工程GPS控制網精度分析

陳 磊,杜寶玉,王圻伊,王紹明,蔣 力

(黑龍江工程學院測繪工程系)

0 引 言

隨著經濟發展國家建設的需要,GPS定位技術以其精度高、速度快、費用低、操作簡便等優良特性在測繪、土木、水利、電力等眾多領域中得到了非常廣泛的應用,特別是在測繪領域中的大地測量、變形測量和精密工程測量中更是發揮著其他技術無法替代的作用。從 GPS網布設的連接方式、已知點數目、觀測時間長短等因素進行了實際分析和研究,并得出了相關結論。希望能對今后GPS網的優化設計起到參考作用。

根據已有資料不難發現在利用GPS測量定位技術施測各種用途的控制網時,當同步圖形采用不同的方式進行連接時,最后測得結果精度也會有所不同。由于邊連接方式會形成較多閉合條件與復測邊,多余觀測較多使其無論是在數據可靠性還是最后平差成果精度方面都優于邊點混合及單純的點連接布網形式;當已知點數目不同時,最后處理的結果精度也會有所差別,適當數目的已知點能夠更好的實現約束平差計算,能夠更準確地計算出相應的轉換參數;當分別采用單、雙頻接收機,有時所測結果的精度也會有所不同,當基線距離較長時(一般大于 10 km左右),雙頻接收機測量定位結果精度要好于單頻接收機定位結果的精度。但在基線距離較短時二者測量定位結果精度相當,因此在考慮到工程實際需要和經濟成本的前提下施工人員對于儀器的選擇會有一個良好的方案;當觀測時間長短不同的情況下測得結果精度也會有所不同,由于長時間可獲取較多數量的觀測數據,進行數據處理時精度要高,但是在考慮到實際條件和經濟成本的前提下并非觀測時間越長越好;進行GPS測量時,晚上天黑以后進行GPS測量往往可以獲得精度較高的觀測數據,這是由于白天電離層受太陽光照射影響很強,電離層中帶電離子較多,而夜晚電離層中帶電離子很少,電離層對觀測值的折射影響很小,因而晚上天黑以后進行 GPS測量時往往可以獲得精度較高的觀測數據。

1 測區概況

本次野外施測部署兩個GPS控制網,分別為 GPS控制網A和 GPS控制網 B。GPS控制網 A部署區域為某市城區,地勢為平坦,區域內建筑物較少,視野較開闊。GPS控制網A共有 21條基線組成,重復基線 11條,其中點 p001、p004、p005、p006為已知地方坐標的控制點。GPS控制網 B部署區域為某城市市區交通道路建設工程控制網的一部分,視野開闊,地勢平坦,本次共部署二維測線 3條,其中重復基線 3條。

2 GPS數據采集處理及其分析

2.1 GPS數據采集

GPS控制網A分別采用南方 GPS單頻接收機進行同步觀測,每時段為 1 h左右,同步接收衛星個數最多為 12顆,最少為 6顆,衛星截止高度角為 5°,數據歷元間隔為 5 s,PDOP值最大值為 5.2,接收機與衛星的圖形結構良好。GPS控制網 B采用南方 GPS單頻接收機和天寶 GPS雙頻接收機,白天和夜晚分別進行同步觀測,每時段為 1 h,同步接收衛星個數最多為 8顆,最少為 4顆,衛星截止高度角為 5°,數據歷元間隔為 5 s。

2.2 GPS數據處理

2.3 GPS數據分析

(1)不同網形結構及已知點個數條件下的精度分析比較。

在 GPS控制網 A中利用南方 GPS處理軟件 4.0進行刪除,不同基線獲得不同邊連方式的網形,邊點混連方式,點連方式的網形圖,通過南方GPS處理軟件 4.0對已知點的有效性進行控制,從而得出一個已知點,兩個已知點,三個已知點,四個已知點條件下采用不同 GPS網形連接方式下,利用現有的已知點進行二維約束條件平差,利用不同個數已知點進行平差處理推出北京 54坐標系下 P001點坐標,和 P001點已知坐標進行計算得出其點位誤差,并對其進行比較分析。現將結果列在表 1中。

