GPS在現(xiàn)代測量中的應用研究

黃新蓉

GPS控制測量在平面控制聯(lián)測、線路野外控制等許多方面上的優(yōu)勢非常顯著，在控制測量中常采用的作業(yè)模式是靜態(tài)和快速靜態(tài)定位。通過工程實踐，我們發(fā)現(xiàn)GPS作業(yè)面臨的主要問題是：怎樣保證聯(lián)測精度的穩(wěn)定、提高外業(yè)的工作效率，充分發(fā)揮GPS作業(yè)的高效、精確、快捷等優(yōu)點。為此需要在聯(lián)測起算點、GPS布網、觀測時間、多路徑效應等方面入手分析。

起算點的影響因素

GPS定位結果屬于WGS-84地心坐標系。而實用的城市與工程測量成果采用某一國家或地方坐標系，需要將GPS測量成果轉換成國家或地方的二維或三維坐標系下的相應成果，轉換的主要方法是利用GPS網點與原地面控制網點重合（重合點一般不少于3點），將少量的重合己知點作為約束條件，將GPS網強制附合到己知點所在的坐標系中。實踐證明；重合點的誤差和點位分布將影響GPS網約束平差的精度，由于設置控制點的建筑物形變等原因，引起這些己知點的坐標有時可能存在較大的誤差。若將這些存在較大誤差的己知點作為平差計算或坐標轉換的約束，其結果必然歪曲GPS測量的原有精度。特別是當這些點誤差較大或含有粗差時，將嚴重影響GPS成果的可靠性，使高精度的GPS定位成果失去本來意義。在進行GPS網約束平差前，對GPS控制網起算點坐標的誤差進行分析是非常必要的。

起算點主要包含點位本身精度和點位的分布兩種因素，起算點的問題會直接在GPS網的平差結果中表現(xiàn)出來。由于我國的國家控制點布設的時間較久，在許多地區(qū)破壞嚴重，有些點又被不同的單位恢復或更新。另外實際應用中除利用國家控制點外，往往須用到軍控點或地礦、煤田等系統(tǒng)所布設的控制點，有時還須用地方城建點等，不同等級或分屬不同區(qū)域的控制點間，以及由不同單位布設的控制點間可能存在較大的誤差，會對GPS控制網的精度產生不利影響。

起算數(shù)據(jù)的數(shù)量在GPS控制網中也尤為重要。為了解算出控制網中未知點的坐標，我們一般需要和國家控制點聯(lián)測。鑒于目前國家控制點破壞較多，故在GPS作業(yè)前，應盡可能多地搜集測區(qū)周圍高等級控制點，且控制點應以同一系統(tǒng)、同一等級為好。為提高GPS聯(lián)測的可靠性，便于網形設計，保證網的精度，GPS聯(lián)測的起算點一般應以3個以上為宜，并應均勻分布在測區(qū)周圍。當聯(lián)測點多于3個時，內業(yè)計算時可分組計算，選擇附合條件較好的點作為起算數(shù)據(jù)，求得最優(yōu)的解算結果。

GPS布網

GPS布網主要包括網形設計和觀測計劃制定，構成優(yōu)化的解算圖形，同時應考慮提高成果可靠性，防止粗差。GPS網觀測時應有異步獨立觀測環(huán)或符合線路，構成異步環(huán)的邊數(shù)不宜太多，也不能太少。大量增加異步環(huán)會使作業(yè)計劃復雜，延長工期，影響工效，因此應研究合理的獨立觀測環(huán)數(shù)。網形設計完成后，就要參考最新的星歷預報制定嚴密的作業(yè)計劃，使工作有條不紊開展，這是提高工作效率的重要環(huán)節(jié)。

GPS網的設計已免除了測角、邊角同測和測邊網等的傳統(tǒng)要求。它不需要點間通視，也不需要考慮布設什么樣的圖形，也就更不需要考慮圖形強度，不需要設置在制高點上（哪里需要就可以設置在哪里）。所以GPS網的設計是非常靈活的，但也應注意以下幾個問題：

