郝東宏 郝東偉

【摘 要】簡述了全球定位系統(tǒng)GPS的基本結構和測量原理，總結了GPS用于城市地籍測量和城市測量控制網(wǎng)所具有的特點，介紹了GPS在地籍測量中的應用實例。

【關鍵詞】GPS 地籍測量 測量控制網(wǎng) 精度

中圖分類號：G4 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2014.11.191

全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，簡稱GPS）是美國從20世紀70年代開始研制的用于軍事部門的新一代衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)，歷時20年，耗資200多億美元，分三階段研制，陸續(xù)投入使用，并于1994年全面建成。GPS是以衛(wèi)星為基礎的無線電衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，它具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實時性的精密三維導航與定位功能，而且具有良好的抗干擾性和保密性。因此，GPS技術率先在大地測量、工程測量、航空攝影測量、海洋測量、城市測量等測繪領域得到了應用，并在軍事、交通、通信、資源、管理等領域展開了研究并得到廣泛應用。

1 GPS簡介

1.1 GPS構成

GPS主要由空間衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控站及用戶設備三部分構成。

（1）GPS空間衛(wèi)星星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)）星組成。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內(nèi)，軌道平面的傾角為55°，衛(wèi)星的平均高度為20 200 km，運行周期為11 h 58 min。衛(wèi)星用L波段的兩個無線電載波向廣大用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導航定位信號，導航定位信號中含有衛(wèi)星的位置信息，使衛(wèi)星成為一個動態(tài)的已知點。在地球的任何地點、任何時刻，在高度角15°以上，平均可同時觀測到6顆衛(wèi)星，最多可達到9顆。

（2）GPS地面監(jiān)控站主要由分布在全球的一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站組成。主控站根據(jù)各監(jiān) 測站對GPS衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)，計算各衛(wèi)星的軌道參數(shù)、鐘差參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)編制成導航電文，傳送到注入站，再由注入站將主控站發(fā)來的導航電文注入到相應衛(wèi)星的存儲器中。

（3）GPS用戶設備由GPS接收機、數(shù)據(jù)處理軟件及其終端設備（如計算機）等組成。GPS接收機可捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，跟蹤衛(wèi)星的運行，并對信號進行交換、放大和處理，再通過計算機和相應軟件，經(jīng)基線解算、網(wǎng)平差，求出GPS接收機中心（測站點）的三維坐標。

1.2 GPS的工作原理

GPS系統(tǒng)是一種采用后方距離交會法的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。在需要測量的位置架設GPS接收機，在某一時刻同時接收了4顆以上的GPS衛(wèi)星所發(fā)出的導航電文，通過一系列數(shù)據(jù)處理和計算可求得該時刻GPS接收機至GPS衛(wèi)星的距離，同樣通過接收衛(wèi)星星歷可獲得該時刻這些衛(wèi)星在空間的位置（三維坐標）。從而用距離交會的方法求得測量點的三維坐標（X，Y，Z）。

1.3 GPS測量的特點

相對于常規(guī)測量來說，GPS測量主要有以下特點：①測量精度高。GPS觀測的精度明顯高于一般常規(guī)測量，在小于50 km的基線上，其相對定位精度可達1×10-6，在大于1 000 km的基線上可達1×10-8。②測站間無需通視。GPS測量不需要測站間相互通視，可根據(jù)實際需要確定點位，使得選點工作更加靈活方便。③觀測時間短。隨著GPS測量技術的不斷完善，軟件的不斷更新，在進行GPS測量時，靜態(tài)相對定位每站僅需20 min左右，動態(tài)相對定位僅需幾秒鐘。④儀器操作簡便。目前GPS接收機自動化程度越來越高，操作智能化，觀測人員只需對中、整平、量取天線高及開機后設定參數(shù)，接收機即可進行自動觀測和記錄。⑤全天候作業(yè)。GPS衛(wèi)星數(shù)目多，且分布均勻，可保證在任何時間、任何地點連續(xù)進行觀測，一般不受天氣狀況的影響。⑥提供三維坐標。GPS測量可同時精確測定測站點的三維坐標，其高程精度已可滿足四等水準測量的要求。

