GPS定位技术在平面控制网中的关键问题及应用

　　1概述
　　GPS定位技术具有高精度、全天候、测站间无需保持通视等优点，因而已基本取代传统方法而成为建立各级平面控制网的主要手段。国内外资料表明，利用GPS来布设平面控制网时，所需的工天数大约为常规方法的1/6，所需费用在国外为常规方法的1/6左右，在国内为常规方法的1/3左右，而且精度也比常规方法好，因而已得到了广泛的应用。
　　GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。在GPS测量中通常采用空间坐标系统和地心坐标系统（如WGS-84地心坐标系）。在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换。这样更有利于表达地面控制点的位置和处理GPS观测成果，因此在测量中得到了广泛应用。
　　2GPS工程控制网的布设
　　2.1控制网点的分布设置
　　工程控制网的布设原则和大地控制网是一致的，但也有一些区别。工程控制网的点位分布情况视工程需要而定，一般来讲，工程控制网的范围和点位间距都不是很大，点位选择的机动性较小，但对点位的要求与大面积控制网基本相同，埋石时，由于点位精度要求不是很高，可灵活处理。当测区范围不太大时，由于GPS测量受地面图形影响很少，可以灵活布设，点位选择时，则根据工程需要布点，而不必考虑点距及点的通视情况。
　　总的来说，GPS控制网的布设需要进行综合设计。路线过长时，可视需要分为多个投影带。在各分带交界处，应布设一对通视的GPS点。选点时，通常为了便于使用光电测距仪测距，做一、二级导线加密，应使两GPS点间可通视。为了使GPS控制网投影长度变形值小于2.5cm/km，必要时可采用测区抵偿高程面进行投影或任意带办法。在平差时，应先以一个点的WGS-84系坐标作为起算边，进行无约束平差。检查该网本身的内符合精度，基线向量间有无明显的系统误差。剔除含有粗差的基线边。设计GPS控制网时，应由一个或多个独立观测环组成，并包含较多的闭和条件。GPS控制网由非同步GPS观测边构成多边形闭合环或附和路线时，其边数应符合下列规定：一级GPS控制网应不超过5条；二级GPS控制网应不超过6条；三级GPS控制网应不超过7条。三级GPS网应采用绞链导线式、点连式布网，且GPS控制网中不应出现自由基线。在测设GPS控制网时，GPS控制网应同附近等级高的国家平面控制网点联测，联测点数应不少于3个，并力求分布均匀，且能控制本控制网。
　　2.2GPS网的选点与埋石
　　1）选点：既要求点位置具有良好的卫星窗口，以满足观测的需要，又要方便施工而且安全、稳定，便于长期保存和利用。虽然GPS网不需要点与点之间的通视，但为了便于测图和便于校核，每个点至少和网中的另外一个点相互通视。2）埋石：网中充分利用原有完好的控制点的标石，新点均为预制砼标石，埋石规格要求执行《城市测量规范》。
　　2.3坐标系统转换
　　在工程测量中，为了和原有的资料一致，常常要求给出当地坐标系统。用GPS测量布设工程控制网时，获得的是WGS-84坐标，这就需要将GPS测量的WGS-84坐标转换成地方坐标，因此布网时需要重合部分具有地方坐标的点位，一般来讲，重合点最少要有3个。如果需要正常高，还应重合若干水准点，进行高程拟合，或对GPS点进行水准联测。坐标系统转换的方法一般根据测区范围的大小和精度要求而定。
　　1）强制符合法。
　　如果测区内已知点的坐标为北京54，平差前，先将这些点的大地坐标转换为空间直角坐标；平差时，以这些已知点作为固定点，与GPS观测值一起平差。这样在平差过程中就完成了WGS-84坐标向北京54坐标的转换，然后将平差后的大地坐标投影到高斯平面上。
　　2）转换参数法。
　　首先将GPS观测量在空间直角坐标系下进行平差，求出已知大地点上的空间直角坐标，然后利用已知大地点上的两种坐标（WGS-84坐标和北京54坐标），用转换模型求出空间转换参数，最后利用转换参数求解其它点的北京54坐标，这样就将平差后的结果转换到了北京54坐标系上，再将此结果投影到高斯平面上。使用以上两种方法时，点位精度受当地坐标的影响很大，体现不出GPS测量高精度的特点，另外当已知大地点的精度不统一时，求出的转换参数误差较大，有时转换的结果满足不了工程网的精度要求。因此进行坐标转换时，已知大地控制点应选择相同等级的点，这样求得的转换参数才能满足需要。
　　2.4GPS测量的主要误差来源
　　GPS测量中出现的各种误差按其来源大致可分为以下几种类型：
　　⑴与卫星有关的误差。主要包括卫星星历误差、卫星钟的误差、地球自转的影响和相对论效应的影响等；
