GPS技术在城市控制网建立中的应用

GPS技术在城市控制网建立中的应用摘要：本文阐述了卫星定位的基本原理和数据处理的基本流程，以某城市三等控制网为例，采用对起算点进行精度检测和保留三维无约束平差中精度较低的短基线的数据处理策略完成了数据的处理，得出一种最优的数据处理方案，对具体工程有指导价值。关键词：GPS;数据处理;起算点;三维无约束平差;基线1引言全球定位系统GPS是美国国防部在总结了NNSS的优劣之后，于上世纪70年代批准研制的新一代卫星导航系统[1]。至上世纪90年代，GPS技术已广泛用于大地测量、精密工程测量、地壳形变测量等高精度的精密测量领域。GPS技术具有定位精度高、速度快、布网灵活、点间不必通视和可全天候采集数据等优势，不但大大降低了成本和作业人员的劳动强度，而且工作效率比传统方法可提高3～5倍[2]。GPS控制网按精度和规模分为全球性或全国性的高精度GPS控制网和区域性的GPS控制网两类，其中第二类包括各城市控制网、工程控制网和具有特定用途的独立GPS控制网等。第二类GPS网一般用商业软件来进行解算。目前，比较流行的商用软件当属美国天宝(Trimble)公司新推出的用于GPS静态和动态测量数据处理的TrimbleBusinessCenter(TBC)系列软件。TBC软件操作简单、解算精度高和可靠性强，深受我国广大测绘工作者青睐。2GPS定位原理GPS的定位原理就是把卫星视为“飞行”的控制点，在已知其瞬间坐标（可根据卫星轨道参数计算）的条件下，以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离或距离差为观测量，进行空间距离后方交会，从而确定用户接收机天线所处的位置。设想在地面待定点P上安置GPS接收机，同一时刻接收4颗以上GPS卫星发射的信号。通过一定的方法测定这4颗以上卫星在此瞬间的位置以及它们分别至该接收机的距离，据此可以解算出待定点的位置及接收机钟差t[3]。图1GPS定位原理如图1，设时刻it在测站点P用GPS接收机同时测得P点至四颗GPS卫星1S、2S、3S、4S的距离1、2、3、4，通过GPS导航电文可以求出四颗GPS卫星的三维坐标4,3,2,1,,,jZYXjjj，c为光速，则P点的三维坐标ZYX,,的观测方程为：22221111222222222222333322224444XXYYZZctXXYYZZctXXYYZZctXXYYZZct(1-1)3GPS数据处理GPS测量数据处理可以分为观测值的粗加工、预处理、基线向量解算（相对定位处理）和GPS基线向量与地面网数据的联合处理等基本步骤。31GPS数据粗加工和预处理粗加工包括将接收机采集的数据通过传输、分流，解译成相应的数据文件，并通过预处理将各类接收机的数据文件标准化，形成平差计算所需的文件。预处理目意在对数据进行平滑滤波，剔除粗差，删除无效无用数据；统一数据文件格式，将各类接收机的数据文件加工成彼此兼容的标准化文件；GPS卫星轨道方程的标准化，一般用一多项式拟合观测时段内的星历数据（广播星历或精密星历）；诊断整周跳变点，发现并恢复整周跳变，使观测值复原；对观测值进行各种模型改正，最常见的是大气折射模型改正，净化观测值，提高观测值的“精度”。32基线向量解算利用预处理后的数据求解接收机所在测站之间的相对关系量（坐标差），提供GPS基线向量网平差的观测值。基线解算可分为单基线解和多基线解两种。单基线解，就是在基线解算时不顾及同步观测基线间误差相关性，对每条基线单独进行解算，一般只用在普通等级GPS网的测设中。而多基线解则顾及了同步观测基线间的误差相关性，在基线解算时对所有同步观测的独立基线一并解算，在理论上是严密的。其中单基线解算的过程见图2。图2单基线解算的过程基线解算完成后还需作结果的质量评定，主要包括单位权方差因子、RMS（均方根误差）、数据删除率、RATIO、同步环闭合差、异步环闭合差、重复基线较(互)差[4]。33基线向量网平差首先在WGS-84坐标系下进行三维无约束平差，以评定GPS网的内部符合精度，发现和剔除GPS观测值中可能存在的粗差，同时得到GPS网中各个点的三维空间直角坐标；然后再实用基准下进行三维或二维的约束平差，确定各个网点在所需坐标系下的坐标。有时也可作联合平差。平差后要作质量评定，包括相邻点距离中误差、单位权方差的检验、基线改正数的检验、已知坐标的检验。4实例分析4.1工程概况某市属于山地和丘陵地，网点总数96个，新布设GPS控制点80个，其中包括31个保存完好的原有平面控制点，网中最长边7.632km，最短边1.201km，平均边长2.95km，控制面积约6202km。起算数据为1980西安坐标系下的国家二等三角点GPS01、GPS02、GPS03和GPS04，中央子午线为120°。