西北油區(qū)GPS控制網(wǎng)布設(shè)方法探討

摘要：首先簡(jiǎn)單介紹了GPS定位技術(shù)在油區(qū)內(nèi)控制測(cè)量中的應(yīng)用，接著敘述了GPS控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)與布設(shè)，進(jìn)一步論述GPS控制網(wǎng)的基線解算、平差過程和誤差分析，最后提出了在工程測(cè)量中如何合理地利用GPS技術(shù)布設(shè)控制網(wǎng)，以期今后對(duì)類似工作有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：控制測(cè)量GPS控制網(wǎng)CQG2000

0 引言

GPS（Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System）是利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)時(shí)和測(cè)距，以構(gòu)成全球定位系統(tǒng)。GPS具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的精密三維導(dǎo)航與定位功能，并且速度快、精度高、成本低等特點(diǎn)。基于以上優(yōu)勢(shì)，GPS技術(shù)可廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量、海洋測(cè)量等測(cè)繪領(lǐng)域。

文章根據(jù)2007年以來在塔里木盆地和準(zhǔn)噶爾盆地油區(qū)內(nèi)所進(jìn)行的GPS控制網(wǎng)測(cè)量，簡(jiǎn)要說明其控制網(wǎng)的布設(shè)方法，以供參考。

1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及依據(jù)

本控制網(wǎng)布設(shè)方案依據(jù)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要有：《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》（GB/T18314-2009）、其它各種測(cè)繪的通用規(guī)范以及石油行業(yè)內(nèi)部使用的《鉆井井位勘定實(shí)施細(xì)則》）應(yīng)參照上述標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格按照施工設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行控制網(wǎng)的布設(shè)。但在控制網(wǎng)的基線長(zhǎng)度、觀測(cè)時(shí)間、解算精度、約束條件以及能否發(fā)展次一級(jí)網(wǎng)等方面，不同的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)有不同的要求。

2 GPS控制網(wǎng)設(shè)計(jì)

如何保證和檢核GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量是進(jìn)行GPS控制網(wǎng)的圖形設(shè)計(jì)時(shí)的重點(diǎn)，它主要是根據(jù)網(wǎng)的用途和所要達(dá)到的要求，在以上基礎(chǔ)上對(duì)接收機(jī)類型、數(shù)量和經(jīng)費(fèi)、時(shí)間、人力及后勤保障條件等各個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮，滿足以上前提后，再考慮最佳效益的獲取。

根據(jù)GPS測(cè)量的不同用途，GPS網(wǎng)的幾何圖形結(jié)構(gòu)可分為：三角形網(wǎng)、環(huán)形網(wǎng)、星形網(wǎng)和附和線路。為保證精度和質(zhì)量，針對(duì)西北油區(qū)實(shí)際地形、地貌等條件，GPS控制網(wǎng)采用三角形網(wǎng)法進(jìn)行布設(shè)（如下圖1）。

由非同步觀測(cè)的獨(dú)立邊所組成的各三角形邊是圖1中GPS三角形網(wǎng)的主要特點(diǎn)。這種網(wǎng)所具備的優(yōu)點(diǎn)是，幾何圖形結(jié)構(gòu)強(qiáng)，自檢能力良好，觀測(cè)成果的粗差可以有效發(fā)現(xiàn)，該網(wǎng)的可靠性有所保證。經(jīng)平差后網(wǎng)中相鄰點(diǎn)間基線向量的精度分布均勻。

根據(jù)有關(guān)資料文獻(xiàn)與相關(guān)技術(shù)要求分析可知，在布網(wǎng)時(shí)應(yīng)盡可能地選擇國(guó)家高等級(jí)三角點(diǎn)，且最好是同邊鄰點(diǎn)。盡可能地少選用低等級(jí)等點(diǎn)，可以避免因?yàn)榈偷燃?jí)控制點(diǎn)所造成的，在GPS控制網(wǎng)的約束平差時(shí)難以得到理想精度。而選擇同邊鄰點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)是，點(diǎn)位精度基本相同，能夠很好的將WGS-84坐標(biāo)較嚴(yán)密地轉(zhuǎn)換到BJ-54系統(tǒng)。這些因素都要在收集起算約束點(diǎn)的成果時(shí)進(jìn)行考慮。

