GNSS基線成果可靠性分析與研究

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摘 要：GNSS測量是用接收機與天線組成的測量系統，接收GNSS衛星信號實現空間定位的高新測量技術，它為定位測量提供了一種嶄新的手段。一般而言，GNSS具有全天后作業，觀測簡便，布網自由（無須站間通視），觀測與數據處理自動化程度高，同時提供三維坐標，定位精度高等共性特點。該文從實際出發，根據我院多年來使用GNSS測量技術的經驗，探討GNSS測量技術在施工測量控制網中的應用。

關鍵詞：GNSS測量 施工測量控制網 基線向量 可靠性

中圖分類號：P227 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（b）-0087-02

GNSS測量同樣存在各種誤差影響，除衛星與接收機方面的時鐘誤差、軌道誤差外，衛星信號在傳播過程中要受到電離層、對流層以及環境條件的影響。我國地域廣大，地區性環境條件差異也大。就云南高原山區而言，海拔高，地形起伏，相對高差大；立體型氣候、氣溫差異大，這對GNSS觀測有著不同程度的影響，因此，針對不同的環境條件作些研究和探討是有益的。

中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司引進了1套（四臺）Trimble R7 GNSS測量系統，Trimble R7 GNSS系統把多通道、多頻帶的GNSS接收機與超高頻電臺集為一體，可實現最大靈活性、最佳精度和最高生產率。該單位分別在云南省祿勸縣甲巖水電站，昆明市牛欄江引水工程和云南省滇中引水工程布設了GNSS施工測量控制網。該文結合觀測情況，對GNSS基線成果的可靠性問題作些探討。

1 基線處理簡述

GNSS測量為載波信號、測距碼與導航數據。將各接收機同步觀測的信號匯集到計算機后，經基線處理軟件解算，提供每兩測站之間的基線向量。基線向量在WGS-84坐標下以dx，dy，dz三個分量表示，也可以轉換為基于橢球的斜距、方位角與大地高差三分量形式。

基線采用Trimble Business Center（TBC）軟件自動方式處理。其解算過程是：首先作三差處理，求取未知參數初始值；接著進行周跳修復；求雙差浮動解；尋找整周未知數N并進行探查解算。如果能找到可靠的整數N，便求出雙差固定解。

從理論上講，整周未知數N是一個整數，由于存在誤差影響，解得的整周未知數往往不是整數。以此直接求得的解稱作雙差實數解（浮動解），一般對于小于20km的短基線以固定解最好，對于大于20km的基線宜取用浮動解。此次布設的GNSS網是以工程應用為目的，主要是滿足工程施工測量過程中的放樣工作，所以基線長均在3km以下。

2 GNSS基線成果可靠性檢測指標與方法

鑒別基線優劣，可以從單條基線質量、同步環和異步環閉和差以及網平差三個不同層次予以檢核。

用Trimvec-plus軟件解算的基線，同時提供rms，RDOP，ratio和rejected等質量指標。其中rms是基線平差計算后的驗后中誤差，單位為載波波長（周），主要用于衡量觀測質量，能反映出質量觀測噪音、周跳修復程度、觀測改正模型誤差等綜合因素的影響，同時與基線長短也相關。其值越小越好。

RDOP稱作相對定位幾何精度因子，其定義式為：

RDOP=

分子為基線三個分量的方差之和，基線分母為方差。它類似于PDOP，主要表達在相對定位中，衛星星座的幾何結構與基線長短無關，構成星座的衛星數多，圖形強度又好，那么RDOP就小，測量誤差對基線成果的影響就越小。

ratio是一個比值，在作整周未知數N的探查中，采取舍入取整與加減一、二周的方法進行探查性試算，從中選取殘差平方和最小的一組作為分母，次好的一組作為分子，此值越大，N的推測結果越好，經驗證明當ratio大于3.0時，固定雙差解的置信水平就高。就數據統計而言，這是類似于F檢驗的方法。

至于rejected是時段中被剔除的劣質觀測值數目，一般取它與觀測值總數的比值（%）形成觀測值剔除率。反映觀測值優劣比，一般剔除率在10%以內。比值太高，說明在有限的觀測值中，用于解算基線的多余觀測數目就越少，同樣也會影響基線解的質量。此外，比較一下基線雙差固定解與雙差浮動解之間的坐標差亦可進一步確認固定解的質量。當二者相差在幾厘米之內，固定解優于浮動解；若相差較大，則成果可能有疑，應進一步分析。

根據理論分析與實踐經驗，主要質量指數推算值如表1所示。

一般而言，浮動雙差解的RDOP值比固定雙差解大，若RDOP小于0.4米/周，說明固定雙差解較好。以上是就單條基線質量而言。當GNSS網觀測到能構成閉合環路線時，閉合環檢核是基線成果可靠性的最有效的方法。同步環閉合差可以檢測時段中基線的內附和狀況，但其中可能存在誤差互補性掩蓋現象。不同時段之間組成的異步環對檢測基線可靠性最為有效。隨機軟件中的TCLOSE程序專用于作閉合差計算，同時可提供分量閉合差值，閉合環全長及全長相對閉合差（PPM）供分析評價。當GNSS網基線觀測到一定數量時，便可將基線成果掛在項目名下，用隨機平差軟件Trimnet進行自動構網和平差試算，次工作可以逐日將基線成果加入，在構網中能提供多路徑閉合環檢測，對基線作取舍編輯處理。逐日試算，可以從平差結果的點位指標，點位誤差橢圓，觀測直方圖中進行整體判斷，進一步作出基線質量評價。單條基線質量檢核，閉合差檢測，網平差結果評價，三重關口檢測保證了構網基線的質量。