采用四台Trimble5700GPS接收机进行静态相对定位，时段长60min[5],PDOP6，GDOP8，平均重复设站数为2.5，2013年7月15-7月29日完成数据采集。采用TBC软件观测数据进行处理。4.2基线成果分析基线解算精度统计：(1)最小同步环闭合差为0ppm，环号为GPS96-94-93-96；最大步环闭合差为号为GPS12-GPS11-GPS16-GPS12，满足5ppm的精度要求。(1)最小闭合差为0ppm，闭合差为0ppm的有3个异步环；最大闭合差为5.58ppm，环号为GPS22-GPS32-GPS33-GPS22，该环平均边长为2848.605Sm，相对闭合差允许值为10.96ppm。(3)最小复测基线较差为-0.293ppm；最大复测基线较差为8.147ppm，基线号为GPS05-GPS06，该基线边长561407.2801Sm，较差允许值为34.33mm，相对闭合差允许值为22.99ppm。4.3三维无约束平差成果分析网中总基线数为230条，基线向量改正数详见表1，基线相对精度统计详见表2。表1基线向量改正数精度统计表基线向量改正数误差区间(cm)0-11-22-33-4xV个数，百分比225，97.7%5，2.3%0，0.0%0，0.0%yV个数，百分比215，92.1%12，5.6%4，1.8%1，0.5%zV个数，百分比209，89.3%18，8.4%5，2.3%0，0.0%表2基线相对精度统计统计表误差区间(ppm)1/10万-1/20万1/20万-1/50万1/50万-个数，百分比4，1.9%25，11.6%201，86.5%最弱边为4342S，其相对精度为1/129400，完全满足精度要求。最弱点为GPS13点，其点位中误差为1.58cm；最优点为GPS76号点，其点位中误差为0.69cm。剔除GPS43-GPS42和GPS30-28两条最弱(短边)基线后，最弱边变为GPS52-GPS55，其相对精度为l/192678；最弱点仍为GPS13点，其点位中误差为1.57cm；最优点仍为76号点，其点位0.67cm。由此可见，剔除两条最弱基线后，最弱边和最弱点的精度均有所提高。4.4二维约束平差(1)平差方案方案1：以GPS01、GPS02、GPS03、GPS04为起算点，采用230条基线成果，在1980西安坐标系下进行二维约束平差计算。方案2：对国家二等三角点进行精度检验后，发现GPS04精度较低，故将其舍掉。以GPS01、GPS02、GPS03为起算点，采用230条基线成果，在1980西安坐标系下进行二维约束平差计算。方案3：以GPS01、GPS02、GPS03为起算点，采用剔除GPS43-GPS42和GPS30-GPS28两条在三维无约束平差中的最弱基线后剩余的228条基线成果，在1980西安坐标系下进行二维约束平差计算。（2）精度分析二维约束平差后各种精度统计详见表3表3二维约束平差后各种精度统计表分类统计方案1方案2方案3单位权中误差（cm）1.001.041.04最弱点点位中误差（cm）1.361.111.11最弱点点号646464最弱边相对中误差1/1680301/2146591/214224最弱边边号GPS12-GPS07GPS12-GPS07GPS12-GPS07本次GPS控制网的坐标成果与2005年施测的GPS控制网成果进行比较，重合点的坐标差值95%都在1cm之内，最大差值的绝对值为4.2cm，最大差值点为GPS85，是一个双锥标控制点，观测时必须将标石中心投影到钢标基板上，投影误差和钢标的晃动会对精度产生一些影响。最终选用方案2计算1980西安坐标系成果。5结论通过某市三等GPS控制网的建立和数据处理得到如下结论：(1)与传统的大地测量方法相比，GPS技术在建立控制网方面具有极大的挑战性。随着GPS和GLONASS系统的现代化、GALILEO计划的不断实施以及我国北斗系统由亚太地区逐步扩展到全球，GPS技术有望淘汰传统的测量方法。(2)GPS控制网中剔除最弱基线后，最弱边和最弱点的精度均有不同程度的提高。(3)起算数据的兼容性分析，是GPS数据必不可少的环节，必须严格执行，否则会对成果的造成一定的影响。参考文献[1]刘忠.高精度GPS数据处理若干理论与技术问题研究[D].西安:长安大学,2006.[2]白铁勇.TGO辅助程序设计[D].成都:成都理工大学,2010.[3]徐绍铨.GPS原理及应用[M].武汉:武汉测绘科技大学出版社.2007.[4]李征航,黄劲松.GPS测量与数据处理[M].武汉:武汉大学出版社.2010.[5]GB/T18314-2009《全球定位系统(GPS)测量规范》