3 控制網(wǎng)的計(jì)算平差

3.1 基線解算

各《規(guī)范》規(guī)定等級(jí)網(wǎng)相鄰點(diǎn)弦長(zhǎng)精度按下式表示；

σ=±■

式中：σ——標(biāo)準(zhǔn)差，mm；a——固定誤差，mm；b——比例誤差系數(shù)；D——相鄰點(diǎn)的距離，km。

《全球定位系統(tǒng)GPS測(cè)量規(guī)范》中規(guī)定在進(jìn)行C級(jí)以下各級(jí)GPS網(wǎng)解算中，15km內(nèi)的基線，須采用雙差固定解。15km以上的基線允許在雙差固定解和雙差浮點(diǎn)解中選擇最優(yōu)結(jié)果。

通常GPS商用軟件在對(duì)基線處理進(jìn)行設(shè)置后才能進(jìn)行基線處理。雙差固定解是GPS處理軟件所默認(rèn)的，一般來說在基線10km以內(nèi)，線方差比(ratio)大于3.0，可被認(rèn)為是符合《規(guī)范》中等級(jí)網(wǎng)的測(cè)量要求。誤差會(huì)隨著基線長(zhǎng)度的增加而相對(duì)增加。對(duì)于在基線解算中失敗的觀測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)通過以下四種方法進(jìn)行調(diào)整后解算，像調(diào)節(jié)衛(wèi)星高度截止角，調(diào)整采樣間隔，刪除周跳太多的歷元，更換參考衛(wèi)星等，如果解算結(jié)果仍不理想，則應(yīng)考慮野外返工。在適當(dāng)條件下也可放寬條件，如僅作為加密控制，或者要求較低等。確保平差精度要求，外業(yè)質(zhì)量檢核是極為重要的一環(huán)：①重復(fù)基線邊檢核。重復(fù)基線的長(zhǎng)度較差ds≤2■σ。其中σ在不同的《規(guī)范》內(nèi)表達(dá)意義不一樣，《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》指相應(yīng)級(jí)別規(guī)定的精度（按實(shí)際平均邊長(zhǎng)計(jì)算）。對(duì)于有復(fù)測(cè)基線互查超限的，要對(duì)方差比值進(jìn)行重新檢查，對(duì)于接近臨界值的，要對(duì)參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)置后解算，即使仍然超限也不能立即剔除返工，而應(yīng)該在異步環(huán)和同步環(huán)中做進(jìn)一步的分析，最終確定出含有粗差的基線。②同步環(huán)閉合差檢核。《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》中對(duì)同步閉合環(huán)的要求為：Wx，Wy，Wz≤■σ。對(duì)于閉合差超限的同步環(huán)應(yīng)仔細(xì)分析原因：為了取得最小的閉合差避免超限，在一個(gè)同步環(huán)中的基線解算組合方案應(yīng)相同；用以上四種方法調(diào)整后重新解算，取得最小閉合差；如果解算結(jié)果仍不理想，則應(yīng)進(jìn)一步在獨(dú)立環(huán)中繼續(xù)分析。③獨(dú)立環(huán)（異步環(huán)）閉合差檢核。《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》中對(duì)獨(dú)立閉合環(huán)的要求為：Wx，Wy，Wz≤3■σ，Ws≤3■σ（σ為相應(yīng)級(jí)別規(guī)定的精度）。對(duì)于閉合差超限的獨(dú)立環(huán)也應(yīng)仔細(xì)分析原因：如果獨(dú)立環(huán)中包含有同步環(huán)超限的基線，則應(yīng)對(duì)基線觀測(cè)段的星歷預(yù)報(bào)進(jìn)行重新審查，對(duì)衛(wèi)星分布狀況、PDOP、以及當(dāng)時(shí)的野外觀測(cè)條件進(jìn)行重新檢查；如獨(dú)立環(huán)中不包含同步環(huán)超限的基線，則將環(huán)中基線置于別的獨(dú)立環(huán)中觀察是否殘差太大，或利用重復(fù)基線進(jìn)行判定，最終判斷出可能存粗差的基線。

3.2無約束平差（經(jīng)典自由網(wǎng)平差） 在基線向量和各項(xiàng)質(zhì)量檢核符合要求后，用所有的獨(dú)立基線組成的GPS空間向量網(wǎng)，在WGS-84坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行無約束平差，它只需引入位置基準(zhǔn)信息，不會(huì)引起觀測(cè)值的變形和改正。在無約束平差中，基線向量的改正數(shù)絕對(duì)值應(yīng)符合下式規(guī)定：V△X，V△Y，V△Z≤3σ

