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摘要：本文首先介绍了GPS静态定位技术的组成，工作原理以及相对于常规测量方法的优点。又本着从整体到局部，从高级到低级的布网原则，进行了GPS控制网的设计。随后对网形的特征进行了图示说明，对外业观测进行了系统阐述，对选点的要求进行了详细介绍。最后对GPS控制网进行了数据处理以及精度评定。利用全球定位系统（GPS）静态定位技术，结合GPS控制测量中的实际工作经验，就GPS静态定位技术在测量控制网建立过程中的外业观测及内业数据处理进行了研究，结果表明GPS静态定位技术能够得到高精度的测量成果。就如何进行控制网的设计，高等级约束点的检测和选定，以及GPS网的精度评定提出了自己的方法和建议，对全网进行必要的精度分析并得出结论。
关键词：GPS控制网；外业观测；数据处理；
Application of GPS Static Localization skill in Establishment of Survey Control network
Abstract：This paper describes the composition of the GPS static positioning technology，working principle and in relation to the advantages of conventional measurement methods. Also in line from the whole to part，from the high to the low-level cloth net principle and conduct a GPS control network design. Then the characteristics of the network line the icon shows that the external sector to conduct a systematic observation elaborated on the requirements of the selection of points is described in detail. Finally，the GPS control network for the data processing and accuracy assessment.The use of Global Positioning System（GPS）static positioning technology，combining GPS control surveying in the practical work experience，on the GPS static positioning technology in the measurement and control networks have been established field surveying and data processing within the industry，the study results show that the GPS static high-precision positioning technology can be the measurement results. On how to control network design，high-grade detection and selection of binding sites，as well as assessing the accuracy of GPS networks put forward their own methods and recommendations on the necessary precision of the whole network to analyze and draw conclusions.
Keywords：GPS control network；Field surveying；Data processing
引言