3 施工測量控制網環境條件及基線成果可靠性統計

所做的三個施工測量控制網分布在不同的海拔、地理環境、氣象條件下。其中K網位于滇中引水中段，平均海拔2300m，邊長由幾百米到幾公里不等，一般均在2公里以下，分布在有森林、水域、稻田的郊野，主要用于不同季節多次重復觀測對比試驗。X網較小，控制面積約四個平方公里，平均海拔800m，邊長在500米至1200米左右，整網位于峽谷地區，落差較大，觀測時間為八月份，平均氣溫在30℃左右，主要用于與原有膨脹土地變形監測網的對比試驗。Y網位于牛欄江靠近曲靖地區，沿河邊右岸有一條公路通過測區，點位布在海拔1700～1800米左右，原有控制點分布在海拔2300米以上的高山上。分別于8月份（平均氣溫29℃）和12月份（平均氣溫8℃）觀測。邊長最短的有300米，最長的有4500米，一般1500米左右的居多。主要用于探察低海拔河谷區、高差大，氣象條件差異大的環境下GNSS觀測效果。

施工測量控制網多數采用四站同步時段觀測，少量為雙測站單基線，取截止高度角≥15°，時段平均為90分鐘，PDOP≤6。三個施工測量控制網共觀測了56個同步時段（包括重復設站，重復邊）共計166條基線，同步基線存在如下情況。

（1）同步時段中，基線均為固定雙差解，閉合差滿足設計要求的占基線總數的65%。（2）同步環中提供有固定解和浮動解兩種基線，或三條基線均為浮動解，且閉合差合格的采用基線占總數的14%。（3）在閉合差不合格的同步環中取用的合格基線占基線總數的10%。（4）廢棄基線占總數的11%。

由以上的試驗數據可以看出：（1）三種環境條件綜合統計的平均水平，獲得固定雙差解的比率約為75%左右，可采用的浮動解的比率為15%左右。（2）同樣的儀器，基線觀測成功率與環境條件關系較大。在環境條件較差的情況下，對多路徑現象，微波干擾，同步衛星數，氣象條件等可采取計劃觀測時間，加測氣溫氣壓，加設多路徑屏蔽措施，適當延長同步觀測時間，可望得到改善。

4 施工測量控制網基線可靠性分析

施工測量控制網中凡是ratio值大于3.0者，rms又在上述推算指數以內，經閉合差、構網檢測采用率達100%，這說明不管同步環是否閉合經ratio檢驗合格的固定雙差解單基線的置信水平很高，是檢驗基線可靠性最簡便、最有效的方法，在構網中可以大膽取用。個別情況伴以rsm偏大，多數觀測噪音偏高或基線太長所致，應以閉合差進一步檢核。如果得不出基線固定解，但rsm較小，RDOP值又適合，經閉合差檢測也合格，這可能屬基線太長，觀測數據不足或可測衛星數目不多所致，此時取用浮動解是可信的。當rsm較大，說明數據噪音大或基線太長，同時伴以RDOP值偏高，同步環閉合差檢核多數要失敗，偶有合格者，務必再作異步環閉合檢查，防止粗差互補性掩蓋現象。當觀測時段較長（一般在120分鐘以上），有時基線三差解優于雙差浮動解，三差解成果必須經閉合差檢核方可采用。對閉合差檢核失敗的同步環，經rsm、RDOP分析有可能存在單條基線的浮動解可取情況，此時最有效的檢測方法仍然是異步環閉合差檢核。

5 結語

GNSS外業觀測經解算后的成果是基線向量，它是構成GNSS網的基礎。GNSS網的優劣主要賴于基線質量與提供多余基線的數量，它與網的幾何形狀無關。因此，GNSS網的質量與基線質量關系緊密相關。由于觀測要受到各種環境條件的影響，基線出現劣質解是難免的，不能期望GNSS觀測完美無缺。觀測條件不同，基線成功率也有差異。構成同步環的基線，凡是ratio值檢測成功的固定雙差解，置信度高，可大膽取用。經異步環閉合差檢核合格的浮動雙差解也是可信的。根據工作進程，對當天觀測的解算結果按單條基線的ratio、rms、RDOP分析、同步環閉合差檢核可基本判定基線的可靠度。異步環閉合差是基線可靠性檢測的最有效的方法。在整網GNSS構網中還可以根據網平差的統計檢驗來剔除個別誤差較大的基線。單條基線判斷、閉合差檢核、平差網檢驗構成了基線可靠性的檢驗體系。在環境條件較差的情況下，要特別注意多路徑現象、強電場干擾、同步衛星數量。加測氣溫氣壓，適當增加同步觀測時間，必要時對劣質解實施手動精化處理，有可能提高基線的成功率。

參考文獻

[1] DL/T5173-2012.水電水利工程施工測量規范[S].2012.

[2] GB/T18314-2009.全球定位系統（GPS）測量規范[S].2009.

[3] 劉大杰.全球定位系統（GPS）的原理與數據處理[M].上海：同濟大學出版社，2007.

[4] 王廣運.GPS衛星定位的應用與數據處理[M].北京：測繪出版社，2003.