2 GPS測量技術設計

GPS測量技術設計是進行GPS定位的最基本性工作，它的依據(jù)國家有關規(guī)范及GPS網(wǎng)的用途、用戶的要求等對測量工作的網(wǎng)形、精度及基準等的具體設計。

2.1 GPS網(wǎng)技術設計的依據(jù)

GPS網(wǎng)技術設計的依據(jù)是GPS測量規(guī)范和測控任務書。

2.1.1 GPS測量規(guī)范

GPS測量規(guī)范是國家測繪管理部門或行業(yè)部門制定的技術法規(guī)。

2.1.2 測量任務書

測量任務書或測量施工單位上級主管部門或合同甲方下達的技術要求文件。這種技術文件是指令性的，它規(guī)定了測量任務的范圍、目的、精度和密度要求，提交成果資料的項目和時間，完成的經(jīng)濟指標等。在GPS方案設計時，一般首先依據(jù)任務書提出的GPS網(wǎng)的精度、密度和經(jīng)濟指標，再結合規(guī)范規(guī)定并現(xiàn)場踏勘具體確定各點的連接方法，各點設站觀測的次數(shù)、時間長短等部網(wǎng)觀測方案。

2.2 GPS網(wǎng)的精度、密度設計

2.2.1 GPS測量精度標準及分類

對于各類GPS網(wǎng)的精度設計主要取決于網(wǎng)的用途。用于城市地籍測量的GPS控制網(wǎng)可根據(jù)相鄰點的平均距離和精度參照《規(guī)范》中的二、三、四等和一、二、級見表1

2.2.2GPS測量控制網(wǎng)布設

在實際工作中，精度標準的規(guī)定要根據(jù)用戶的實際需要及人力、物力、財力情況合理設計，也可參照本部門已有的生產(chǎn)規(guī)程和作業(yè)經(jīng)驗適當掌握。在具體布設中，可以分級布設，也可以越級布設，或布設同級全面網(wǎng)。在實際布網(wǎng)設計時還要注意以下幾點：① GPS網(wǎng)的點與點之間盡管不要求通視，但是考慮到利用常規(guī)測量加密的需要，每點應有一個以上的通視方向。② 為了顧客及原城市測繪成果資料以及各種大比例尺地形圖的沿用，應采用原有城市坐標系統(tǒng)。對凡GPS網(wǎng)點要求的舊點，應充分利用其標石。③ GPS網(wǎng)必須由非同步獨立觀測邊構成若干個閉合環(huán)或復合線路。

3 應用實例

簡介了本地區(qū)GPS四等平面控制網(wǎng)的優(yōu)化設計方案與施測結果，并得出使用GPS建網(wǎng)比使用全站儀建網(wǎng)具有效率高、費用省的結論。

3.1測區(qū)概況

海城市為比較發(fā)達的地區(qū)，海城河緩延曲折從城市中間穿過。河岸多為含沙泥，間有風化、半風化巖石。兩岸大量種植玉米、黃豆、及各種經(jīng)濟果林，植被茂盛，通視不良。資料表明，測區(qū)Ⅱ等以上國家控制點大部份已遭毀壞，僅存Ⅱ等以上控制點兩點，Ⅰ級控制點一點，而且現(xiàn)存控制點的分布并不理想。其中“老尖嶺”位于河道中段偏下游北岸4公里開外的土嶺頂上?！叭脦X”位于河道中段南岸1公里開外的山嶺上。其中“三棵嶺”為Ⅱ等國家控制點，“老尖嶺”為Ⅱ等國家控制點。另一個Ⅰ級控點位于河道下游南岸邊的仔站山頂上如圖1所示：

3.2控制網(wǎng)的優(yōu)化布設

根據(jù)任務要求，四等和一級導線控制網(wǎng)均沿河岸布設。很明顯，一級導線網(wǎng)沿河布設成附合導線最為經(jīng)濟合理，而且能保證精度，關鍵在于四等網(wǎng)的布設，首先考慮一級網(wǎng)對四等網(wǎng)的要求。一級導線總長限制在10公里以內(nèi)。因此，對于四等點來說，沿河布設間隔不能超過10公里。其次，考慮附合導線與起算邊至少有一頭需測連接角（一級導線邊長較短，數(shù)量較多，擬采用全站儀施測）。故沿河四等點的邊長也不能太長，否則觀測連接角時通視將成問題。經(jīng)以上分析，四等控制網(wǎng)的網(wǎng)形設計按測邊網(wǎng)進行，布設時有如下3種方案：①各短邊與S1-S2（Ⅱ等己知邊）組成獨立的大地四邊形；②各短邊與兩個Ⅲ等點S1、S2組成一大一小的兩個三邊形，各三邊形之間聯(lián)測一條邊；③前兩種方案的結合。

