雙基準(zhǔn)站進(jìn)行GPS快速靜態(tài)定位的方法及可靠性分析

蘇恒，魯皚，姚朝定，劉志雄

(武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022)

1 引言

隨著GPS測(cè)量技術(shù)的廣泛應(yīng)用，近幾年部分省、市已經(jīng)建立了連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)和高精度分辨率的大地水準(zhǔn)面精化模型，為城市測(cè)量工作提供了快捷的三維控制服務(wù);但中小城市和尚未建立CORS網(wǎng)的城市在布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)依舊采用經(jīng)典GPS靜態(tài)控制測(cè)量，需要較長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)間，才能獲得高精度的實(shí)數(shù)模糊度。

GPS快速靜態(tài)定位的幾種作業(yè)方式主要應(yīng)用于低等級(jí)的控制網(wǎng)，適用于點(diǎn)位多、平均點(diǎn)間距短;本文采用雙基準(zhǔn)站GPS快速靜態(tài)定位作業(yè)模式觀測(cè)時(shí)間可縮短為10 min～20 min，布網(wǎng)便捷、效率高，彌補(bǔ)了單基站不構(gòu)成閉合圖形、檢核條件少、可靠性差等缺陷;雙基準(zhǔn)站在進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，構(gòu)成三角形(多邊形)檢核條件增強(qiáng)，強(qiáng)化網(wǎng)的結(jié)構(gòu);經(jīng)檢驗(yàn)采用雙頻GPS接收機(jī)進(jìn)行快速靜態(tài)定位雙基準(zhǔn)站作業(yè)模式，只需觀測(cè)15 min～20 min便可達(dá)到一、二級(jí)工程GPS控制網(wǎng)的精度，在加密控制網(wǎng)和像控點(diǎn)測(cè)量中應(yīng)用廣泛、穩(wěn)定可靠。

2 GPS快速靜態(tài)定位的原理和作業(yè)方式

GPS快速靜態(tài)定位的核心是快速求解正確的整周模糊度，所需要時(shí)間也是求解整周未知數(shù)的時(shí)間。解算方法最早由瑞士的E.Frei和G.Beutler提出了快速計(jì)算整周未知數(shù)方法。基本思路是:利用初始平差的解向量(接收機(jī)的坐標(biāo)及整周未知數(shù)的實(shí)數(shù)解)及單位權(quán)中誤差和方差協(xié)方差陣，以數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論的參數(shù)估計(jì)和統(tǒng)一假設(shè)為基礎(chǔ)，確定在某一置信區(qū)間整周未知數(shù)可能的整數(shù)解的組合。然后依次將整周未知數(shù)的每一組合作為已知值，重復(fù)地進(jìn)行平差計(jì)算，將其中估值的驗(yàn)后方差或方差和為最小的一組作為整周未知數(shù)。

目前廣泛采用“LAMBDA”方法，在GPS靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位中最成功的一種模糊度搜索方法，是荷蘭Delft大學(xué)Teunissen教授1993年提出最小二乘模糊度降相關(guān)平差法，提高了搜索的效率［3］。

2.1 作業(yè)方法介紹

GPS快速靜態(tài)的作業(yè)方法:在測(cè)區(qū)中部選擇一個(gè)基準(zhǔn)站(參考站)并連續(xù)跟蹤所有可見衛(wèi)星;另一臺(tái)接收機(jī)依次到各點(diǎn)設(shè)站觀測(cè)數(shù)分鐘，觀測(cè)中必須保持連續(xù)跟蹤4顆以上衛(wèi)星，接收機(jī)在流動(dòng)站之間移動(dòng)時(shí)，可不必保持對(duì)所有衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤因而流動(dòng)站可以關(guān)閉電源。快速靜態(tài)定位，主要分為單基準(zhǔn)站、雙基準(zhǔn)站和無基站三種方式，單基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)無檢核可靠性不高(如圖1);無基站方式需進(jìn)行同步觀測(cè)形成閉合環(huán)，要顧及同步時(shí)段，遷站效率不高;雙基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)檢核條件增強(qiáng)，可靠性高，如圖2所示。

