GPS技术应用与质量控制探讨

　　摘要：本文首先介绍了GPS技术的一些应用，然后主要从GPS网的设计、野外观测以及基线解算三个方面提出了GPS作业过程中的质量控制措施。
　　关键词：GPS；技术应用；质量控制；基线解算
　　
　　0 引言
　　随着GPS定位技术在测量中的广泛应用，GPS作业过程中的质量控制措施和观测成果的分析成为生产实践中的一个重要问题。因此，探讨出一套实用性强、理论严密的质量控制措施，将有助于GPS控制网在实践中的应用。本文参考GPS技术应用的基本理论，结合自己的工作实践，进行了一些有用的探索，以供广大业内人士参考。
　　1 GPS技术的应用
　　1.1 建立工程控制网
　　工程控制网是工程建设、管理和维护的基础。其网型和精度要求与工程项目的性质、规模密切相关。一般地，工程控制网覆盖面积小、点位密度大、精度要求高。用常规的方法，多采用边角网。
　　采用GPS定位的方法建立工程控制网，具有点位选择限制少、作业时间短、成果精度高、工程费用低等优点。可应用于建立工程首级控制网，变形监测控制网，工矿施工控制网，工程勘探、施工控制网，隧道等地下工程控制网等。应用GPS技术建立控制网，通常采用载波相位静态差分技术，以保证达到毫米级精度。应用GPS技术建立道路勘探、施工控制网和隧道工程控制网等具有显著的优势。道路勘探、施工控制网，具有横向很窄、纵向很长的特点。采用传统的三角锁、导线方案，多数需要分段实施，以避免误差积累过大。采用GPS技术，由于点与点之间不需要通视，可以敷设很长的GPS点构成的三角锁，以保持长距离线路坐标控制的一致性。
　　1.2 变形监测
　　变形监测主要是监测像大桥、水库大坝、高层大楼等建筑物、构筑物的地基沉降、位移以及整体的倾斜等状况。监测工作的特点是被监测体的几何尺寸巨大，监测环境复杂，监测技术要求高。常规的监测技术是应用水准测量的方法，监测地基的沉降；应用三角测量（或角度交会）的方法，监测地基的位移和整体的倾斜。GPS技术在该领域有广泛的应用。
　　1.3 带RTK的碎部测量与放样
　　RTK（RealTimeKinematic）技术，即载波相位差分技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。RTK系统由两部分组成：基准站（坐标已知）和移动站（用户接收机）。其基本原理是：将基准站采集的载波相位发送给用户，用户根据基准站的差分信息进行求差解算用户位置坐标。RTK技术可应用于测绘地形图、地籍图，测绘房地产的界址点，平面位置的施工放样等。采用RTK技术测图时仅需一人进行。将GPS接收机放在待定的特征点上1、2s，同时输入该特征点的编码即可。把一个小区域内的地形、地物特征点测定后传入计算机，由专业成图软件、在人工适当的干预下，形成所要的成果图。采用RTK技术进行放样，标定界标点，是坐标的直接标定，不像常规放样那样，需要后视方向、用解析法标定，因而简捷易行。
　　2 GPS作业过程中的质量控制措施
　　2.1 GPS网的设计方面的措施
　　GPS网设计与常规网不同，它不需要考虑点间通视、相邻边比值以及观测角大小等因素，布网灵活性较强。GPS基线向量网形式多样，其中同步图形扩展式的作业方式因其作业效率高、图形强度好等特点，是目前普遍采用的一种布网形式。在一般工程实践中，常根据具体情况，采用混连式，即灵活采用点、边和网连式的某种混合形式。GPS网的设计，在严格遵守GPS测量规范基础上，还应注意以下几方面：
　　1）为提高GPS网的整体相对精度，异步环中相邻较近的点应进行同步观测。
　　2）由于随着异步环边数的增加，异步环闭合差的检验能力将逐渐下降。所以，网中所有最小异步环的边数一般不要大于6条。