無約束平差的重點(diǎn)在于考察GPS網(wǎng)本身的內(nèi)部符合精度，GPS網(wǎng)布設(shè)及觀測(cè)質(zhì)量的情況都由無約束平差的結(jié)果來反映，最后對(duì)網(wǎng)中是否有粗差基線進(jìn)行判定，如果有，則給予剔除補(bǔ)測(cè)。到此，自由網(wǎng)平差結(jié)果的精度反映了GPS測(cè)量的真實(shí)質(zhì)量。

3.3 約束平差 如造成約束點(diǎn)精度不均勻的原因在于國(guó)家BJ-54控制網(wǎng)是分級(jí)觀測(cè)，分區(qū)平差的，GPS控制網(wǎng)會(huì)因?yàn)榧s束點(diǎn)不夠好，強(qiáng)制約束差而發(fā)生扭曲或者變形，即使自由網(wǎng)精度很高，約束平差后的精度也可能不理想。

而已知點(diǎn)的精度不夠高，或者不是整體網(wǎng)，點(diǎn)位資料或者位置不正確等是造成約束平差達(dá)不到要求的幾個(gè)原因。

需要注意的是，在無約束平差后，得到的相對(duì)精度是1:100000；而約束平差后得到的相對(duì)精度僅為1:50000，那么最高的使用精度結(jié)果也就是1:50000。如果該次測(cè)量項(xiàng)目要求精度不低于1:100000的話，那么要重新設(shè)計(jì)觀測(cè)平差GPS網(wǎng)；如果該次測(cè)量項(xiàng)目要求的精度在1:100000與1:50000之間，則要重新選擇高精度約束點(diǎn)。

3.4高程擬合 油區(qū)內(nèi)工程測(cè)量區(qū)域通常是在國(guó)家等級(jí)GPS點(diǎn)和水準(zhǔn)點(diǎn)分布較少的地帶作業(yè)，很難得到GPS點(diǎn)的正常高與經(jīng)平差后的GPS大地高之間的高程異常值，因此經(jīng)三維平差后的大地高要想轉(zhuǎn)換到1985國(guó)家高程基準(zhǔn)系統(tǒng)會(huì)有一定難度。

通過收集國(guó)家高精度的CQG2000，可對(duì)GPS大地高做一次性轉(zhuǎn)換。CQG2000精度為±0.3～±0.5m。

而更高精度（點(diǎn)位內(nèi)插精度可達(dá)厘米級(jí)）的大地水準(zhǔn)面精化已在部分省份進(jìn)行，但收集費(fèi)用較高，如果要求高于上述《規(guī)范》，可采用該方法高精度轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)論

針對(duì)不同的施工項(xiàng)目和技術(shù)要求，在保證質(zhì)量的基礎(chǔ)上，考慮工期及費(fèi)用，從而制定出最合理的GPS控制網(wǎng)，這就要求在外業(yè)施工前，必須對(duì)已有控制資料做外業(yè)踏勘與內(nèi)業(yè)分析；完成觀測(cè)后，對(duì)于基線解算及網(wǎng)平差不理想的，應(yīng)仔細(xì)分析以縮小懷疑問題范圍。因?yàn)樵谖鞑颗璧貎?nèi)控制網(wǎng)點(diǎn)之間都比較遠(yuǎn)，地形不好，交通不便利，補(bǔ)測(cè)工作較為費(fèi)工費(fèi)時(shí)。

在西部盆地油區(qū)中工程測(cè)量的GPS控制網(wǎng)，無論是平面網(wǎng)或是高程網(wǎng)都必須有外檢核，才能夠進(jìn)行最可靠的精度評(píng)定。

參考文獻(xiàn)：

[1]張鳳舉.控制測(cè)量學(xué)[M].煤炭工業(yè)出版社，1999.8：6-5.

[2]國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì)、選點(diǎn)與數(shù)據(jù)處理[M].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001：3-5.

[3]國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.平面控制測(cè)量、高程控制測(cè)量和地形測(cè)量[M].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001：3-28.

[4]陳國(guó)平，張光宇.廣昆鐵路公山長(zhǎng)大隧道洞內(nèi)控制測(cè)量方案設(shè)計(jì)[J].昆明冶金高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2011，27（5）：14-17.