圖1 單基準(zhǔn)站作業(yè)方式

圖2 雙基準(zhǔn)站作業(yè)方式

2.2 項(xiàng)目概要設(shè)備投入

本項(xiàng)目為第二次土地調(diào)查的地籍測(cè)量工作，由于面積范圍較大，需要布設(shè)大量的測(cè)量控制點(diǎn)，控制點(diǎn)平均間距0.5 km～1.0 km;在首級(jí)控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行加密一、二級(jí)控制點(diǎn);總結(jié)快速靜態(tài)定位的幾種作業(yè)方法后，故采用GPS快速靜態(tài)雙基準(zhǔn)站作業(yè)方式布設(shè)加密控制網(wǎng)，如圖3所示。

圖3 雙基準(zhǔn)站GPS快速靜態(tài)定位作業(yè)方式

首級(jí)控制按四等方法進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量，加密控制網(wǎng)項(xiàng)目介紹如下:共投入4臺(tái)Trimble R6雙頻接收機(jī)，儀器標(biāo)稱精度為5 mm+1×5 ppm×D;GPS數(shù)據(jù)處理軟件采用Trimble隨機(jī)軟件TGO1.63進(jìn)行基線解算，CosaGPS網(wǎng)平差計(jì)算，基線結(jié)果采用雙差固定解。為了保證點(diǎn)的應(yīng)用性和長(zhǎng)久性，以利于擴(kuò)展和采用常規(guī)手段時(shí)方便使用，部分點(diǎn)選擇在建筑物上。為了檢核雙基準(zhǔn)站GPS快速靜態(tài)的數(shù)據(jù)質(zhì)量，在外業(yè)觀測(cè)時(shí)部分控制點(diǎn)觀測(cè)45 min進(jìn)行常規(guī)GPS靜態(tài)定位。

測(cè)區(qū)中部選擇2個(gè)已知控制點(diǎn)，安置2臺(tái)GPS接收機(jī)進(jìn)行連續(xù)靜態(tài)測(cè)量，保持對(duì)衛(wèi)星的跟蹤觀測(cè)，其余2臺(tái)接收機(jī)進(jìn)行流動(dòng)站作業(yè)，2臺(tái)基準(zhǔn)站點(diǎn)位相距約4 km;在布網(wǎng)和遷站時(shí)不必考慮流動(dòng)站同步組成觀測(cè)時(shí)段，遷站效率更高更自由;分別以2個(gè)基準(zhǔn)站為圓心，作業(yè)半徑在10 km內(nèi)。

技術(shù)要求 表1

起算數(shù)據(jù)參考站的選擇，采用城市C級(jí)GPS控制網(wǎng)為參考站，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的控制網(wǎng)的精度不均勻，會(huì)直接影響數(shù)據(jù)的質(zhì)量;構(gòu)網(wǎng)方式為混連式，網(wǎng)形設(shè)計(jì)更加機(jī)動(dòng)靈活。

3 數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量分析

3.1 基線處理及網(wǎng)平差

檢查點(diǎn)名、天線高、時(shí)間間隔無誤后，將數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成Rinex數(shù)據(jù);根據(jù)基線解算的結(jié)果，查看模糊度的可靠指標(biāo)Ratio、參考因子質(zhì)量、均方根誤差RMS及殘差圖等參考指標(biāo)，數(shù)據(jù)利用率不能小于90%。

同步環(huán)、異步環(huán)是衡量GPS觀測(cè)成果的質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，如果環(huán)中的某一條基線在多個(gè)環(huán)中都超限，對(duì)有問題的基線進(jìn)行殘差分析，根據(jù)情況禁用或者重新進(jìn)行外業(yè)采集;由數(shù)據(jù)反映快速靜態(tài)定位的結(jié)果如下:

數(shù)據(jù)處理精度指標(biāo)

本工程施測(cè)一級(jí)GPS控制點(diǎn)28個(gè)，平均邊長(zhǎng)0.6 km，所有點(diǎn)位都能觀測(cè)5顆以上衛(wèi)星，數(shù)據(jù)利用率100%;考慮部分點(diǎn)的位置因素 可能對(duì)數(shù)據(jù)處理有影響，該網(wǎng)實(shí)際重復(fù)設(shè)站率為1.8，優(yōu)于《規(guī)程》要求，基線計(jì)算檢查改正值分布情況(見表2)