通過表 1可計算出邊連方式的平均點位誤差為0.022 0m,點連方式平均點位誤差為 0.026,邊點混連方式平均點位誤差為 0.025 9,已知一個已知點情況下的平均點位誤差為 0.041 4m,已知兩個已知點情況下的平均點位誤差為 0.018 2m,已知三個已知點情況下的平均點位誤差為0.018 8 m,已知四個已知點情況下的平均點位誤差為0.022 8m。由此可知邊連方式點位精度優于邊點混連方式點位精度,而邊點混連方式點位精度優于點連方式點位精度。一個已知點的點位精度劣于兩個已知點的點位精度,兩個已知點的點位精度劣于三個已知點的點位精度,但三個已知點的點位精度卻優于四個已知點的點位精度。

(2)不同接收機及時間長度條件下的精度分析比較。

在 GPS控制網B中通過TGO處理軟件對天寶 5 800接收機獲得白天 8∶00～ 10∶00之間的觀測數據和晚上 20∶00～22∶00之間的觀測數據進行處理,利用軟件選擇觀測時間為 30min和60min進行數據無約束平差,從而獲得其在WGS-84坐標下基線比例誤差,并對其比較分析。其結果如表 2所示。

表 1 GPS控制網 A經數據處理之后不同條件下成果比較 m

表 2 GPS控制網 A經數據處理之后不同條件下成果比較

通過上表可知對于同一條基線而言,30m in所獲的基線比例誤差大于 60所獲得的基線比例誤差;對于 01-03這條相對較短的基線,單雙頻接收機在同等條件下如觀測時間為30min條件下前者所獲得基線比例誤差總體小于后者,而在觀測時間為 60min條件下前者所獲得基線比例誤差總體大于后者,但二者精度相當;對于距離大于 10 km的 01-04基線很明顯雙頻接收機所獲取的基線比例誤差小于單頻接收機所獲取的基線比例誤差。

(3)同等觀測條件下,白天與夜晚觀測精度的比較分析。

對 GPS控制網B中在同等觀測條件下,利用南方單頻接收機在白天和晚上天黑以后分別進行實測,并對所獲得的觀測數據分別進行基線解算,現將各條基線的解算結果及其各參數列于表 3中。

表 3 各基線解算結果精度比較分析

從表 3所列數據的情況可以看出,比較相對精度和邊長中誤差兩項可知晚間觀測數據的解算結果精度要高于上午觀測數據的解算結果精度。從上面對實測數據的解算結果進行分析,對于單頻接收機當距離較遠(一般距離大于10 km)時,其晚間天黑以后的觀測數據解算結果精度要高于白天觀測數據的解算結果精度,而且距離越長效果越明顯。

3 結束語

(1)在其他條件相同的情況下,GPS網采用邊連接方式布網時測量定位結果的精度優于邊點混合連接方式;而邊點混合連接方式布網時的測量定位結果的精度要優于點連接方式布網的結果精度。

(2)一般情況下已知點的數目越多 GPS網最終獲得的結果精度越高,但所使用的已知點必須經過檢驗不含有粗差。在實際進行GPS測量時由于其他因素的限制不可能有很多的已知點,只有依據網形的特點及其大小選擇合適數目的已知點才能獲得較高的結果精度。

(3)通過上面計算可知觀測時間為 60 min比觀測時間為 30min的結果相對誤差較低,精度較好。一般情況下在一定時間內觀測時間越長最終結果精度越高,但是在實際作業時當觀測時間達到規范規定的時間后,再增加觀測時間對最終結果精度沒有明顯的作用,只會增加作業成本。

(4)在利用GPS測量定位技術施測各種用途的控制網時,當采用不同接收機(單頻或雙頻)進行測量時,其定位結果的精度會有所不同,從表 2可知當距離較長時(一般大于10 km)雙頻接收機測量定位結果精度高于單頻接收機;當距離較短時單、雙頻接收機測量定位結果的精度相當。

(5)在同等觀測條件下,晚上天黑以后進行 GPS測量往往可以獲得較高精度的觀測數據,從控制單一變量的原則出發,得出結論,由于夜晚電離層活動相對于白天來說較弱,對GPS觀測值的影響就相應地減小,所以晚上天黑以后進行GPS測量精度高于白天。

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