基礎(chǔ)控制測量中GPS控制網(wǎng)的優(yōu)化策略分析

強亞明

（安徽省核工業(yè)勘查技術(shù)總院，安徽 蕪湖 241002）

GPS系統(tǒng)是一種高精度的全球定位系統(tǒng)，本身具有良好的特性，從其被開發(fā)到使用，經(jīng)過長期發(fā)展，其理論和實踐都具有一定高度。已經(jīng)不再局限于地圖測繪、地形測量等工作，而是朝著精密工程與海洋測繪領(lǐng)域發(fā)展，其本身的效應也在不斷應用中日益顯著。為了更好的實現(xiàn)GPS控制網(wǎng)在基礎(chǔ)控制測量中的布設(shè)要求，基于現(xiàn)有的性能進一步進行優(yōu)化設(shè)計，這對于現(xiàn)實測繪工作具有重要的現(xiàn)實意義。

1 GPS控制網(wǎng)定位原理與種類

根據(jù)已知點、位置點參數(shù)以及設(shè)備設(shè)置的位置，可以將控制網(wǎng)分成前、側(cè)、后交會的三種結(jié)構(gòu)。GPS系統(tǒng)的定位原理是通過天空運行的衛(wèi)星與地面點距離進行測量，屬于高精度無線電導航系統(tǒng)。GPS定位應用面廣泛，測試種類也十分繁雜，通常根據(jù)其基礎(chǔ)控制測量將其分為偽距和載波相位測量。現(xiàn)階段GPS靜態(tài)定位通過定位方式實施觀測，并且分別有單差、雙差、三差的模式，其中差分結(jié)果與計算量有密切關(guān)系，差分觀測可以有效控制計算中的未知數(shù)量，降低測量誤差。通過GPS行為系統(tǒng)，接收用戶可以根據(jù)接收天線的距離作為基本觀測量，根據(jù)衛(wèi)星確定坐標，再根據(jù)接收機對應的點位參數(shù)，對測量進行有效分析。

2 GPS控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計各項指標標準

對于GPS控制網(wǎng)進行優(yōu)化設(shè)計之前，需要對其優(yōu)化制定一個標準：即什么是最佳優(yōu)化控制網(wǎng)；使用優(yōu)化設(shè)計的控制網(wǎng)能否對于實際測量結(jié)果產(chǎn)生影響，這對于優(yōu)化設(shè)計具有重要意義。

通常的衡量標準是基于控制量各項精度指標，按照精度、可靠性以及經(jīng)濟等指標進行評價。優(yōu)化設(shè)計也根據(jù)上述指標進行設(shè)計，對于用途不同的控制網(wǎng)，對其指標的側(cè)重也會適當做出改變。

2.1 精度指標

GPS控制網(wǎng)會存在一些誤差，精度指標指的是誤差分布的離散程度，通常會用參數(shù)方差對離散程度進行描述。

2.2 可靠性指標

GPS控制網(wǎng)的可靠性指標是根據(jù)，構(gòu)成模型產(chǎn)生的誤差而提出的理論。其中內(nèi)部可靠性代表控制網(wǎng)的自檢能力；外部可靠性代表的是抵抗殘存粗差的能力。進行優(yōu)化設(shè)計時，一般會用可靠率對GPS控制網(wǎng)的可靠性進行評估。

2.3 經(jīng)濟性指標

進行GPS控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計時，不能光從性能方面考慮，還要結(jié)合經(jīng)濟性進行考慮。為滿足精度、可靠性這兩點需求，經(jīng)濟也需要合理衡量，在設(shè)計時，使控制網(wǎng)同時滿足經(jīng)濟和精度、可靠性的指標。優(yōu)化平時測量時，GPS控制網(wǎng)的經(jīng)濟成本。

