沿海航道GPS控制测量若干问题的分析论文_吴杰

沿海航道GPS控制测量若干问题的分析论文_吴杰

宁波海通疏浚工程有限公司 宁波 315000

摘要:分析了在沿海航道进行高精度GPS 控制测量的特点以及平差计算的有关问题,提出了在沿海航道进行高精度GPS 控制测量若干问题的解决办法。

关键词:沿海航道测量;GPS 控制测量;基线解算;网平差

随着GPS 技术的日渐成熟,其在大地控制测量、工程测量及变形监测、地形、地籍及房地产测量、水下地形测量等方面得到了广泛应用。采用GPS 实施控制测量不受地面点之间通视情况的影响,其误差主要来源于GPS 卫星、卫星信号的传播过程和地面接收设备。偶然误差主要包括信号的多路径效应,系统误差主要包括星历误差、卫星钟差、接收机钟差、大气折射误差等。从这些误差中可以看出,GPS 测量观测点位周围的环境特点、网的布设、数据处理模型及方法等将会影响到GPS 测量结果的质量。

沿海航道GPS 控制测量与其它区域的控制测量相类似,但由于沿海航道有其自身的特点,选取的点位基本上沿岸布设,网形以及利用的起算点将会受到诸多限制,测量实施时应根据具体情况及要求选取合适的观测时间段和数据处理方法。本文探讨一下在沿海航道进行高精度GPS 控制测量若干问题的解决办法。

1 沿海航道特点

由于地形、水深测量的需要,在沿海航道测量区域里进行控制测量时需要测定的控制点比较密,一般每隔1 ~ 2 km 便需布设1个点。而实际上,已知的高等级的控制点毕竟比较稀少,在沿海的区域里,具有1954年北京坐标的Ⅰ、Ⅱ等级点很缺乏,具有GNSS2000坐标的GPS - A、B 等级点更少。在实际控制测量方案设计时,会发现很多起算点离测量区域都比较远,这些点与在沿海航道测量区域布设的点之间的距离经常要超过100 km。

另外,沿海航道航线两边滩涂较广,通行困难,交通极为不便;加上受潮汐的影响,低潮时工作船难于靠岸,对选点、布点、控制测量及地形测量造成诸多不便,对外业工作效率影响很大。且沿海航道通常靠近港口区,各种通讯设施较多,有时还建有大功率的无线电通讯设施。因此,我们在用GPS 进行控制测量时,卫星接收信号经常比较差,对于静态测量所采用的双频接收机来说,L 2 载波信号经常会因干扰而未能收到。

2 控制网的布设问题

利用GPS 开展控制测量,误差的来源主要有两大类。第1类属于仪器设备误差:第2类属于外界环境的影响,如大气、地形、潮汐等自然环境的影响所产生的误差。控制网布设时要根据设计的精度指标选用观测仪器和计算模型及软件,以达到测图的目标和要求。

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沿海航道GPS 控制测量网的布设应充分考虑已知点和未知点的情况,未知点的选取要考虑实用性,布设的网点应尽量形成良好的图形结构,要有较多的闭合图形,以便增加检核条件,提高网的可靠性。

对单频与双频GPS接收机的观测精度的分析和比较,结论如下:

(1)在长于15 km 的基线上,特别对于超过100 km的基线,如采用L1 和L2 的组合,能对电离层效应的影响进行改正,这时定位精度较高,残差也较小;

(2)在短于15 km 的基线上,采用L1 波段观测,也可以得到较好的精度。

因此在沿海航道进行高精度GPS 控制测量时,对于长基线观测,要特别注意L2 波段接收信号的干扰情况。

3 GPS 控制的解算

3.1 坐标系

GPS 测量采用广播星历时,其相应坐标系为国家标系GNSS2000;GPS 测量采用精密星历时,其坐标系为相应历元的国际地球参考框架ITRF YY,当换算为大地坐标时,可采用与GNSS2000相同的地球椭球基本参数以及主要几何和物理参数。

