張彪，劉浩

(鐵道第三勘察設(shè)計院航遙測繪分院，天津 300251)

GPS精密測量研究實驗

張彪?，劉浩

(鐵道第三勘察設(shè)計院航遙測繪分院，天津 300251)

結(jié)合GPS和全站儀測量數(shù)據(jù)，分析影響GPS測量精度的相關(guān)因素，并提出了相應(yīng)的處理措施。同時就GPS測量內(nèi)符合精度、外符合精度以及觀測時段長度對GPS精度的影響，提出了作者自己的觀點供大家參考。

GPS測量；精度統(tǒng)計；誤差分析

1 引 言

全球定位系統(tǒng)(GPS)是美國于1994年全面建成。GPS系統(tǒng)的建立為測量工作提供了一個嶄新的定位測量手段。由于GPS測量技術(shù)具有高精度、速度快、成本低的顯著優(yōu)點，因而目前GPS在工程中的應(yīng)用已越來越廣泛，利用GPS建立工程控制網(wǎng)已普遍展開，對于絕對精度達到毫米級的GPS工程變形監(jiān)測也有不少成功實踐。但這一精度是否可靠以及它是在怎樣的觀測環(huán)境、觀測方案和具體設(shè)備下實現(xiàn)，成了目前研究的主要方向，針對這一問題，我們做了以下的實驗驗證。

2 實驗驗證

2.1 GPS監(jiān)測點的選擇

GPS監(jiān)測點的選擇，為了方便實驗數(shù)據(jù)的外業(yè)采集，保證觀測工作的順利進行和獲取可靠的觀測結(jié)果，收集了現(xiàn)有GPS點的分布及保存情況，最終選取了4個強制歸心觀測墩作為本實驗的GPS點，其站點及儀器設(shè)置如圖1所示。

圖1 站點及儀器設(shè)置示意圖

2.2 GPS測量技術(shù)方案及設(shè)備

(1)GPS網(wǎng)的設(shè)計

本次實驗采用網(wǎng)連式的布網(wǎng)形式，這樣構(gòu)網(wǎng)便于組成較多的同步環(huán)、異步環(huán)及復(fù)測基線，具有較強的幾何強度和多余觀測，網(wǎng)中最長邊為450 m左右，最短邊為20 m左右，屬于超短基線網(wǎng)，在WGS－84下作無約束平差(基準由軟件自定)檢驗其精度。

(2)外業(yè)采集儀器設(shè)備

此次實驗我們選用TOPCON Legacy－E雙頻接收機(簡稱LE型)并配有TOPCON CR－3扼流圈天線。

2.3 GPS數(shù)據(jù)獲取

(1)數(shù)據(jù)獲取工作安排兩天完成，每天觀測兩個時段，每個時段長6 h，儀器不搬站，觀測人員要嚴格按照調(diào)度指令，按照規(guī)定時間進行作業(yè)，檢查接收機和天線連接無誤后，方可開機測量，每時段最少同時跟蹤4顆衛(wèi)星方可記錄，數(shù)據(jù)采集間隔為30 s。

(2)在原有的GPS天線基座上，利用強制歸心裝置架設(shè)萊卡TS30全站儀(測距精度:0.6 mm＋1 ppm，測角精度0.5″，滿足實驗要求毫米級精度)和配套的萊卡圓棱鏡，通過6測回往返觀測法取平均值分別獲取各基線長度，作為檢測GPS測量外符合精度的參考數(shù)據(jù)。

全站儀觀測數(shù)據(jù) 表1

2.4 GPS數(shù)據(jù)處理

此次GPS測量實驗的數(shù)據(jù)處理工作采用隨機附帶的TOPCON Pinnacle軟件。在布設(shè)GPS網(wǎng)時，數(shù)據(jù)處理工作是隨著外業(yè)工作的展開分階段進行的。從算法角度分析，根據(jù)本實驗的具體情況，可將GPS網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理流程分為數(shù)據(jù)傳輸、基線解算和網(wǎng)平差三個階段，流程如圖2所示。

(1)GPS基線處理

①基線解算采用的是靜態(tài)解算模型。

②在初步設(shè)置好處理參數(shù)后進行解算，發(fā)現(xiàn)6日第一時段的殘差圖的殘差有超過正負0.4周現(xiàn)象，而要求最好是在正負0.25周以內(nèi)?；诖耍覀儎h除了該時段的S1、S3、S4測站的30＃衛(wèi)星，S2測站的24＃、30＃的兩顆衛(wèi)星。

圖2 GPS數(shù)據(jù)處理流程

(2)GPS基線檢核

①重復(fù)觀測邊的檢核

計算不同時段觀測結(jié)果的互差，該差值應(yīng)小于相應(yīng)級別規(guī)定精度的2倍；

同一條邊若有三個時段以上的觀測結(jié)果，則應(yīng)計算各時段結(jié)果的平均值。其中任意時段的結(jié)果，與其平均值之差，應(yīng)不超過相應(yīng)級別的規(guī)定精度。