3 GPS工程控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計

3.1 精度評定

GPS控制網(wǎng)的精度評定標準是根據(jù)控制網(wǎng)的綜合用途，作業(yè)時對于定位技術(shù)的精準度要求等，精度以臨近點間距標準差表示。

3.2 GPS控制網(wǎng)的選擇

GPS控制網(wǎng)在應用的過程中，合理設(shè)計網(wǎng)型是非常重要的環(huán)節(jié)。GPS觀測無需通視技術(shù)，因此需要結(jié)合實際的需求、時間等因素進行設(shè)計。

（1）點連式。點連式是將臨近圖形中找到僅有的公共點，進行有效連接，但是連接構(gòu)成的網(wǎng)型各項能力都較弱，應用性不高。

（2）邊連式。邊連式在兩個臨近同步的圖形之間找尋公共點，通過基線將兩個點進行有效連接。使用邊連式進行控制網(wǎng)布設(shè)幾何強度較高，并且擁有較好的可靠性，可以對測量工作進行自檢，及時發(fā)現(xiàn)存在的誤差問題。

（3）網(wǎng)連式。網(wǎng)連式就是在兩個臨近的圖形之間，尋找到兩個以上的公共點，進行有效連接。因為是公共點，連接后的圖形也會互相存在一部分相疊的內(nèi)容，兩個圖形中各有對方的一部分圖形，這種連接方式可以保障良好的作業(yè)強度，但是實施效率并不是十分高效。

3.3 GPS網(wǎng)基準設(shè)計

GPS網(wǎng)基設(shè)計關(guān)鍵要素就是網(wǎng)絡(luò)位置是否基準，這樣能通過網(wǎng)絡(luò)基準位置提升測繪的精確度。實際實踐的過程中可以通過以下四種方式進行處理：固定網(wǎng)絡(luò)坐標值；在控制網(wǎng)中違逆平差，確保網(wǎng)絡(luò)位置的精準；綜合網(wǎng)絡(luò)為測繪點選擇多個坐標值固定其位置；給予坐標值適當?shù)臋?quán)[1]。

3.4 GPS控制工程網(wǎng)布設(shè)方式

（1）點位分布。測繪區(qū)域范圍相對較大時，為了保障測繪網(wǎng)點數(shù)據(jù)的精準度，通過GNSS大地測量來對控制網(wǎng)進行分析，合理進行布設(shè)，從而在控制網(wǎng)內(nèi)形成圖形。對于精準度要求較高的情況下，就需要將各個點進行有效連接，使其成為一個邊；布設(shè)的點在控制網(wǎng)中分布不均勻時，需要分別進行處理。

（2）基線長度對點位坐標精度影響。所測量地質(zhì)點位會受到邊長影響導致精度出現(xiàn)變化，邊長長度越長影響越明顯，當邊長超過40km后，出現(xiàn)的誤差非常明顯并逐漸擴大，高程也會受到誤差波動的影響。這是由于電離層因素會根據(jù)基線長度產(chǎn)生不同的影響，基線增長，電離層影響也會隨之增大。

（3）已知點分布控制點精度影響。在對GPS控制網(wǎng)進行布設(shè)時，需要根據(jù)實際的情況合理對各個點進行布設(shè)，不同的點對于控制網(wǎng)產(chǎn)生的精準度有直接影響。

3.5 提高可靠性和精度的措施

（1）提高可靠性的措施。通過可靠性指標計算可以分析出基線的相關(guān)數(shù)據(jù)，這有利于測點進一步對增加基線的工作進行處理。進行GPS控制網(wǎng)布設(shè)工作時，適當在網(wǎng)中增加觀測，可以提升控制網(wǎng)的可靠性。基于相同的控制網(wǎng)上，進行多次觀測分析，有助于分析出運行過程中存在的問題。其中一臺GPS接收機如果在同一位置觀測多次，并且在不同時間段，則需要在不同時間段重置設(shè)備，避免誤差和人為操作不當?shù)葐栴}。