GPS全称为Global Positioning System（全球定位系统），它是以人造卫星为基础的无线电导航、定位、定时体系。随着GPS试验卫星与工作卫星的相继入轨及商用接收机技术的不断提高，GPS导航与精密定位技术已经广泛地渗透到了经济建设和科学技术的许多领域。尤其是测绘领域，GPS卫星定位技术正以其高速度、高效率、高精度、高效益的特点对传统的经典大地测量学产生了极其深刻的影响，应用非常广泛，从全球性地球动态参数的实时测定到工程建设的施工、监测，GPS无所不包，尤其是工程测量方面，GPS定位技术已成为建立城市与工程控制网的主要手段。GPS测量不需要控制点间通视，而且测量精度高速度快、因而GPS测量技术很快就取代常规测量技术成为航测地面控制点的测量的主要手段。近年来，GPS动态定位技术的飞速发展导致了GPS辅助航空摄影测量技术的出现和发展。目前该技术已进入实用阶段，在国际和国内已用于大规模的航空摄影测量生产。实际表明该技术可以极大地减少地面控制点的数目，缩短成图周期，降低成本。GPS全球定位系统是随着现代科学技术的迅速发展而建立起来的新一代精密卫星定位系统，GPS静态定位在测量中主要用于建立各种类型和等级的控制网，在这些方面，GPS技术已基本上取代了常规的测量方法，成为了主要手段。GPS是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统，它具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能。全球定位系统（GPS），是随着现代科学技术的迅速发展，而建立起来的新一代精密卫星定位系统。GPS定位技术的高度自动化和所达到的定位精度及其潜力，使该技术在测量工作中的应用展现了广阔的前景。
1 GPS系统的组成、工作原理及特点
1.1 GPS全球定位系统
GPS全球定位系统由空间卫星群和地面监控系统两大部分组成，除此之外，测量用户当然还应有卫星接收设备。GPS主要由空间部分、地面控制部分和用户部分组成。
空间卫星群：GPS的空间卫星群由24颗高约20万公里的GPS卫星群组成，并均匀分布在6个轨道面上，各平面之间交角为60°，轨道和地球赤道的倾角为55°，卫星的轨道运行周期为11小时58分，这样可以保证在任何时间和任何地点地平线以上可以接收4到11颗GPS卫星发送出的信号[1]。
1.2 GPS的地面控制系统
GPS的地面控制系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站，主控站的作用是根据各监控站对GPS的观测数据计算卫星的星历和卫星钟的改正参数等并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时还对卫星进行控制，向卫星发布指令，调度备用卫星等监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星工作状态。
GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机、气象仪器等组成，其作用是接收GPS卫星发出的信号，利用信号进行导航定位等。随着现代的科学技术的发展，体积小、重量轻便于携带的GPS定位装置和高精度的技术指标为工程测量带来了极大的方便。
1.3 GPS的工作原理
GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。GPS的工作原理，简单地说来，是利用我们熟知的几何与物理上一些基本原理。首先我们假定卫星的位置为已知，而我们又能准确测定我们所在地点至卫星之间的距离，那么这点一定是位于以卫星为中心、所测得距离为半径的圆球上[2]。
1.4 GPS测量优点
相对于常规的测量方法来讲，GPS测量具有以下优点：
（1）GPS测站之间无需通视
测站间相互通视一直是测量学的难题。GPS这一特点，使得选点更加灵活方便。但测站上空必须开阔，以使GPS接收卫星信号不受干扰。
（2）定位精度高
一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+1ppm，而红外仪标称精度为5mm+5ppm，GPS测量精度与红外仪相当，但随着距离的增长，GPS测量优越性愈加突出。
（3）观测时间短
观测时间短采用GPS布设控制网时每个测站上的观测时间一般在30～40min左右，采用快速静态定位方法，观测时间更短。例如使用天宝4800GPS接收机的RTK法可在5s以内求得测点坐标。
（4）提供三维坐标
GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。操作简便。GPS测量的自动化程度很高。目前GPS接收机已趋小型化和操作自动化，观测人员只需将天线对中、整平，量取天线高打开电源即可进行自动观测，利用数据处理软件对数据进行处理即求得测点三维坐标。而其它观测工作如卫星的捕获，跟踪观测等均由仪器自动完成[3]。
（5）全天候作业
GPS观测可在任何地点，任何时间连续地进行，一般不受天气状况的影响。
2 控制网的设计
2.1 控制网设计
在布网原则上，考虑采用GPS观测，故点位附近要避开各类电台发射天线和高压输电线。避开大面积水域和较大面积光滑反射墙面、地面，视野开阔，在高度角以上无障碍物。
GPS的最大优点之一是站间不要求通视，考虑到建网后点位的保存和使用，把一部分点位选在永久性的高层建筑物和水塔的顶上，不仅通视条件好，且易于保存。
本次GPS网是采用分级布设的，即将控制网根据其控制面积、精度及观测时段的要求分设为三等、四等和一级GPS控制网。图2-1为一边连式网。
图2-1边连式GPS控制网
2.2 边连接方式布网
三等GPS网及四等GPS网的布设是采用边连接方式进行构网的，其中布设三等点29个，4个已知起算点，平均边长5km。布设四等点52个，平均边长2km，联测三等点6个[4]。
2.3 导线式环形布网
例如商丘市一级GPS网北至310国道，东至平台，南至北海路，西至平原路，共布设一级GPS点289个，其中联测和利用三、四等GPS点20个，平均边长300m，按导线形式连接成环状网。
2.4 已有成图资料
总参测绘局于1979年编制出版的1：50000地形图，等高距为10m，平面为1954年北京坐标系，高程为1956年黄海高程系。该图作为外业踏勘、选点、规划及编写专业技术设计使用[5]。
D级GPS控制网在国家二、三等三角锁（网）的基础上，以边连接的方式布设，点位应满足GPS、水准观测条件和观测要求，通达便利，能够长期保存，利于其它测量手段扩展和联测。GPS控制网总点数22点，最大边长19.2km，最短边长4.7km，平均边长9.3km为[7]。
GPS测量的技术设计、GPS控制网的布设与优化GPS控制网的设计与布设方案是GPS测量工作基础与核心，其主要内容包括网的精度指标确定、网形设计及网的基准设计。
2.5 GPS测量的精度指标
精度指标是GPS控制网技术设计的一个重要指标，它的大小将直接影响GPS网的布设方案、观测计划以及观测数据的处理方法。因此，在实际设计中对GPS网精度指标的确定要取决于网的用途与用户的需要。GPS定位测量的精度指标通常以网中相邻点的距离误差来表示：
MR=E+PP×D （2-1）
式中： MR——网中邻点的距离误差；
E——与接收设备有关的常量误差；
PP——比例误差；
D——相邻点间的距离（km）[6]。
GPS点的点位中误差随基线长度、控制网等级及坐标系的不同而不同，具体要求见表2-1。
表2-1 点位中误差统计表
2.6 布网原则
在网的设计中本着从整体到局部、逐级控制的原则。在工业区、开发区、市民密集生活区，沿主要公路两侧及城郊结合部等发展重点地段布成密度较大的网形或导线形式。在两县与市区交界区、水源区、规划边缘区，近期控制发展区等布成散点供以后发展时应用[7]。
3 外业观测
3.1 GPS测量作业模式确定
本次实验观测采用3台接收机同一时段同步观测，静态相对定位模式，载波相位观测值为基本观测量。每一时段可得观测基线向量数为3×（3-1）／2=3，其中独立基线向量数为2，非独立基线向量数为1。根据GPS测量的基本技术规定，E级基线测量中，卫星截止高度角、同步观测的时段数、时段的长度以及观测有效卫星数，应分别满足i≥15°、m≥1.6、t>40min、n>4颗控制网的建立GPS实际上是一种提供精确观测值的大地测量工具。所有的GPS处理软件实质上都是采用的三维模型，处理的结果以经度、纬度及到椭球体的高度形式给出。
目前，GPS控制网可以分成被动控制网和主动控制网两种形式：
（1）被动控制网：被动控制网是大部分已开发地区都已经通过三角测量、导线测量或二者结合的形式以及水准测量建起。大地控制网基本上有两个功能：为较大跨度区域提供无缝的参数基准；为用户提供无表现误差的参考框架[8]。
（2）主动控制网：加拿大的主动控制网从1995年开始筹建，到最终完成后，它将由大约20多个定期监测站连续跟踪所有可见卫星。
