應(yīng)用GPS技術(shù)的山區(qū)像控測(cè)量研究

郭祖清

摘 要：在山區(qū)航測(cè)外業(yè)像控測(cè)量中，由于地形條件和通訊條件的限制，現(xiàn)有的RTK技術(shù)不能很好的發(fā)揮作用，普通靜態(tài)測(cè)量模式觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)效率低，采用雙基準(zhǔn)站快速靜態(tài)可以很好的彌補(bǔ)其他GPS作業(yè)模式的不足。該文介紹了雙基準(zhǔn)站快速靜態(tài)測(cè)量技術(shù)的基本作業(yè)方式和其優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合山區(qū)地形航測(cè)像控應(yīng)用實(shí)踐，分析其測(cè)量精度的可靠性和作業(yè)效率的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：GPS技術(shù) 快速靜態(tài) 基準(zhǔn)站 似大地水準(zhǔn)面精化

中圖分類號(hào)：P228 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）06（b）-0077-02

GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）技術(shù)自上世紀(jì)90年代投入民用后，已廣泛用在導(dǎo)航、定位等領(lǐng)域，在測(cè)量行業(yè)更是具有革命性的意義，已成為控制測(cè)量的主要手段。隨著區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化技術(shù)的發(fā)展，利用GPS技術(shù)可以快速獲取高精度三維坐標(biāo)，使得GPS的應(yīng)用更加方便快捷。在山區(qū)進(jìn)行像控測(cè)量中，采用雙基準(zhǔn)站GPS快速靜態(tài)結(jié)合精化似大地水準(zhǔn)面的測(cè)量方法，精度可靠、效率高，是一種非常有效的作業(yè)方法。

1 原理

為了獲得厘米級(jí)甚至毫米級(jí)的高精度測(cè)量成果，在常規(guī)GPS測(cè)量中通常采用載波相位測(cè)量的方法，GPS接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星信號(hào)中，已用相位調(diào)制技術(shù)在載波上調(diào)制了測(cè)距碼和衛(wèi)星導(dǎo)航電文，通過(guò)碼相關(guān)法或平方法可以將調(diào)制在載波上的測(cè)距碼和衛(wèi)星電文去掉，可以恢復(fù)載波的相位用于測(cè)量。GPS接收機(jī)的觀測(cè)量包括載波不足一周的部分Fr（Ф）和整周計(jì)數(shù)Int（Ф），一般表示：

載波相位φ與衛(wèi)地距ρ之間存在以下關(guān)系：

ρ=（Fr（Ф）+Int（Ф）+N）·λ

由于載波是不帶任何識(shí)別標(biāo)識(shí)的一種純余弦波，GPS接受機(jī)能準(zhǔn)確的量測(cè)不足一周的部分，卻無(wú)法測(cè)出是第幾周的載波信號(hào)，整周數(shù)的確定是載波相位測(cè)量中的特有問(wèn)題。在普通的GPS靜態(tài)測(cè)量中往往需要進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)，一般不少于45分鐘，以便能唯一正確的確定整周模糊度，保證解的可靠性和精度。

Frei和Beutler于1990年提出了一種快速求解整周模糊度方法（FARA），采用很少的觀測(cè)數(shù)據(jù)就能求解出整周模糊度。FARA方法的基本思想：以數(shù)理統(tǒng)計(jì)的參數(shù)估計(jì)和假設(shè)檢驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用初始平差的解向量（測(cè)站坐標(biāo)和相位模糊度的實(shí)數(shù)解），以及其精度信息（方差-協(xié)方差和單位權(quán)中誤差），確定出某一置信區(qū)間；在該置信區(qū)間，確定出整周模糊度可能的整數(shù)解的組合；依次將整周模糊度的每一組合作為未知數(shù)一一代回法方程式，找出單位權(quán)中誤差σ最小的解，若σ最小顯然小于σ次最小，且從數(shù)理統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)看基線向量及標(biāo)準(zhǔn)方差與初始解是一致的，則σ最小對(duì)應(yīng)的解即為最終的雙差固定解。采用FARA法所需觀測(cè)時(shí)間一般雙頻接收機(jī)5～10分鐘，單頻機(jī)10～20分鐘，遷站時(shí)無(wú)需開機(jī)，只需像普通靜態(tài)定位那樣組織觀測(cè)。

2 雙基準(zhǔn)站操作方法

在測(cè)區(qū)中選取的兩個(gè)固定點(diǎn)假設(shè)GPS接收機(jī)作為基準(zhǔn)站，并一直保持對(duì)衛(wèi)星的跟蹤觀測(cè)，同時(shí)其他接收機(jī)在一定范圍內(nèi)流動(dòng)設(shè)站作業(yè)，在每個(gè)點(diǎn)觀測(cè)一定的時(shí)間，以確定該點(diǎn)到兩個(gè)基準(zhǔn)站之間的基線向量。

