黑龍江省富裕縣GPS E級網的設計與實現

郎柏林

摘要：本文通過富裕縣GPS E級網的實施過程來探討小城鎮GPS基準網的布設方案和數據處理方法，總結了GPS基準網建立的主要方法，詳細深入研究網形布設、基線解算、平差以及質量控制等關鍵問題，并對成果進行了分析和評價。

關鍵詞：GPS ；E級網；數據處理；精度分析中圖分類號： P228.4 文獻標識碼： A

由于GPS定位技術操作簡便快捷，布網和觀測不受時間和空間的限制；精度高、速度快、數據采集和數據處理自動化程度高，有常規測量模式不可比擬的優越性。因此，GPS在富裕縣建設測量中得到了廣泛的應用，現本文著重就GPS在富裕縣的布網及應用給予介紹。

1工程概況

富裕縣位于黑龍江松嫩平原。為科學高效的做好小城鎮規劃工作，所有縣屬鄉鎮必須統一基準、統一標準、統一工作方法，以便更好的為富裕縣開發建設服務。因此，必須建立富裕縣GPS基準網。

2GPS基準網的布設

富裕縣GPS基準網的布設是以小城鎮規劃建設目的，要求GPS網點具有一定密度和較高的精度。此控制網共布設26個點，設計等級為E級，最弱點點位中誤差水平分量不大于0.050m、高程分量不大于0.080m，其中最長邊約3.4km，最短邊約2.3km。控制網的坐標系統與原有地形圖、高一級GPS網點等資料保持一致。最終坐標換算為1954年北京坐標系，1956年黃海高程系。

3GPS網的選點與埋石

GPS網的選點，要求點位視野開闊，目標明顯，周圍截止高度角10°以上，沒有成片障礙物，并便于安置GPS接收機和操作；遠離大功率無線電發射臺及高壓輸電線，距離＞500m；交通便利，而且安全、穩定，便于長期保存和利用。標石必須埋直、埋正、牢固，便于長期保存，標石埋置至少低于地面30cm，不易被破壞，標石埋好后，及時在現場繪制出詳盡的點之記。標石規格按中華人民共和國測繪行業標準《全球定位系統(GPS)測量規范》CH2009-92中附錄B之(Ⅰ)一般普通標石，用鋼筋混凝土澆注制做。

4GPS網的觀測方案

GPS網的觀測采用8臺南方雙頻GPS接收機按6個基本圖形，為便于外業觀測數據的檢核，增加外業觀測數據的可靠性，每一測站不同時段重復觀測次數不少于1.6次，接收時間均為1小時以上，接收截止高度角為15°，歷元間隔15″。觀測時，精確對中整平，對中誤差小于±3mm。儀器高度的量取，取觀測時段前后兩次的均值，兩次量取儀器高度之差不超過3mm。

5基線精度影響因素

1)起算點對基線精度影響在GPS精密相對定位數據處理中，定位的基準是由基準站坐標和衛星星歷共同給出的。嚴格的說，應要求地面站坐標的框架及歷元與衛星星歷的框架及歷元保持一致性。基線解算中，起算點(基準站)的精度將影響基線的精度。起算點對基線解算的最大影響可以用下式表示：

δs=0.50×10-4.D.δx1

式中δs為對基線的影響，D為基線的長度，δx1為起算坐標的誤差。

令起算坐標的誤差為20cm，如基線的長度為100km，則起算坐標對其影響為10cm。為了保證這一精度，網中V01點為A級GPS網點，精度優于20cm，其對100km左右基線的影響可以忽略不計，因而可以將其作為起算點。同時網中8個松嫩平原高精度GPS點也可作一定的約束。2)衛星軌道對基線精度影響衛星軌道的精度對GPS基線精度的影響可以用下式表示：

式中dr/R、db/B分別為軌道相對誤差及因此而產生的基線相對誤差。由上式可知，要達到10-8的相對定位精度，要求衛星軌道優于2m。由此可見，提高衛星軌道的精度是保證GPS相對定位精度的關鍵之一。該控制網的基線處理，采用IGS精密星歷，其軌道精度優于0.1m。由于控制網中的邊長不超過400km，根據上式計算可得星歷對基線解算在最不利的情況下，影響也不超過0.5mm。因而在采用IGS精密星歷時，可以忽略星歷對基線的影響，即在解算中可以固定軌道。

6基線處理

1)基線處理采用軟件由于該網采用新款南方S86-T三星雙頻GPS接收機觀測，其鎖定衛星顆數多，基線解算質量高，使用南方隨機匹配的數據后處理軟件能夠達到要求，在基線解算方案中選擇lonofree[Gnss],其解算長基線的相對精度能達到10-9量級，解算短基線的精度能優于1.0mm。2)基線處理觀測數據質量是保證基線解算精度和可靠性的關鍵之一。因此，用南方軟件處理時，正確修正觀測數據中的周跳和刪除大殘差觀測值的數據編輯是GPS數據處理中的主要工作之一。數據編輯首先在觀測數據文件選項中錄入點名及儀器高并保存，然后在基線解算-靜態基線數據處理設置中設置衛星高度截止角及歷元間隔均為15，觀測組合方案選擇lonofree[Gnss]，方差比應大于3，中誤差應小于0.04米，其他均為默認，最后選擇處理全部基線并開始解算。

在完成以上工作基礎上，從生成觀測數據文件開始，生成觀測方程和解算基線，得出每個時段的解。在數據處理中，發現觀測時段數質量比較差不予采用。3)結果分析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。其定義為：

式中：Ci是各時段解基線的各分量，δ2i是相應分量的協方差，為相應基線分量的加權平均值，R為相應的重復性。GPS基準網獨立重復基線共115條，其精度統計見表1。

基線向量重復性統計表1

南北方向 東西方向 垂直方向 基線長度

5.2mm+0.2×10-8 8.2mm+1.0×10-8 15.0mm+1.9×10-8 6.6mm+0.8×10-8

從表1可以看出，水平方向的重復性優于10mm＋1.0×10-8；垂直方向重復性優于15mm+2.0×10-8，也就是說，重復性精度能夠達到甚至優于10-8，能夠滿足技術要求。

7GPS網的平差計算

1)平差軟件GPS E級網的整體平差采用Gnssadj完成。2)平差采用的觀測量GPS E級網采用軟件進行同步觀測網的基線解算，平差時采用各同步觀測網的獨立基線向量及其全協方差矩陣作為觀測量。3)在ITRF坐標框架下三維無約束平差經過粗差分析，消除粗差影響后，三維無約束平差結果的驗后單位權方差仍未通過χ2檢驗，這是因為GAMIT基線解的輸出精度與其實際精度不匹配。處理時根據三維無約束平差的結果，對基線觀測量的方差分量因子進行調整，其中方差分量改正因子為1.9387，最終三維無約束平差結果的單位權中誤差通過χ2檢驗。三維無約束平差的結果，客觀地反映了整個GPS網的內部符合精度。4)在ITRF坐標框架下三維約束平差為了與松嫩平原高精度GPS網成果保持統一，本次平差采用松嫩平原高精度GPS網平差成果中部分測站的坐標作為三維約束平差的基準。這些基準站中包括國家A級GPS網點四個站，平差時以這四個站的三維坐標(X,Y,Z)作為固定點約束值。

參考文獻：

[1] Usery, E. L., A Concept Framework and Fuzzy Set implementation for Geographic Features, In: PETER A. BURROUG H and ANDREW U. FRANK, (Ed.) Geographic Objects with Indeterminate Boundaries, Taylor & Francis, 1996: 71-85