第一種方案中，控制網(wǎng)圖形強度好，有利于精度條件的滿足。但由于各短邊被分成若干個獨立網(wǎng)，各網(wǎng)間缺少聯(lián)系，不利于整個四等網(wǎng)各控制點之間點位精度的一致。容易造成一級附合導線網(wǎng)出現(xiàn)較大的方位角閉合差和坐標閉合差。

第二種方案中，整個控制網(wǎng)連成一體，點位精度均勻。但因為短邊與已知邊之間缺少一條加強邊，使得每一條短邊產(chǎn)生一個圖形極差的三邊形，嚴重影響了整體精度的提高。

第三種方案則優(yōu)于前兩種方案。

控制網(wǎng)的優(yōu)化設計采用計算機輔助分析計算。按照S86T型GPS接收機靜態(tài)測距 精度±2.5mm+1ppm作為估算依據(jù)。計算測邊網(wǎng)各控制點點位誤差。三種網(wǎng)形估算的精度如表1：

從以上估算的結果來看，三種網(wǎng)形的點位誤差均滿足設計精度要求。第三種方案估算明顯較高，第二種方案稍差。而第一種方案并沒有出現(xiàn)前面分析的精度明顯不均勻的情況，原因在于圖形較好。該方案比第三方案測站數(shù)少，而比第二方案設站集中，綜合各種因素，決定按第一種方案，多形布設測量。

3.3外業(yè)觀測

外業(yè)采用S86T型GPS接收機測量（該機為廣州南方測繪儀器公司生產(chǎn)，主機采用美國天寶公司接收板，該主板擁有先進的PAC與VISION技術，能夠利用信號的特性建模來識別多路徑反射影響，配合南方獨有的四饋點接收天線、嚴格的電子屏蔽和特殊的內(nèi)部構造設計來實現(xiàn)對多路徑干擾的抑制。再加上主板采用的長距離解算模型，可以達到超長的作業(yè)效果。數(shù)據(jù)存儲器為主機自帶內(nèi)存128M。技術指標為220通道，靜態(tài)測距平面精度為：±2.5mm+1ppm，靜態(tài)測距高程精度為：± 5mm+1ppm），打開主機電源，注意觀察監(jiān)控窗口中的信息，包括空間位置精度因子HDOP或PDOP、各通道的信噪比和跟蹤狀態(tài)（模式）。各種觀測指標符合條件后，按F2鍵進入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，輸入測站名、當天同步觀測時段（注意不能重復，否則覆蓋上個時段數(shù)據(jù)）和天線高度，進入采集狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集完畢時，關閉主機電源，整理現(xiàn)場記錄，撤站。

3.4觀測數(shù)據(jù)的后處理

3.4.1觀測數(shù)據(jù)的傳輸

把觀測數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C上處理。將主機與微機聯(lián)接好，建立工程項目任務（子目錄）后，打開主機，進入文件管理界面，將外業(yè)采集的數(shù)據(jù)拷貝到電腦中。并將數(shù)據(jù)導入到南方GNSS數(shù)據(jù)解算軟件中。

3.4.2基線向量處理

GPS接收機所接收的信息（觀測量）為偽距、載波相位差及星歷數(shù)據(jù)。要得到兩測站間的基線向量（相當于兩站天線間的直線距離），必須對GPS接收機信息進行計算處理?；€解算的過程如下：首先作三差解算，求未知數(shù)的初始值；接著進行周跳修復，求取雙差浮動解；尋找整周固定未知數(shù)（模糊度）并進行探查修復；最后求出雙差固定解（若未找到可靠模糊度，則求出雙差浮動解）。由于受GPS接收機本身的限制，存在衛(wèi)星與接收機之間的時鐘誤差和衛(wèi)星軌道誤差。另外，衛(wèi)星信號的傳播也受到電離層、對流層及多路徑等環(huán)境影響，致使觀測的質(zhì)量降低。因此，在基線向量解算時，需要對觀測數(shù)據(jù)有針對性地進行取舍，以滿足具體條件下基線向量解算成果的質(zhì)量。如修改歷元間隔、起始歷元、歷元總數(shù)、衛(wèi)星高度角、方差因子、有效歷元等。