GPS快速靜態(tài)的數(shù)據(jù)處理與常規(guī)靜態(tài)測(cè)量相同，主要有基線解算、閉合環(huán)檢驗(yàn)、三維平差、二維約束平差或者坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

3 應(yīng)用實(shí)例

某森林度假村地形測(cè)量項(xiàng)目采用航測(cè)成圖，比例尺1∶2000，測(cè)區(qū)高差約120米，成圖面積約20平方公里，采用無(wú)人機(jī)航拍，測(cè)區(qū)中有4平方連片公里水域，森林覆蓋率超過(guò)85%，交通條件較差，外業(yè)刺點(diǎn)比較困難。在測(cè)區(qū)及周邊布設(shè)了8個(gè)E級(jí)GPS點(diǎn)，點(diǎn)間平均距離2.5km，采用全野外布點(diǎn)法布設(shè)像控點(diǎn)。

首先在測(cè)區(qū)中選擇兩個(gè)外圍的E級(jí)點(diǎn)（E01、E03）作為基準(zhǔn)站，采用一臺(tái)徠卡1230和一臺(tái)華測(cè)X91觀測(cè)，其中徠卡1230設(shè)為RTK模式并接收靜態(tài)數(shù)據(jù)，流動(dòng)站采用2臺(tái)中緯ZGP800A接收機(jī)，每個(gè)像控點(diǎn)觀測(cè)一次，觀測(cè)時(shí)間不少于15分鐘，觀測(cè)時(shí)鎖定衛(wèi)星不少于5顆，GDOP值不大于6，接收機(jī)采樣率都設(shè)為10s。所有的GPS接受機(jī)都在檢定有效期內(nèi)，觀測(cè)前進(jìn)行了外業(yè)檢測(cè)。

數(shù)據(jù)處理采用徠卡公司的LGO7.0軟件，基線解算均采用雙差固定解，觀測(cè)數(shù)據(jù)如圖2。

閉合環(huán)檢驗(yàn)通過(guò)后，利用E級(jí)網(wǎng)三維約束平差的結(jié)果，固定E001、E003的WGS-84坐標(biāo)進(jìn)行三維約束平差，獲得像控點(diǎn)WGS-84坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，再利用LGO軟件中的投影與基準(zhǔn)模塊采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方式得到地方坐標(biāo)，像控點(diǎn)高程通過(guò)精化水準(zhǔn)面得到，利用精化水準(zhǔn)面模型文件進(jìn)行高程擬合，可得到較高精度的高程值。三維約束網(wǎng)平差結(jié)果如圖3。

通過(guò)網(wǎng)平差結(jié)果可以看出除點(diǎn)P3459外解算精度都比較高，與常規(guī)靜態(tài)相同。作業(yè)過(guò)程中，檢測(cè)了兩個(gè)E級(jí)點(diǎn)，觀測(cè)時(shí)間均為20分鐘，坐標(biāo)比對(duì)較差如表1。

整個(gè)項(xiàng)目采用雙基準(zhǔn)站快速靜態(tài)模式觀測(cè)像控點(diǎn)79個(gè)，每天野外工作時(shí)間約10小時(shí)，平均每臺(tái)GPS接收機(jī)每天測(cè)點(diǎn)10個(gè)。在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，還有一臺(tái)徠卡1250型GPS接收機(jī)在徠卡基準(zhǔn)站附近進(jìn)行RTK作業(yè)，平均每天能測(cè)點(diǎn)26個(gè)，整個(gè)測(cè)區(qū)181個(gè)像控點(diǎn)測(cè)量共用時(shí)4天。

4 結(jié)語(yǔ)

采用雙基準(zhǔn)站GPS快速靜態(tài)測(cè)量像控點(diǎn)，只需要一次上點(diǎn)就能滿足觀測(cè)要求，像控點(diǎn)與兩個(gè)基準(zhǔn)站之間形成的三邊同步環(huán)可作為GPS觀測(cè)質(zhì)量的檢核條件，在15km的范圍內(nèi)精度與常規(guī)靜態(tài)相當(dāng)，因此雙基準(zhǔn)站快速靜態(tài)速度快、精度高、勞動(dòng)強(qiáng)度小，結(jié)合RTK的使用能快速完成像控點(diǎn)測(cè)量任務(wù)，有效提高外業(yè)工作效率。采用徠卡1230型一類的GPS接收機(jī)，在進(jìn)行RTK作業(yè)的同時(shí)又能記錄靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)用于快速靜態(tài)后處理，在像控測(cè)量中非常實(shí)用。

參考文獻(xiàn)

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