浅析GPS测量作业方法相关技术分析

　　摘要：GPS定位技术的定位精度高、速度快、费用省、全天候、操作简便等特点激起了广大测量工作者的极大兴趣。本文首先介绍了GPS网的设计原则与观测时段的选择，在此基础上，对于GPS测量外业的三种方法进行分析与比较，最后还讨论了GPS内业数据处理处理方法，为适应GPS在各个领域的应用奠定基础。
　　关键词：GPS，测量外业方法，内业数据处理
　　
　　GPS测量工作与经典工程测量工作类似，是一项技术复杂、要求严格的工作，实施这项工作总的原则是，在买足工程建设对精度和可靠性等的要求下，选择最合理的作业方法，达到尽可能减少经费、时间和人力的消耗。因此，对各阶段的工作，要精心设计、组织和实施。
　　1GPS网设计
　　GPS网设计，必须依用户要求按GPS测量规范实施[1]。其设计的一般原则为：(1)图形闭合。即GPS网一般应通过独立观测边构成闭合图形，以增强图形强度和增加检核条件。(2)有必要的点位重合。GPS网点应与原有地面控制网点有足够的重合，并力求重合点在网中均匀分布，以便可靠地确定GPS网与地面网之间的转换参数。网点还应与一定的水准点重合，或在网中布设一定密度的水准点，以便为大地水准面的研究提供资料。(3)视野开阔。GPS网点一般应设在视野开阔和容易到达的地方。若需用此点按常规方法联测或扩展控制网时，应注意网点间通视情。
　　2GPS观测时段选择
　　GPS定位的实质，是利用数颗卫星的瞬时空间位置作为已知点，并观测其至接收机的距离，按空间距离后交会原理求取测站(接收站)的三维坐标。因此，为保证以足够的精度求解，既要求有足够数量的可视卫星，又要求所测卫星对观测站构成的几何图形有一定强度，即不超过规定的几何精度因子GDOP数，以保证交会精度。为减弱大气折射的影响，还要求所测卫星的高度角大于10-15度。据此，观测前应根据全部卫星星历和观测的概略坐标，选择相适应的观测时段和观测卫星。此项工作通常由专用软件处理。
　　几何精度因子GDOP通常不允许大于6，经分析表明，精度因子GDOP与4颗观测卫星和接收机所构成的六面体体积成反比，当4颗卫星对观测站构成的锥体，每个锥面夹角接近109.5度时，其六面体的体积最大；当一颗卫星处于天顶，其余3颗卫星相距约120度时，所构成的六面体体积接近晶大。
　　这样，在测站上某一段时间内，可视卫星少于4颗；或虽多于4颗，但无法找到4颗卫星的高度角大于lO-15度，且精度因子GDOP小于6时，应停止观测。某些地区(尤其是低纬度地区)停测段每天可能出现一次，每次延续的时间将不超过数分钟，这在实际观测工作中应予注意。目前，接收设备均能提供选择观测时间所需的数据和图表。
　　3GPS测量外业方法
　　GPS外业测量即在制定优化的布网设计方案的基础上，用GPS接收机野外采集数据。因GPS作业时所采用的设备软、硬件不同，外业测量的作业模式亦有所差异。同时，不同的作业方法因观测时间和应用范围的不同而有所变化。目前已有多种作业模式可供选择[2]。
　　(1)静态相对定位模式。作业方法：采用两套(或两套以上)接收设备，分别安置在一条(或数条)基线的端点，同步观测4颗卫星l小时左右，或同步观测5颗卫星20分钟左右。当基线超过lOOkm时，观测时间应适当延长。定位精度：基线的相对定位精度可达5mm+lppm×D，D为基线长度(km)。特点；这种作业模式所观测过的基线边，应构成某种闭合图形，以便于观测成果的检核，提高成果的可靠性和GPS网平差后精度。基线长度可由20km至几百公里。适用范围:主要用于建立全球性或国家级大地控制网、地壳运动或工程变形监测网、建立长距离检校基线、进行岛屿与大陆联测、钻井平台精密定位等。
　　(2)快速静态相对定位模式。作业方法：在测区的中部选择一个基准站，并安置一台接收设备连续跟踪所有可见卫星；另一台接收机依次到各点流动设站，并且在每个流动站上观测1～2分钟。该作业模式要求，在观测时段中必须有5颗卫星可供观测，同时流动站与基准站相距不能超过15km。定位精度：流动站相对基准站的基线误差，可达5mm+lppm×D，D为基线长度(km)。特点：接收机在流动站之间流动时，不必保持对所测卫星的连续跟踪，因而可关闭电源降低能耗。该模式作业速度快、精度高。缺点是直接观测边不构成闭合图形，可靠性较差。适用范围：主要用于低等级控制测量及其加密、精密工程测量、边界测量、地籍测量、碎部测量等。