②嚴格進行基線重復(fù)性檢驗、同步環(huán)和異步環(huán)檢驗，同一基線在不同時段的△X、△Y、△Z分量及邊長S的較差，應(yīng)滿足:

式中:n為同一基線的總觀測時段數(shù)；Ci為一個時段的基線某一分量或邊長；為該時段相應(yīng)于Ci分量的方差；Cm為各時段的加權(quán)平均值。

基線精處理后，獨立閉合環(huán)或符合路線坐標分量閉合差應(yīng)滿足:

式中:r為環(huán)中的基線數(shù)，C(i)＝△X(i)，△Y(i)，△Z(i)。

環(huán)線全長閉合差應(yīng)滿足:

Dbi為環(huán)線中第i條基線的方差－協(xié)方差陣

③基線解算成果

通過對6小時的觀測時段進行的基線處理結(jié)果分析，得出各條基線解算成果表，如表2所示。

基線解算成果表 表2

(3)GPS網(wǎng)平差

在本實驗中，由于我們的目的是為了查看處理精度，并進行相關(guān)量的比較與分析，在這里我們采用WGS－84大地坐標系下無約束網(wǎng)平差。為了全面考核GPS測量網(wǎng)的內(nèi)部附合精度，發(fā)現(xiàn)并剔除粗差。以每時段6小時的4個時段的觀測量為數(shù)據(jù)，基線選取方式見圖1，利用方位角中誤差及邊長距離等相關(guān)分量數(shù)據(jù)，通過點位中誤差和邊長中誤差計算公式，最終得出WGS－84坐標系下相應(yīng)的精度指標，具體精度統(tǒng)計如表3所示。

表3的數(shù)據(jù)表明，本GPS網(wǎng)內(nèi)附合精度已達到了亞毫米級。

GPS網(wǎng)平差后內(nèi)符合精度表 表3

2.5 精度分析

為了比較該實驗的外符合精度，我們將在WGS－84坐標系下無約束網(wǎng)平差得出的基線結(jié)果與全站儀觀測的基線結(jié)果進行比較，如表4所示。

精度分析結(jié)果 表4

對比結(jié)果表明:檢測較差在0.1 mm～3.0 mm之間，邊長相對誤差在1/138328～1/490463之間，從單基線距離較差的相對精度來看，均不低于1/10萬，因此可以判斷此次GPS觀測點之間的相對關(guān)系好，GPS網(wǎng)精度高，成果可靠。

2.6 觀測時段長度對精度的影響

在實際工程測量中，人們不僅僅考慮精度因素而且還注重經(jīng)濟成本以及工作效率，為了既提高測量效率，降低作業(yè)成本又保證GPS觀測精度，我們做了縮短時段的GPS數(shù)據(jù)處理實驗，以驗證不同的觀測時段的測量精度。具體時段的數(shù)據(jù)處理精度對比如表5所示。

分時段數(shù)據(jù)處理精度對比表 表5

從表5可以看出，在處理時段數(shù)不變的情況下，通過縮短觀測時段進行的數(shù)據(jù)處理精度，總體上是隨時段長度的縮短而遞減，但在2 h～6 h之間，其GPS觀測精度基本相同，并無明顯變化，精度隨時段明顯發(fā)生變化的是在20 min～2 h之間。這樣，我們可以從中得到一種啟示:為獲取不同的GPS觀測精度，在觀測時段上我們應(yīng)在2 h之內(nèi)進行相應(yīng)的調(diào)整。

3 實驗結(jié)論

(1)利用本實驗的設(shè)計方案、數(shù)據(jù)處理步驟以及控制GPS技術(shù)的各種誤差對測量精度的影響的方法等，可以得到達到亞毫米級內(nèi)符合精度以及毫米級的外符合精度。

(2)在處理時段數(shù)不變的情況下，通過逐步縮短觀測時段的數(shù)據(jù)處理實驗，得出了一個啟示:GPS測量精度總體上是隨時段長度的縮短而遞減，但在2 h～6 h之間，其GPS觀測精度基本相同，并無明顯變化，精度隨時段明顯發(fā)生變化的是在20 min～2 h之間。這樣，為獲取不同的GPS觀測精度，在觀測時段上我們應(yīng)在2 h之內(nèi)進行相應(yīng)的調(diào)整。

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[8] TOPCON Pinnacle軟件中文操作手冊.

GPS Precision Survey Research Experiment

Zhang Biao，Liu Hao
(Aero Geophysical Survey＆Remote Sensing Branch Institute，The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300251，China)

This paper analyzes correlation factors that influence GPS survey precision by combining GPS and total station survey data and puts forward corresponding handling measurements.The authors give their own points of view in regard to GPS survey internal precision and external precision，and the influence that the length of observation period of time has on GPS precision.

GPS survey；precision statistics；error analysis

1672－8262(2011)02－68－03

P228

B

2010—10—28

張彪(1983—)，男，助理工程師，主要從事精密工程測量研究工作。