基線分量改正值區(qū)間分布統(tǒng)計(jì) 表2

從表2中可以看出所有基線分量改正值均符合《規(guī)程》要求，快速靜態(tài)GPS網(wǎng)在WGS－84坐標(biāo)系內(nèi)部精度良好。

點(diǎn)位誤差分析表 表3

邊長(zhǎng)平差值相對(duì)精度 表4

各測(cè)段平差結(jié)果都很穩(wěn)定，點(diǎn)位中誤差最大值為2.4 cm，快速靜態(tài)得到的閉合環(huán)最大為 10 ppm，復(fù)測(cè)基線較差小于3 ppm，觀測(cè)結(jié)果精度可靠，異步環(huán)90%都小于5 ppm;平差后最弱點(diǎn)精度為2.34 cm;最弱邊精度為1/40000，優(yōu)于《規(guī)程》要求，完全能滿足工程要求。

4 精度評(píng)定和外業(yè)檢核

為了保證精度，外業(yè)采集時(shí)重合了一些高等級(jí)的平面控制點(diǎn)進(jìn)行檢查，包括四等控制點(diǎn)2個(gè)、5″級(jí)控制點(diǎn)5個(gè)，檢核結(jié)果可靠，說明控制點(diǎn)間匹配性較好。

已知點(diǎn)檢測(cè) 表5

4.1 雙基準(zhǔn)站GPS快速靜態(tài)定位與常規(guī)GPS靜態(tài)數(shù)據(jù)比較

采用45分鐘靜態(tài)數(shù)據(jù)與15分鐘的快速靜態(tài)(雙基準(zhǔn)站)數(shù)據(jù)對(duì)比 表6

雙基準(zhǔn)站GPS快速靜態(tài)定位和常規(guī)GPS靜態(tài)定位兩種作業(yè)模式對(duì)比，成果較差:△x(max)=0.021 m，△y(max)=0.019 m;依據(jù)公式 ms=±點(diǎn)位中誤差±0.011 m，結(jié)果滿足規(guī)范及工程要求。雙基準(zhǔn)站GPS快速靜態(tài)定位技術(shù)精度可靠，作業(yè)時(shí)間短，效率提高40%以上，優(yōu)勢(shì)明顯。

5 結(jié)語

(1)起算控制點(diǎn)數(shù)據(jù)的選擇，應(yīng)選擇在同一時(shí)期同一坐標(biāo)系下的高等級(jí)控制點(diǎn)，否則會(huì)引起GPS網(wǎng)的扭曲變形，直接損害實(shí)測(cè)精度。

(2)在進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)前后應(yīng)進(jìn)行已知點(diǎn)的檢測(cè)，達(dá)到一定的重復(fù)設(shè)站率;適用基線在10 km以內(nèi)。

(3)在進(jìn)行雙基準(zhǔn)站GPS快速靜態(tài)定位時(shí)，同一觀測(cè)時(shí)段內(nèi)參考站的觀測(cè)數(shù)據(jù)不能中斷，參考站和流動(dòng)站的設(shè)置采樣間隔應(yīng)保持一致。

(4)雙基準(zhǔn)站GPS快速靜態(tài)關(guān)鍵問題是基準(zhǔn)站點(diǎn)位的選擇，點(diǎn)位的好壞直接影響衛(wèi)星信號(hào)的鎖定，保證5顆正常衛(wèi)星。對(duì)于特殊的點(diǎn)位可適當(dāng)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間或進(jìn)行二次設(shè)站以達(dá)到控制網(wǎng)精度的要求。

(5)雙基準(zhǔn)站GPS快速靜態(tài)GPS網(wǎng)至少應(yīng)有3個(gè)或3個(gè)以上已知點(diǎn)便于檢核;同時(shí)也利于新老成果的一致性，使GPS成果能較好地轉(zhuǎn)換到地面網(wǎng)中，又能保持GPS控制網(wǎng)原有的精度。

［1］GB/T 18314－2001.全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范［S］.

［2］CJJ 73－2010.衛(wèi)星定位城市測(cè)量技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］李征航，黃勁松.GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2005(1).

［4］朱大成.GPS快速靜態(tài)定位作業(yè)方式的選擇及應(yīng)用［J］.四川測(cè)繪，1995(3).

［5］肖道綱，肖建華，嚴(yán)小平.采用快速靜態(tài)定位技術(shù)加密三維控制網(wǎng)的幾個(gè)特點(diǎn)［J］.城市勘測(cè)，1995(4).

［6］肖天豪，周強(qiáng).Trimble5700 GPS快速靜態(tài)定位及精度檢驗(yàn)［J］.河南測(cè)繪，2006(4).