　　3）尽量保证每个测站至少与三条以上的独立基线相连。GPS相对测量以基线（边）为基本单位。各个点位的可靠性与其他点位无关，而与该点相连的基线数有关。点上连接的独立基线越多，该点可靠性检验就越强。
　　2 野外观测方面的措施
　　野外观测成果质量的好坏，直接影响着最后成果的精度及可靠性。当操作员对接收机参数设定以后，接收的数据质量只和观测环境有关，而不受人为因素干扰。作业过程中，在确保数据采集参数设置正确的前提下，还应注意以下几点：
　　1）当采用光学对中器进行对中时，底座在测前应进行检校。
　　2）在温差大的天气，要注意清除潮气。如潮气较大，反映在观测中，信噪比变小甚至小于3。
　　3）野外量取天线高时，应注意量取天线的位置及量取方式，并避免各种人为粗差。
　　4）天线定向标志线应指向正北，并顾及当地磁偏角的影响，定向误差不应大于5°。
　　3 基线解算方面的措施
　　基线解算的过程主要是一个平差过程，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。第一阶段为初始平差，主要是求出整周模糊度和基线向量的实数解；第二是将整周模糊度固定成整数；第三是将确定了的整周模糊度作为已知值，仅将待定的测站坐标作为未知参数，再次进行平差，求出基线向量最终解。
　　双差可以消除接收机钟差，减弱卫星位置误差及大气延迟误差，但却放大了多路径效应和观测噪声误差。基线优化解算的目的就是根据实际情况，选取合理的解算模型，最大限度减弱双差残余误差。双差残余误差是指双差不能完全消除的误差，主要有卫星位置误差、对流层延迟误差、多路径效应和接收机噪声。
　　3.1 影响基线解算结果的因素及应对方法
　　1）卫星位置误差
　　卫星位置误差对基线的影响与基线的长度有关。对于长100km的基线，轨道误差2.5m的影响只有1cm。而目前广播星历的精度为3m,精密星历的精度可达到0.05m。所以，对于长度小于100km的基线，广播星历误差的影响基本可以忽略。而对于长基线，消除卫星位置误差的有效途径就是采用精密星历。
　　2）对流层延迟误差
　　对流层延迟主要与气候、气压、温度、湿度和卫星仰角有关。对于低仰角卫星，对流层总延迟最大可达30m。尽管双差可减弱对流层影响，但由于对流层延迟较大，所以，即便对较短的基线，也应加模型改正。
　　3）多路径效应和接收机噪声
　　多路径效应的影响与卫星信号方向、反射系数以及反射物距离有关，由于测量环境复杂多变，多路径效应难以模型化，也不能用差分方法来减弱。
　　一般采用预防性措施来减弱其影响，如天线远离反射物、采用扼流圈天线等。观测值噪声为白噪声，而且不同卫星的观测值噪声之间是独立的。数据处理时，一般把多路径效应和接收机噪声作为偶然误差来处理。
　　5）起始点坐标不准确
　　起点坐标不准确，会导致基线出现尺度和方向上的偏差。已知点的坐标误差对解的影响主要和基线长度、卫星的空间分布等因素有关，影响的大小约在0.1ppm左右。解算基线时，应尽量选取高精度的已知点作为起算点。当没有高精度的起算点时，可选取网中单点定位精度高的点来作为起算点。
　　4 结语
　　GPS测量从布网设计到基线向量网整体平差，是一个复杂的过程。要获得满足精度且可靠的定位成果，首先网要设计合理，野外采集数据质量可靠，不存在人为粗差；其次，基线解算要根据其质量评定指标和影响因素进行优化处理；最后，参与平差的独立基线要检验合格且约束数据精度要高。
　　
　　参考文献：
　　[1]魏二虎,黄劲松.GPS测量操作与数据处理[M].武汉大学出版社,2004.
　　[2]周立.GPS测量技术[M].黄河水利出版社,2006.
　　[3]金国雄.GPS卫星定位的应用与数据处理[M].上海同济大学出版社,1994.