3.2 精密星历与广播星历的采用

广播星历的误差对相对定位影响为1ppm。即对于长度为10 km 的基线会产生1 mm 的误差;对于1000km 的基线将产生1 m 的误差。从中可以看到,对于长基线,广播星历误差将是影响定位精度的重要原因。所以,在实际中,对于基线不很长、定位精度要求不很高的情况,采用广播星历就可以了,但是,对于长距离、高精度相对定位,就需要精密星历。因此,一般B 级网的计算采用精密星历进行,C 级网的计算采用广播星历进行。

3.3 数据处理软件

C 级网基线解算及网平差采用南方GPS 随机配备的南方GPS 数据处理软件,B 级网基线解算采用专门的精密处理软件,计算结果中包含了相对定位坐标和协方差等。网平差一般采用POWERADJ 软件。

3.4 外业数据质量检核

B 级和C级GPS 网复测基线长度较差、同步环闭合差、独立闭合环和附合路线坐标闭合差应按规范的要求计算,并满足规定的指标。

3.5 B 级网基线精处理结果的质量检核

(1)B 级基线精处理后应计算ΔX 分量、ΔY 分量、ΔZ 分量及边长的重复性,还应对各基线边长分量、北分量和东分量的重复性进行固定误差与比例误差的直线拟合,作为衡量精度的参考指标。

(2)B 级GPS 网,同一基线不同时段的较差,基线精处理后独立闭合环或附合路线坐标分量闭合差和环线全长闭合差也应按规定的公式进行计算,并满足规定的要求。

(3)一般B 级网基线精处理结果,同一测站的坐标分量在不同的图形中互差,在起算点松弛时小于1 m,在起算点固定时应小于0.2 m。另外必须对基线方差协方差阵是否符合实际精度予以检核并在平差中调整。

3.6 GPS 网平差

B 级GPS 网一般采用无约束平差和整体平差。C 级GPS 网一般采用无约束平差和约束平差。对于B 级GPS 网来说,一般范围比较大,在1954 年北京坐标系的平差时可能会发生已知点坐标的兼容性较差问题,可分块进行平差。

3.7 高程拟合

(1)由于高程拟合时在固定点范围内的拟合精度要高于外推拟合,因此应选择固定点位于待拟合高程的控制点外围的拟合方案。为减少粗差对高程拟合的结果产生影响,高程拟合应选择多个拟合方案进行。对各方案拟合结果进行比较分析后,剔除影响拟合精度的粗差,选择最佳拟合结果作为最终成果。

(2)参与拟合已知几何水准高程点一般至少需要6 个以上。最好分布均匀且覆盖整个测区,在高差突变的区域最好设有高等级已知点。

4 其他问题

(1)在建立局部GPS 网时,宜采用先整体,后局部,逐级加密的方法。首先建立高精度长边GPS 网,作为该地区的框架系统,然后逐步施测加密网,这样,使得误差分布更合理。

(2)GPS 网平差时,要对已知点的可靠性进行检核,防止网的扭曲、变形。对于长短边结合的控制网,不宜为了追求表面精度,过多剔除短边,使得网内局部精度失真。

(3)在沿海地区,高程点不多,分布更难以达到均匀,这使高程拟合的精度要差一些,因此在GPS 高程拟合时,应当注意其适应范围大小,范围过大势必误差增大。拟合时所采用的固定点正常高的精度是拟合成功与否的关键之一。建议对D 级(包括D 级)以上GPS 网点均采用直接几何水准法得出其正常高,以保证其平面精度同高程精度的统一。

参考文献

[1]罗予思.沿海航道GPS控制测量若干问题的分析[J].水道港口,2005(01):62-64.

[2]李永胜.GPS在内河航道控制测量中的应用[J].中国水运(学术版),2007(06):38-39.

[3]唐立明,袁红喜,彭云.长江中游荆江航道整治工程控制测量的投影变形问题的分析和解决[J].现代测绘,2014,37(02):29-30+35.

论文作者:吴杰

论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第14期

论文发表时间:2018/9/27

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