的約束值，直至上式滿足。

2.4 基線處理情況概況

因為本次建網進行了分時段觀測，觀測時間長，在解算完所有基線后，基線數據處理質量較好，共產生了180條基線向量構成工區GPS網。基線邊長最長為94.502公里，最短為5.410公里，平均邊長33.772公里。達到了石油物探測量Ⅱ級網的精度。

由于控制網采取分期、分時段的形式進行觀測，因而在基線處理的過程中，產生了大量的同步環和異步環。由180條基線，共構成了350個同步閉合環、1779個異步閉合環、166條重復基線，各類閉合差達到建網技術設計和測量施工設計的精度要求。各時段解向量的重復性反映了基線解的內部精度，是衡量基線解質量的一個重要指標。同步環閉合差反映了本工區GPS網同步環數據質量的好壞，而異步環閉合差反映的是整個工區GPS網的外業觀測質量和基線解算質量的可靠性，相對于同步環閉合差，異步環閉合差對GPS成果質量更為重要。

由數值統計可以看出，GPS觀測的精度和內部構造符合情況很好，*盆地*地區XX工區GPS控制網的野外數據采集質量較好，基線處理的精度達到了施工設計的要求。

2.5 基線向量網平差

基線向量網平差，即以GPS基線向量為觀測值，以其方差陣之逆為權，進行計算求定各GPS網點的坐標并進行精度評定。

2.5.1 三維無約束網平差

平差在WGS-84三維空間直角坐標系下進行，平差時不引入使得GPS網產生由非觀測量所引起的變形的外部約束條件。

其作用為：

1)評定GPS網的內部符合精度，發現和剔除GPS觀測值中可能存在的粗差

2)得到GPS網中各個點在WGS-84系下經過了平差處理的三維空間直角坐標

3)為將來可能進行的高程擬合，提供經過了平差處理的大地高數據

基線向量改正數絕對值滿足：

V△x、 V△y、 V△z≤中誤差限制

協方差項滿足：水平精度和三維精度在網的等級精度要求之內。通過對基線質量和閉合環質量檢核后，選擇基準為WGS-84坐標系，在WGS-84坐標系下進行無約束網平差，平差后的各項精度統計表明了對觀測誤差估計的準確度，反映了基線解算的正確性，控制網內部符和精度較好，基線向量之間無粗差。

2.5.2 約束網平差

三維無約束平差的基準軟件默認為WGS-84系統，差方檢驗通過，各點的坐標變化量均為0，無超限觀測值等幾項主要精度指標通過后，三維無約束平差即完成，爾后同樣在基準為WGS-84坐標系下，以1個已知點（A）的大地坐標為起算點，以已知點B、C為檢核點進行約束網平差。通過兩種不同的平差方式，我們分別獲取了各自的約束網平差坐標，從各項精度統計可以看出，無論是單點約束平差，或是兩個點都約束參與平差，各項精度指標都達到規范和設計要求。我們經過對比還可以發現，無論是單點約束平差，或是雙點約束平差，其成果之間的差異是很小的，是完全能夠滿足石油物探測量生產需要的。

根據以上對比情況，我們采用了更為合理的雙點約束平差后的網點成果作為工區的控制網成果，根據中石油在*盆地建立B級網點獲取的轉換三參數和適用于*盆地的新一代高程異常拾取程序（CQG2000高程擬合軟件），我們將雙點約束平差后得到的WGS-84坐標系下的坐標進行解算，最終成果平面采用1954北京坐標系；高程采用1956黃海高程系，求取了工區控制網點的1954北京坐標系6度帶15帶平面坐標和海拔高成果。

3 總結

從以上的各種精度統計可以看出，本工區控制網的建立是可靠的，可以滿足本工區測量施工需要。此網從外業數據采集、基線處理到無約束平差，再到約束平差，一個完整的GPS靜態測量數據處理過程憑借Trimble 5700及其隨機軟件TGO完成全部工作，在其生成的各項報告中，各項精度指標也比較完善和直觀，

通過此項目在實踐中的應用及其分析，也進一步說明了GPS導航定位以其高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便、應用廣泛等特點著稱，在GPS測量領域具有不可替代的優勢。

參考文獻

[1]徐紹銓 張華海，等。GPS測量原理及應用[M]。武漢：武漢大學出版社，2003年。

[2]魏二虎，等。 GPS測量操作與數據處理[M]。武漢：武漢大學出版社，2004年。

作者簡介：

劉霞（1973- ），女，新疆大學畢業，工程師，主要從事GPS應用工作。

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