（2）提高GPS網(wǎng)精度的方法。為了臨近GPS之間的精準度，就需要在網(wǎng)中對距離比較近的點實施同步觀測。根據(jù)觀測得出分析結(jié)果，確定基線[2]。可以在全面網(wǎng)上布設(shè)大框架，再對框架內(nèi)的點進行分析。測定的時候要保障框架內(nèi)各個點都是正常運行的狀態(tài)，選擇足夠多的水準點，使其均勻的分布在網(wǎng)內(nèi)。為了提升GPS控制網(wǎng)尺寸的精準度，可以增加觀測時段，對布設(shè)的點進行向量分析，因此，在實際工程中還需要結(jié)合工程實際情況來分析。

4 實驗測區(qū)控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計

受我國國土資源局分局委托，為了更好的完成地質(zhì)工程施工建設(shè)，結(jié)合所勘查的地質(zhì)區(qū)域?qū)嶋H情況，完成國土資源系統(tǒng)全面使用國家大地坐標系統(tǒng)的目標，對區(qū)整個區(qū)域?qū)嵤┛刂茰y量。參考GPS測量規(guī)范的要求進行布設(shè)，施測D級GNSS點50個、E級GNSS點100個，建立地質(zhì)研究區(qū)域2000坐標系統(tǒng)的GNSS（D級、E級）控制網(wǎng)相互轉(zhuǎn)換參數(shù)。為求得地質(zhì)研究區(qū)域較為精確的七參轉(zhuǎn)換參數(shù)，以四等水準精度聯(lián)測約5%的GNSS點以檢核GNSS擬合高程精度。本文主要研究GPS控制網(wǎng)的網(wǎng)型，選擇地質(zhì)勘查實驗點對控制網(wǎng)進行優(yōu)化，通過對比不同的優(yōu)化設(shè)計方案，選取精確度更可靠的方案。

4.1 設(shè)計方案

本次在臨川地質(zhì)研究區(qū)域內(nèi)進行測量和布設(shè)，分別采取三種方案進行設(shè)計，對比不同方案的效果，擇優(yōu)選擇。首先第一種方案，采用了三臺GPS接收機，在各個控制網(wǎng)之間采用邊連式的方式，對每個子網(wǎng)進行觀測；其次方案二，為了提升控制網(wǎng)的可靠性以及精度，采用了四臺GPS接收機，同樣采用邊連式進行觀測；最后方案三使用了六臺GPS接收機，如圖一所示。三種方案的布設(shè)區(qū)域相同，采用的設(shè)備數(shù)量不同，每個子網(wǎng)觀測兩個時段，對比三種方案的結(jié)果。

圖1 同步觀測圖型

4.2 設(shè)計方案比對分析

根據(jù)三種不同的方案，其效果的精度也各不相同，從表1可以看出，方案三的數(shù)據(jù)明顯高于前兩種方案。盡管方案二的精度最三種方案中最優(yōu)秀的，但是從整體效果來看，方案三的方案更加優(yōu)越，也就是說實際測繪時如果控制網(wǎng)可以保持在方案三的相應指標標準范圍內(nèi)，則說明控制網(wǎng)比較可靠。

表1 三種方案點位精度對比

5 結(jié)論

綜上所述，通過分析GPS工程控制網(wǎng)對臨川區(qū)基礎(chǔ)控制測量工作進行優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)相應的理論對精度以及可靠性指標加以分析，對于整體工程施工質(zhì)量有直接影響。根據(jù)當?shù)氐膶嶋H情況對GPS系統(tǒng)進行合理的布設(shè)和分析，通過深入分析布設(shè)，進一步優(yōu)化控制網(wǎng)，提升工作效率，有效降低整體作業(yè)的使用成本。在實踐中要系統(tǒng)分析控制網(wǎng)，通過優(yōu)化設(shè)計加強GPS的精度控制，對實際測繪有重要意義[3]。