GPS靜態測量

王慧鵬+姜建紅

摘要：GPS測量技術以其高效、精準、全天候等特點被廣泛應用到現代經濟社會的各個領域，在測量、軍事、交通等領域都有重要應用價值，特別是在城市、工程測量中這項技術倍受測繪工作者的青睞，成為測繪工作中的一項重大技術革命。本文介紹了靜態GPS測量的特點，進行了GPS靜態測量技術實證分析。

關鍵詞：GPS，靜態測量；技術；實證分析

GPS靜態測量，是利用測量型GPS接收機進行定位測量的一種。主要用于建立各種的控制網。進行GPS靜態測量時，認為GPS接收機的天線在整個觀測過程中的位置是靜止，在數據處理時，將接收機天線的位置作為一個不隨時間的改變而改變的量，通過接收到的衛星數據的變化來求得待定點的坐標。在測量中，GPS靜態測量的具體觀測模式是多臺接收機在不同的測站上進行靜止同步觀測，時間由40分鐘到十幾小時不等。隨著信息化、數字化時代的深入發展，空間科學和測量技術得到了長足的進步。GPS測量技術以其高效、精準、全天候等特點被廣泛應用到現代經濟社會的各個領域，在測量、軍事、交通等領域都有重要應用價值，特別是在城市、工程測量中這項技術倍受測繪工作者的青睞， 成為測繪工作中的一項重大技術革命。

1 靜態GPS測量的特點

1.1 GPS相對定位原理

GPS相對定位原理，根據若干臺GPS接收機跟蹤GPS衛星信號所測得的載波相位觀測值，運用求差的方法，得出各觀測站間的坐標差即基線向量。再根據已知點坐標和基線向量求得其他各測站點的坐標。相對定位可以消除或大幅削弱誤差（如衛星鐘差、電離層延遲、對流程延遲等），因而可以獲得很高精度的相對位置。GPS相對定位分為靜態相對定位和動態相對定位，其中靜態相對定位廣泛應用于控制測量中。

1.2 GPS測量的優點

（1）測站間不需要通視

這是GPS定位的最大優點，既要保持良好的通視條件，又要保障測量控制網的良好圖形是傳統測量技術難以解決的矛盾。而GPS測量由于不要求測站之間相互通視， 因此使點位的選擇變得十分靈活，而且保證控制網有良好的圖形。

（2）定位精度高

短距離（ 15km以內）精度可達毫米級，中、長距離（幾十公里甚至幾百公里）相對精度可達到10- 7～10- 8。

（3）全天候作業

GPS衛星數目多，且分布均勻，可保證在任何時間、任何地點連續進行觀測，保障了連續的三維定位，一般不受天氣狀況的影響。

（4）操作簡便

GPS接收機自動化程度極高，在外業觀測中只需對中、整平、量取天線高及開機后設置參數，其他工作儀器自動完成，工作效率高。

2 GPS靜態測量技術實證分析

2.1 GPS數據后處理存在的問題

根據施測實際需要，控制點數量、分布和測區的形狀，設計GPS網圖，選定控制點并注意布設條件，避免對觀測影響，使網型合理、邊長合乎規范要求，控制點分布均勻，且使控制面積足夠大。采用隨機軟件進行數據下載，基線解算，全面考核GPS網的內部符合精度和探測可能的粗差，并且全部通過的基礎上進行WGS84自由網平差，會得到非常高的內附和精度。

2.2 北京坐標系（1954年）

建國初期，為了迅速開展我國的測繪事業，鑒于當時的實際情況，將我國一等鎖與原蘇聯遠東一等鎖相連接，然后以連接處呼瑪、吉拉寧、東寧基線網擴大邊端點的原蘇聯1942年普爾科沃坐標系的坐標為起算數據，平差我國東北及東部區一等鎖，這樣傳算過來的坐標系就定名為1954年北京坐標系。可歸結為：①屬參心大地坐標系；②采用克拉索夫斯基橢球的兩個幾何參數；③大地原點在原蘇聯的普爾科沃；④采用多點定位法進行橢球定位；⑤高程基準為1956年青島驗潮站求出的黃海平均海水面；⑥高程異常以原蘇聯 1955年大地水準面重新平差結果為起算數據，按我國天文水準路線推算而得。

基準面是利用特定地球橢球對特定地區地球表面的逼近，選用一個同大地相近的、可以用數學方法來表達的旋轉橢球來代替，它是測量與制圖的基礎。凡與局部地區（一個或幾個國家）的大地水準面符合得最好的旋轉橢球，稱之為“參考橢球”。目前常見的有三種：“北京54”坐標系、“西安80”坐標系、WGS1984。“北京54”坐標系是我國從1953年起從蘇聯1942坐標系聯測并經平差引伸到我國，原點在蘇聯西部的普爾科夫，采用Krassovsky橢球參數而定的基準面；“西安80”坐標系是采用1975年IUGG/IAG第16屆大會推薦的地球橢球參數，國家原點設在陜西省涇陽縣，其較好地與我國大地水準面符合較好；WGS1984坐標系的基準面采用WGS84橢球體，它是一地心坐標系，即以地心作為橢球體中心。目前GPS接收機測量數據多以WGS1984坐標系為基準，Pulkovo 1942、非洲索馬里的Afgooye基準面都采用了Krassovsky橢球體，但它們的基準面顯然是不同的。

2.3 解決方法

從1954年北京坐標系建立的條件、手段及方法，可以看出，1954年北京坐標系具有良好的方位角，其兩點的邊長是通過基線擴大邊計算而來并投影到Krassovsky橢球體，精度相對較低。GPS接收機（標稱精度平面：5mm+1ppm）測量控制時其基線精度是非常高的（合格基線），同時也具有高精度的方位。由于1954年北京坐標系與WGS1984坐標系的參考地球橢球不同，導致兩坐標系在方位上存在誤差，在利用七參數（XYZ平移，XYZ旋轉，尺度比） 進行坐標轉換過程中就會存在邊長和角度之間的數學關系的矛盾，其矛盾以平差后的殘差形式表現出來。

如何做到既保證控制網的整體精度，又滿足1954年北京坐標系的坐標系統？經過反復論證、實踐檢核，采用一點一方位的進行約束平差，其具體做法如下：

2.3.1 對觀測數據進行WGS84自由網平差（剔除粗差后），基線合格。

2.3.2 選用距側區中心最近的54坐標數據（A）進行單點起算進行GPS控制網在54橢球上約束平差。通過單點結算坐標反算其他54已知控制點距A點的距離S，選用最遠的距離點B，反算出A→B的方位角α，再用Sab及方位角α計算B點坐標，再利用A、B兩點對GPS控制網平面控制點進行GPS網約束平差，解算出GPS的各個點位平面坐標。對已知的54控制點進行點位中誤差計算，評定精度。

2.3.3 采用一點一方位的進行約束平差，既保證控制網的整體精度，又滿足1954年北京坐標系的坐標系統，非常適合局部區域或具體工程對高精度控制又要與國家控制網聯測的要求。

作者簡介：王慧鵬，身份證號碼：410181197908271030

姜建紅，身份證號碼：430104197006074039