3.2 观测前准备
（1）出发前准备
每天出发前检测电池容量是否充足，并携带备用干电池，仪器及其附件应携带齐全，作业前应检测接收机内存是否充足。
（2）选点
选点即观测站位置的选择。在GPS测量中并不要求观测站之间相互通视，网的图形选择也比较灵活，为了保证观测工作的顺利进行和可靠地保持测量结果，必须注意观测站的位置。
所选D级GPS点点位满足GPS观测的要求，但也要兼顾交通便利，有利于今后使用等因素，具体要求如下：
① 控制点选点时，要保证每点至少与一个相邻点通视，并照顾到便于四等水准施测；
② 被测卫星的地平高度角应大于15°；
③ 测站远离建筑物、水体等卫星信号反射物，以消除或削弱多路径误差；
④ 测站离无线电台、电视台、微波中继站等强信号源的距离应大于200m；
⑤ 测站离高压电线、变压器等设施的距离最好大于50m[9]。
GPS点的个数随网形等级的不同而不同，具体要求见表2-2。
表2-2 GPS网形特征
（3）观测
①对中整平：用三脚架安置天线，使天线相位中心直接对中观测点、底板上的圆水准器气泡居中，并量取天线斜高，做好记录。
② 观测作业：主要捕获GPS卫星信号，并对其进行跟踪、处理和测量，以获取所需要的定位信息和观测数据。观测同一时段同步观测50min。同步观测卫星数n≥4个，卫星高度角i≥15°，数据采样率为l5s，观测时段长度t≥45min，PDOP≤6。
③测站间联系
测站间用对讲机联系，同时开机，接收机开始记录数据后，作业员要经常观察卫星数、记录情况、电池电量和精度指示灯等情况，只有各测站精度指示灯都达到规定要求后，才能结束观测，但时间不能少于30min。
4 GPS控制网的数据处理
通过处理软件将不同接收机的观测数据导入计算机。在软件系统中进行基线解算和网平差计算分析，通常采用无约束平差和约束平差两种方法。
4.1 无约束平差
在各项质量检核符合要求后，以所有独立基线组成闭合图形，以三维基线向量及其相应的方差协方差阵作为观测信息，以1个点的WGS-84三维坐标作为起算依据，进行GPS网的无约束平差。各等级网的最弱点位精度分别为三等0.018m、四等0.0210m、一级0.0286m。
控制网三维无约束平差。基线解算合格、各项精度符合规范要求后，就可以进行控制网平差。首先在WGS-84坐标系下进行三维无约束平差，检查GPS基线向量网本身的内符合精度，基线分量的改正数绝对值限差应满足要求。经检验，该项目全部基线分量的改正数绝对值符合要求[10]。
4.2 约束平差
控制网二维约束平差为解算控制点的平面直角坐标，必须联测至少3个以上国家高等级控制点，为保证控制网整体精度控制网点观测完成后，对原始数据进行全面检查和校对，确认外业数据无误后，采用高精度的GPS数据处理软件进行数据处理工作。首先进行基线解算，其次进行三维无约束平差和三维约束平差，最后进行二维约束平差。在GPS观测条件较好的平坦地区，控制网数据处理工作一般能一次完成。在地形起伏较大、树木众多的山岭重丘区，由于GPS接收信号受到不同程度的影响，在数据处理过程中，往往会出现大量不合格基线或者合格基线误差较大部分同步环闭合差、重复基线误差、异步环闭合差会超限，如何提高控制网解算精度，尽量避免大量的外业重测工作，就成为测绘工作者研究的问题。进行控制网三维约束平差，得出各点的经纬度、WGS-84坐标系下的坐标和点位中误差，最大点位中误差为29mm，控制网的精度符合规范要求。GPS数据处理软件：在Windows平台上运行，提供简单的操作和精确的数据处理。软件包括文件、编辑、基线处理、闭合环、网平差、工具、查看、帮助菜单项，内业包括基线向量处理、网平差、高程拟合及坐标转换。
4.3 误差分析
GPS观测值的各种误差按其来源大致可以分为三种类型：与卫星有关的误差；与信号传播有关的误差；接收机误差。
（1）与卫星有关的误差
星历误差在长距离定位时一般应采用精密星历或同时定轨。采用精密星历时要注意，各个GPS资料处理中心提供的精密星历尽管在数值上很接近，但由于采用的卫星动力学模型不一致，可能会对基线解算产生系统性的差异，所以在解算时，应采用统一格式的精密星历。
（2）信号传播误差
电离层折射的影响，对流层大气折射率与大气压力、温度和湿度有关，一般将对流层中大气延迟分为干项延迟和湿项延迟两部分干大气引起传播延迟量级为几米，但改正模型的精度可达到1cm左右。观测基线计算采用数据后处理软件进行计算。在基线解算时，已知WGS-84大地坐标作为起算数据进行基线解算。对于解算精度较差或未解算出模糊度的基线作了记录，并进行了重新观测。在作业过程中，及时对观测值进行处理，对同步环、重复边、异步环进行检核。
