利用HDS2003軟件進行靜態GPS網的數據處理的方法

劉偉

摘要:結合靜態GPS測量的基本原理和相關測量規范,使用中海達HDS2003數據處理軟件,探討靜態GPS控制測量數據處理的過程。對于一些常見的問題,提出解決的方法。

關鍵詞:靜態GPS控制網基線向量二維平差高程擬合

中圖分類號:P2 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)04(c)-0019-02

GPS定位測量是接收GPS衛星信號實現空間定位的一種高新測量技術。一般而言,GPS具有全天候作業、觀測操作簡便、布網自由、觀測與數據處理自動化程度高、同時提供三維坐標、定位精度高等特點。鑒于靜態GPS測量的特點,在等級控制測量中,靜態GPS測量得到了廣泛的應用。目前GNSS高精度數據處理軟件有GAMIT和Bernese等,數據處理較繁瑣。但用于低等級的GPS網數據處理,一般用GPS廠家提供的隨機軟件結合相關規范規程,就能滿足生產需要。本文就利用HDS2003軟件進行GPS控制網的數據處理為例,對靜態GPS網數據處理的方法進行探討。

1新建數據處理的工作環境

新建項目的主要目的是輸入靜態GPS網處理基本參數,建立數據處理的環境。在數據處理之前,必須明確以下幾項內容。

(1)項目所需要的坐標系統、中央子午線和高程系統。(2)已知點的坐標系統、中央子午線和高程系統。(3)根據項目技術設計,本GPS網是什么等級或主要技術指標。

通常情況下,項目所需要的坐標系統、中央子午線和高程系統和已知點的坐標系統、中央子午線和高程系統是一致的。若不一致,需坐標轉換。

以HDS2003為例介紹工程項目文件建立過程。(1)選擇文件夾存貯的位置和名稱。(2)按實際情況的輸入項目細節。(3)選擇數據處理的依據和控制網等級。(4)選擇坐標系統和設定中央子午線。

將中海達GPS下載的原始文件拷貝到新建的文件夾下,在軟件中可直接導入。外業采用非中海達天線,需使用該機原配傳輸軟件下載數據,再用原配數據軟件轉換到標準RINEX格式。比如:南方GPS和中海達GPS同時觀測時,南方GPS應該用南方的軟件傳輸和數據格式轉換,因為南方的軟件內置了南方天線的參數。

2基線解算

2.1 基線精度評定指標

GPS網相鄰點間弦長中誤差按下式計算:。式中(mm)為固定誤差;(ppm)為比例誤差系數;(km)為相鄰點間的距離。

各等級GPS網的主要技術要求(以《全球定位系統城市測量技術規程CJJ7397》為例)如表1。

值是GPS精度指標的基礎,基線精度限差都是計算得出。主要限差有:RATIO、整數解誤差、同步環閉合差、異步環閉合差和重復基線較差。

2.2 基線的選擇組網

在傳統的三角測量的中,對網形的邊長和夾角有嚴格的要求,而在靜態GPS測量規范中,對網形沒有如此嚴格的規定。以致于許多測繪人員在布網時,對網形不是很重視。其實對于靜態GPS網來說,網形一樣很重要,因為網形不好會導致環閉合差偏大,不易通過檢驗。

在靜態GPS測量中,為了提高效率通常使用多臺GPS同時觀測,有時多達10臺。因同步的GPS接收機數量多,產生基線的數量大。為了提搞數據處理效率,簡化網形。簡化網形最主要方式就是禁用多余基線。在實際軟件操作中,不宜刪除基線,而使用禁用功能。因為刪除是不可逆的,而禁用基線后還可以解除禁用。最簡閉合環邊數,可參考規范。

《全球定位系統城市測量技術規程CJJ7397》中關于閉合環的最多邊數規定如表2。

比如四等網,規范規定不大于10條邊,根據經驗在實際工作中最簡閉合環邊數不宜超過6條邊的。在軟件實際解算時,往往只列出三邊閉合環結果,實際上多邊閉合環可理解為是若干個三邊閉合環的組合,而且精度普遍較高,與規范規程并不沖突。

(1)邊緣部份需有基線連接,如圖1 IA947～IA939之間。

(2)基線跨越了多點,需禁用。如圖1 IA900～IA895之間的基線。

(3)基線形成了小夾角或長短邊。通常夾角不宜小于30°,相鄰邊長長度比例不宜超過1∶3或3∶1。如圖1IA900～IA903,夾角太小宜禁用。

2.3 粗差數據的刪除

粗差數據的刪除需借肋殘差圖工具,粗差數據的刪除是靜態GPS數據處理的核心部分。在GPS接收數據時,受電離層、多路徑效應和無線電干擾等影響,會出現粗差數據。在基線處理時,刪除粗差數據主要遵循以下原則:(1)先看殘差圖的總體情況,再逐一刪除與標準值偏離較遠的數據,宜每刪除一段數據,就處理一次。(2)同一個時段的基線使用同一個參考衛星,通常軟件會自動選擇。(3)衛星高度不夠,時間不長的數據需刪除,從理論上講4個衛星觀測數據就能得到固定解。(4)盡量不要從中間冊除衛星數據,以保證數據完整性。