除了特殊需要，一般GPS基線長度相差不要過大，這樣可以使GPS測量的精度分布均勻。

GPS網不要有開放式的網型結構，應構成封閉式閉合環(huán)和子環(huán)路。

應盡量消除多路徑影響，防止GPS信號通過其它物體反射到GPS天線上，因此應避開強反射的地面，避開強反射環(huán)境，如山谷、山坡、建筑物等。

避開強電磁波干擾，設站應遠離雷達站、電臺、微波中繼站等。

GPS網中的異步環(huán)實質上僅起到了多余觀測的作用，是剔除粗差的有效手段，而對于網平差精度的提高并非起到決定性作用。和傳統(tǒng)的測量手段相比，GPS外業(yè)操作中除了量取天線高度及儀器的對中整平外，幾乎沒有其它的人為誤差因素；對于在較短時間內完成的一段GPS網，系統(tǒng)所引起的粗差會在整個網中體現(xiàn)，而單條基線只要觀測條件滿足，基線解算良好，應認為其結果可靠。

由于起算點對網平差影響較大，所以在施測布網時盡量使起算點間形成異步環(huán)，其它各點根據(jù)實際情況而定，不必非在異步環(huán)中，以便節(jié)省大量的重復設站時間。因此適當減少GPS網中的異步環(huán)數(shù)量，這不但不會影響網平差的精度，而且還會提高工作效率。在起算點和需要設置參考站的過渡點構成異步環(huán)后，其它測點根據(jù)情況可不必形成異步環(huán)，但要保證觀測條件良好，基線解算合格。

觀測時間

觀測時間的長短直接影響工作效率和基線解算效果，時間短會因采集數(shù)據(jù)不夠而使基線解算失敗；過長觀測時間不會提高基線解算精度，造成時間上的大量浪費。GPS作業(yè)通過對某條基線一定時間內采集到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行解算，求出衛(wèi)星信號的整周未知數(shù)（模糊度），如果參加計算的數(shù)據(jù)量不足以確定出信號的整周未知數(shù)，則基線解算失敗。另外，“周跳”也會對解算成果造成不良影響，由于地球電離層，噪音等因素對衛(wèi)星信號的干擾，會使信號的整周數(shù)產生異常的波動，隨著觀測時間的延長，“周跳”產生的機率越大，如果GPS在觀測和計算中不能及時發(fā)現(xiàn)并剔除“周跳”，不但不能夠提高基線解算的質量，還會產生負面的影響。例如某工程在作業(yè)中，對兩段7.8km和10.6km的基線做出比較，這兩段基線的觀測時間都在20分鐘以上，觀測條件良好。

國家GPS測量規(guī)范對不同級別的GPS網觀測時間有具體的規(guī)定，對于精密工程GPS控制網，例如B級網，規(guī)范規(guī)定連續(xù)觀測時間為4小時以上。然而并不是一味的延長觀測時間基線處理的精度就高，理論分析與實踐經驗表明：在載波相位觀測中，如果整周未知數(shù)已經確定，那么相對定位的精度，將不會隨觀測時間的延長而明顯提高，整周未知數(shù)的解算一般需要l～2小時可以準確解算。有時隨著時間的增加會出現(xiàn)精度下降現(xiàn)象，出現(xiàn)這種情況的主要原因是粗差或低精度的基線觀測值的影響；但同時也看到，觀測時間適當加長，基線精度的波動就會減小，這樣可以使基線的精度維持一定的水平。基線長度基本保持不變，這也說明適當增加觀測時間對提高基線精度是有幫助的。選擇好的觀測時段可以實現(xiàn)在較短的時間內得到較高的基線精度，從而提高工作效率。然而對于一個大型的高精度的GPS控制網可以采用星歷預報與實際分析相結合的方法，第一天選擇預報較好的時段，采用較長的觀測時間，然后通過分段基線解算，選擇精度最高的時段。對于短基線的測區(qū)，由于相鄰兩天同一時刻衛(wèi)星分布基本相同，以后幾天的觀測可以參考第一天的觀測時間段，從而提高工作效率。

本文通過理論結合實踐，分析了GPS在現(xiàn)代測量中的應用，包括：起算點的影響因素、GPS布網、觀測時間三個方面。隨著GPS系統(tǒng)的完善，定位技術的成熟，希望本文的研究能得出一些有益于工程實踐的建議。

作者單位：新疆維吾爾自治區(qū)國土資源規(guī)劃研究院