基線向量處理是GPS數(shù)據(jù)當中重要的一環(huán)，基線向量成果的好壞直接影響后續(xù)網(wǎng)平差成果質(zhì)量，需要認真對待。南方測繪儀器公司的基線解算軟件具有較強的解算能力，界面也相當友好，GPS四等平面控制網(wǎng)基線解算成果如表2：

3.4.3網(wǎng)平差處理

基線向量解算后即可進行網(wǎng)平差處理。首先對基線進行組網(wǎng)，即選擇參加平差的基線向量，然后定義坐標系統(tǒng)，輸入中央經(jīng)線值，輸入已知固定點坐標，選定起算基準點，運行平差程序。程序提供了自由網(wǎng)平差、三維約束平差、二維約束平差和高程擬合幾種功能?？紤]GPS對高程的觀測精度尚不能滿足四等以上技術要求，我們選擇了二維約束平差，運行程序結果如表3：

3.4.4GPS與常規(guī)導線布測方法功能比較

GPS定位系統(tǒng)采用微波建立與衛(wèi)星的空間關系，從而達到測距目的，因而不受通視及氣象因素的影響。觀測距離可達30km甚至更遠，與全站儀相比，GPS的這些優(yōu)勢可免去大量的中間地面觀測。以本次測量為例，由于測區(qū)已知控制點少，以全站儀沿河布置60km一級導線并與已知點構成足夠的導線網(wǎng)，中間至少需多測近100km長導線，多花時間20天。經(jīng)初步估算，本次測量中GPS與全站儀相比，效率高2～3倍，費用僅占全站儀的1/5左右。

4 結束語

城市地籍測繪是城市各項社會和經(jīng)濟建設的基礎，而整個城市控制網(wǎng)就是最根本的保障。原上世紀七十年代以前國家建立了覆蓋全國的大地控制，但是由于年代久遠，保存下來的控制點已不多，近幾年來經(jīng)濟的快速發(fā)展，更將城市測繪推入高速發(fā)展時期，因而建立新的城市控制網(wǎng)就是必須的工作。在城市控制網(wǎng)建立采用GPS定位方法，可以減少大量的人力物力，并可以提高效率，大幅提高測量精度。通過GPS在測量中的應用，得到如下體會。①GPS控制網(wǎng)選點靈活，布網(wǎng)方便，基本不受通視、網(wǎng)形的限制，特別是在地形復雜、通視困難的測區(qū)，更顯其優(yōu)越性。但由于測區(qū)條件較差，邊長較短（平均邊長不到300 m），基線相對精度較低，個別邊長相對精度大于1/10 000。因此，當精度要求較高時，應避免短邊，無法避免時，要謹慎觀測。②GPS接收機觀測基本實現(xiàn)了自動化、智能化，且觀測時間在不斷減少，大大降低了作業(yè)強度，觀測質(zhì)量主要受觀測時衛(wèi)星的空間分布和衛(wèi)星信號的質(zhì)量影響。但由于各別點的選定受地形條件限制，造成樹木遮擋，影響對衛(wèi)星的觀測及信號的質(zhì)量，經(jīng)重測后通過。因此，應嚴格按有關要求選點，擇最佳時段觀測，并注意手機、步話機等設備的使用。③GPS測量的數(shù)據(jù)傳輸和處理采用隨機軟件完成，只要保證接收衛(wèi)星信號的質(zhì)量和已知數(shù)據(jù)的數(shù)量、精度，即可方便地求出符合精度要求的控制點三維坐標。但由于聯(lián)測已知高程點較少（僅聯(lián)測5個），致使的控制點高程精度較低。因此，要保證控制點高程的精度，必須聯(lián)測足夠的已知高程點。

參考文獻

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