（3）接收机误差
接收机误差主要有接收机钟误差，接收机位置误差天线相位中心位置误差及几何图形强度误差等。接收机一般采用高精度的石英钟；接收机天线相位中误差相对测站标石中心位置的误差，叫接收机误差；接收机相位中心位置的偏差：是观测时相位中心的瞬时位置与理论上的相位中心的差别。
5 基线向量解算及精度评定
5.1 基线解算
在基线解算过程中，对不合格和误差较大的基线进行认真分析，通过查看卫星的残差图，提高卫星高度角，调整起止时间历元的位置、删除数噪声比较相邻点间基线长度精度按公式（5-1）计算。
（5-1）
式中： m——标准差；
a——固定误差；
b——比例误差系数；
d——相邻点间的距离。
根据本测区的要求，在计算相邻点间基线长度精度时：取a=10、b=2，d分别取每个闭合环的平均边长（单位为km）。检核了15个同步环，9条重复基线，其闭合差、互差均小于限差。控制网共检核了15个异步环，其闭合差、互差均小于1／3限差[11]。
（1）观测值 基线解算一般采用差分观测值，较为常用的差分观测值为双差观测值，即由两个测站的原始观测值分别在测站和卫星间求差后所得到的观测值。
（2）初始平差 根据双差观测值的观测方程（需要进行线性化），组成误差方程，然后组成法方程，求解待定的未知参数及其精度信息。通过初始平差，所解算出的整周未知数参数本应为整数，但由于观测值误差随机模型和函数模型不完善等原因，使得其结果为实数，因此，此时与实数的整周未知数参数对应的基线解被称作基线向量的实数解或浮动解。为了获得较好的基线解算结果，必须准确地确定出整周未知数的整数值[12]。
（3）基线解算（平差）基线解算的过程实际上主要是一个平差的过程，平差所采用的观测值主要是双差观测值。在基线解算时，平差要分三个阶段进行，第一阶段进行初始平差，解算出整周未知数参数的和基线向量的实数解（浮动解）；在第二阶段，将整周未知数固定成整数；在第三阶段，将确定了的整周未知数作为已知值，仅将待定的测站坐标作为未知参数，再次进行平差解算，解求出基线向量的最终整数解（固定解）。
（4）整周未知数的确定 确定整周未知数的整数值的方法有很多种，目前所采用的方法基本上是以下面将要介绍的搜索法为基础的。
搜索法的具体步骤如下：
①根据初始平差的结果，分别以每一个整周未知数为中心，以与它们中误差的若干倍为搜索半径，确定出每一个整周未知数的一组备选整数值。
②从上面所确定出的每一个整周未知数的备选整数值中一次选取一个，组成整周未知数的备选组，并分别以它们作为已知值，代入原基线解算方程，确定相应的基线解。
③从所解算的所有基线向量中选出产生单位权中误差最小的那个基线向量结果，作为最终的解算结果，这就是所谓的基线向量整数。
5.2 精度评定
对于各类GPS网的精度设计主要取决于网的用途。用于全球性的地球动力学研究﹑地壳形变测量以及国家基准大地测量的GPS控制网可参照《全球定位系统（GPS）测量规范》中AA、A、B级的精度分级，具体要求如表5-1所示；用于城市或工程的GPS控制网可根据相邻点的平均距离和精度参照《全球定位系统城市测量技术规程》中的二、三、四等和一、二级，具体要求见表5-2。
表5-1 GPS测量精度分级（一）
6 结语
纵观目前的发展现状，展现在我们面前的是GPS应用的广阔前景。下一代星群的扩大将会满足所有导航，测量和定时的需要。潜在的软、硬件因素的改进将会使预期目的更快甚至实时地实现。实时数据传输将会变得廉价而容易实现。精度将会在价格降低的前提下提高一个等级。另外GPS的集成水平将会进一步提高，而且通过严格的质量控制会使其输出更可靠，其结果将会使导航与测量的区别变小。除了目前的应用外，还有许多无人问津的新兴应用领域发展起来。GPS的发展确实扑朔迷离，现在很难预见未来十年会有什么新的应用领域出现。
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论文作者:刘东兴
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年6期
论文发表时间:2019/7/11
标签：基线论文; 测量论文; 误差论文; 精度论文; 接收机论文; 向量论文; 技术论文; 《建筑学研究前沿》2019年6期论文;