　　⑵信号传播误差。因为GPS卫星是在距地面20200km的高空中运行，GPS信号向地面传播是要经过大气层，因此，信号传播误差主要是信号通过电离层和对流层产生的影响。此外，还有信号传播的多路径效应的影响；
　　⑶观测时采用的接收设备误差。
　　⑷仪器对中误差和天线高的量取误差。
　　3工程实例
　　随着社会的发展日新月异，原高等级控制点密度不够，加之建设过程中的人为破坏，如何高效快速建立高等级控制网就成为测绘工作者当前面临的一大难题。以前主要采用三角网和光电测距导线网进行，耗时长，耗资大，工作强度大。本文通过对某工程平面控制网的建立实例，阐述GPS测量的过程和优势。
　　3.1测区概况
　　测区地理位置为：
　　东经118°30’～118°57’
　　北纬25°11’～25°13’
　　3.2技术依据
　　⑴《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T18314-2001）。
　　⑵《城市测量规范》（CJJ8－99）
　　3.3平面控制设计
　　本项目一级GPS控制网在国家三、四等控制点的基础上，以边连接的方式布设，点位满足GPS观测条件要求，交通便利，能够长期保存，有利于其它测量手段扩展和联测。根据测区形状和分布范围情况，实地布设GPS控制点6个，编号依此为GPS1、GPS2……GPS6，标石按《城市测量规范》制作，中心标志均为：Φ5cm×0.5cm的不锈钢顶盖，中间焊接10cm长Φ0.8cm的实心不锈钢螺丝，底部有螺丝帽。不锈钢顶盖中间有球面隆起，并刻有“＋”字叉，不锈钢标志面上部刻有“××测绘院”，下部刻有“GPS”字样。
　　3.4选点和埋石
　　所选的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，已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。
　　3.5外业观测
　　使用中海达HD-5800型接收机4台套同步观测。观测前编制了GPS卫星可见性预报表，观测组严格按规定的时间进行作业，保证同步观测同一组卫星。时段长度≥45min，卫星截止高度角为15°，有效卫星个数≥4，时段中任一卫星有效观测时间≥15min，数据采样间隔为15s，重复设站数≥1.6。
　　3.6GPS数据处理
　　1）基线解算：一级GPS网基线采用双差固定解，基线解算主要考虑的因素：卫星钟差的模型改正；接收机钟差的模型改正；电离层折射影响用LC观测值消除；对流层折射根据标准大气模型用萨斯坦莫宁（Saastamoinen）模型改正，采用分段线形的方法估算折射量偏差参数；
　　2）观测数据质量检核：复测基线误差是衡量基线解质量的一个重要指标。表1为部分基线解、同步环、异步环结算结果。
　　表1部分重复基线解、同步环、异步环
　　
　　3）网平差
　　（1）平差采用的观测量。GPS网采用TGO软件进行同步观测网的基线解算，平差时采用各同步观测网的独立基线向量及其全协方差矩阵作为观测量。
　　（2）三维无约束平差。一是进行粗差分析，以发现观测量中的粗差并消除其影响；二是调整观测量的协方差分量因子，使其与实际精度相匹配；三是对整体网的内部精度进行检验和评估。
　　（3）三维约束平差。约束平差的目的是将GPS网的所有独立基线向量及其经调整后的协方差阵作为观测量，平差时应消除因星历和网的传递误差引起的整网在尺度和方向上的系统性偏差。
　　（4）二维平差：平差在二维平面坐标系下进行，观测值为二维观测值，解算出的结果为点的二维平面坐标。二维平差一般适合于小范围GPS网的平差。
　　经基线解算、质量检核、网平差后，得到GPS控制点的二维坐标，其各项精度指标符合技术设计要求。整个作业仅花6d时间，其效率较常规测量手段至少提高4倍。
　　4结论与展望
　　（1）GPS作业有着极高的精度。它的作业不受距离限制，非常适合于国家大地点破坏严重地区、地形条件困难地区、局部重点工程地区等。GPS测量自动化程度很高，自动记录、自动数据预处理、自动平差计算，大大减轻了作业员的劳动强度，提高了劳动效率，一般GPS测量作业效率为常规测量方法的4倍以上。
　　（2）使用GPS在平面控制中作平面控制网，点位布设灵活、网形结构合理、成果可靠，点位精度远远高于经典测量方法，能更好地满足以后施工的需要。
　　（3）GPS有着显著的优越性，不仅在城市平面控制网中大显身手，而且可以在高等级公路、高原隧道、房产、大型机场等特殊
　　环境下作业，并能保证效率和质量。
　　参考文献：
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