　　(3)动态相对定位模式。作业方法：在测区选择一个基准点，并在其上安置一台接收机，连续跟踪所有可见卫星，另一台接收机安置在运动的载体上，先在出发点按快速静态相对定位法，静止观测1到2分钟，然后从出发点开始，在运动中按约定时间间隔自动观测。该作业模式要求：同步观测5颗卫星，其至少有4颗卫星应保持连续跟踪。同时，运动点与基准点的距离应不超过15km。定位精度：运动点相对基准点之点位精度可达1-2cm。特点：速度快，精度高，可实现载体的连续定位。应用范围：主要用于精密测定载体的运动轨迹、道路中心测量、海道测量、剖面测量等。
　　4GPS内业数据处理
　　与常规测量不同，GPS测量的观测值是卫星发射的无线电信号的相位(载波相位、码相位)，其几何意义是接收机天线中心至卫星发射天线中心的距离，而不是地面点间的相对关系量(如边长、角度、高差等)，这就使得GPS测量的数据处理具有数据量大、处理过程复杂和数学模型、算法形式多样等特点。因此，必须应用计算机技术和相应软件进行自动化处理。
　　数据采集和实时定位：在外业测量过程中完成。其具体操作方法，随接收机类型的不同而各异。可参见接收机的操作使用说明书。
　　数据的粗加工：GPS数据的粗加工，包括数据传输和数据分流两部分。数据传输就是将记录于接收机内存贮器或数据记录卡的数据，在随机软件的引导下，传入计算机的指定目录，一般在数据传输的同时，完成数据分流。所谓数据分流，是指将数据中的各类信息，按照类别特性的不同，使用标准格式分别存放于几个数据文件中，以供后续处理程序使用。一般形成的数据文件有：观测值文件、星历文件、测站控制信息文件。
　　数据的预处理：GPS测量数据的预处理，在整个数据处理中占有很大比重。其预处理所采用的模型、方法的优劣，直接影响作业效率和成果质量。目前，GPS测量数据预处理包括以下内容：(1)GPS卫星轨道方程的标准化。其目的是以统一的格式提供观测时段内被测卫星的连续轨道，从而使卫星轨道位置计算快速方便。(2)时钟多项式的拟合。以多项式拟合方法，提供观测时段内被测卫星时钟参数的连续表达式，以解决跨世界时整点的观测时段内有多组时钟参数问题。(3)初始整周模糊度的预估和整周跳变的发现和修复。通常利用伪距法来估算整周模糊度的初值。此外，由于各种原因，如卫星信号被遮挡、接收机附近电磁干扰、接收机本身有瞬时故障等，造成接收机载波相位测量的暂时中断，从中断到重新锁定信号继续测量这段时间内，接收机的计数器将停止计数，因而使中断后的相位观测值与未失锁情况下的相位观测值相差一个整数，称此现象为整周跳变。必须发现并对存在整周跳变的观测值加以改正，否则将会严重影响成果质量和精度。一般要求纠正周以上的整周跳变。(4)观测值的标准化。即将观测值按平差处理程序所要求的格式，处理成标准化数据文件。
　　平差计算：经过预处理后，观测值作了某些必要的修工F，成为“净化”的数据，并提供了卫星轨道、时钟参数的标准表达式，估算了整周模糊度初值。按此既可组成相位观测值的误差方程式和法方程，并进行平差计算。计算中，一般以点间的坐标差作为平差未知数，因而也可称为GPS基线解算。
　　经过GPS相位观测值的平差计算，解得各点间的基线向量成果。由于GPS成果属于WGS-84坐标系，因此，必须采用GPS网约束平差或GPS网与地面网联合平差的方法，将它们转换至实用的国家或地方坐标系。
　　5结语
　　GPS技术作为一项20世纪的高新技术，目前已在许多领域得到广泛应用，尤其是在控制测量中的应用，改变了传统的测量作业工作方式，提高了工作效率，也带来了可观的经济效益。本文就GPS作业方法进行相关探讨，以期充分发挥GPS技术的优越性，更好地适应各个领域的需要。
　　
　　参考文献：
　　[1]胡新玲,谭世波.GPS网中已知点间兼容性检验的探讨[J].《测绘科学》,2009年第34卷第4期,103-104.
　　[2]黄勇,王伟,刘卫国,等.GPS作业过程中的质量控制初探[J].《北京测绘》,2007年第3期,50-53.
　　
　　
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