2.4 閉合差超限處理

在軟件中操作中,閉合差的計算是通過捜索閉合環來實現的。軟件已內置規范各項指標,在處理的過程中若超限,有相應的提示,需重新處理基線。處理基線和捜索閉合環,這一過程需反復進行。HDS2003中閉合差計算比規范嚴格,如果軟件提示超限后,可根據相關規范自行計算限差判斷是否超限。

3三維無約束平差

GPS網的無約束平差指的是在平差時不引入會造成GPS網產生由非觀測量所引起的變形的外部起算數據,主要作用有以下幾個方面: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;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;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。

在三維無約束平差中,最重要一個指標是T檢驗,限差小于1。T檢驗不合格就說明GPS內還有粗差數據,主要原因為為:(1)網形不合理存在明顯的長短邊和小夾角。(2)基線處理時,有粗差數據沒有刪除。(3)處理同一個時段的基線時,沒有使用同一組衛星。

在平差時,軟件會提示某條基線T檢驗超限,實際情況是與此基線所在同一閉合環的基線都可能有問題。處理時相關基線可重解算或調整網形,禁用誤差大的基線。這一個過程也有是一個反復的過程,需要有耐心調整基線和網形。

4二維約束平差

已知點是二維約束平差的依據,三維無約束平差合格說明GPS網本身精度已合格,要轉換成當地坐標還需輸入已知點。輸入已知點后,通過參數計算可知已知點殘差,從殘差數值可得出各已知點與GPS網形的適應性。從而達到檢查已知點的目的。使用HDS2003軟件平差結束時,超限會提示。在二維約束平差中最重要指標是二維平差基線邊的相對中誤差和點位中誤差。這些指標在平差報告中有明確的顯示,可根據相關規范進行精度的評定。

5高程擬合

GPS直接觀測值為大地高,而我們實際運的高程為正常高。通常我們通過水準聯測方法得到測區部分控制點的正常高,與GPS大地高對比。得出這部分點的高程異常,據此采用一定數學模型,推算其它控制點正常高的過程,即高程擬合。這個過程有兩個關鍵的地方,聯測水準點在整個測區的分布和數量。HDS2003中有三種擬合方式:平移、平面擬合和曲面擬合。只有一個或兩個已知高程點,只能選擇平移;3個到5個已知高程點可選擇平面擬合;6個以上已知高程點可選擇曲面擬合。

在實際工作中,據經驗若要達到等外水準的精度,測區的四周及中央要均勻分布水準點。聯測水準的GPS點一般需占總數的30%以上。平差后首先要進行內符合精度檢查,再進行外符合精度檢查。在平差時選擇幾個水準聯測點不要輸入水準成果,平差后的高程成果與水準成果對比,即水準擬合外符合精度檢查。若高程較差小于4cm～5cm,可視為已達到等外水準精度。最后將檢查點的水準高補輸入軟件中,重平差。

6結語

對于普通工程測繪人員講,主要從事GPS-D或E級,以及更低級的控制測量,掌握廠家附送的商業軟件,足以應對工程測量的控制工作。其它GPS廠家如南方、華測和天寶也有靜態處理軟件,但大同小異。一般數據處理流程為,新建數據處理的工作環境、基線解算、閉合環組網、三維無約束平差、二維無約束平差和高程擬合。根據規范的精度指標,基線解算、閉合環組網和三維無約束平差需反復多次,達到精度指標為止,這一個過程也是數據處理的核心部份。二維平差和高程擬合除觀測數據質量外,與起算點本身精度也有直接關系。在精度不達標時,一定要分清GPS網本身精度不足,還是起算點精度不足。只有準確判斷精度不達標的原因,才能確定下一步的數據處理方案。若GPS網本身精度不足,應該重新處理相關基線,重新組網。若起算點精度不足,應該找出精度不足的一個或多個點,刪除或更換。

參考文獻

[1] CJJ 73-97,全球定位系統城市測量技術規程[S].北京:中國建筑工業出版社, 1997.

[2] GB/T 18314-2009,全球定位系統(GPS)測量規范[S].北京:中國標準出版社,2009.

[3] HDS2003GPS數據處理軟件使用手冊[S].廣州:中海達測繪儀器有限公司.