GPS測量質量控制措施及分析

【摘 要】本文基于作者多年相關工作經驗，結合工程實例對影響GPS測量質量的因素做了簡要分析，并就改善GPS測量方法，提高GPS測量精度方面提出了一些措施。

【關鍵詞】GPS網；城市測量；質量控制

影響GPS網質量的因素包括，觀測值的質量、GPS基線的質量、常規觀測值的質量、起算數據的質量、網的結構、以及網平差處理的方法。通常觀測值的質量取決于觀測及數據處理，起算數據的質量則取決于設計及項目的客觀條件，而網的結構取決于設計，網平差處理的方法取決于數據處理。下面我將結合自己參與的新疆烏魯木齊國際機場飛行區道面測量案例分析一下GPS測量質量控制措施。

一、測量工程實例概況

測區位于烏魯木齊市北郊，地窩堡國際機場內。地理位置為：東經 87°27′05″～87°30′05″；北緯 43°53′58″～43°54′46″測區行政隸屬于新疆維吾爾自治區烏魯木齊市。本次工程測任務主要是對現跑道、聯絡道、防吹坪、與聯絡道相接處平行滑行道的道面及道肩分塊尺寸、角點高程和道肩邊線外20m范圍內的土面表面高程進行測量。由于機場安保原因，出入限制條件非常嚴格，人員素質要求較高，為保證本工程安全，外業工作只限于我公司專業人員參加。由于每天作業時間只有3小時左右，人員不能大量進入現場，導致工期時間較長。總體作業環境完全不同于通常的工程測量。

二、GPS網圖形設計

GPS網圖形設計的目的是改善GPS網的精度、增強其可靠性并提高其效率。GPS網結構和形狀連接方式的選擇則取決于GPS測量工程的精度需求、外業觀測條件以及GPS接收機數量等因素。GPS網圖形設計的內容包括同步觀測圖形、重復觀測次數、觀測參數設置、觀測時長要求等[1]。有兩點非常重要，一是是GPS網的圖形強度（可靠性）與基線向量的數量和分布有關，二是GPS點的精度和可靠性和與其相連的基線向量數密切相關，相連的基線向量數越多，精度和可靠性越高。

工程實測中，為保證測量質量，GPS網中不應存在自由基線，網中的閉合條件中基線數不可過多，每個點至少要獨立設站觀測兩次，且至少應與地面網有2個重合點。圖形設計中需要注意的是，各級GPS網中最簡獨立閉合環或附和導線的邊數必須滿足有關要求。當控制網的范圍較大時，可采用分級布設的方法，即首先布設點數較少但等級較高的框架網，然后再部分項目所要求等級的全面網。網中距離較近的點間要進行直接觀測（短邊必測）。

三、GPS測量數據

GPS控制網外業觀測時，作業人員應按靜態觀測基本作業技術要求來執行[2]。天線對中誤差不應大于3毫米，基座圓水準氣泡必須居中，觀測前后在天線互為120°方向上量取天線斜高，互差應小于5毫米。開機后把測站相關信息輸入GPS接收機并做外業觀測記錄。

在基線解算階段，若所設定的起點坐標不準確，將導致基線向量發生偏差。對于基線解算來講，參與計算的衛星，如果與其相關的整周未知數沒有準確確定的話，就將嚴重影響整個基線解算結果的質量。在觀測時段內，通常多路徑效應比較嚴重，隨多路徑效應的嚴重程度，對基線質量的影響將有所不同。多路徑效應對基線向量的水平方向影響較大。此外，對流層折射影響或電離層折射、衛星軌道誤差較大以及地球潮汐、地球自轉等數學模型問題也會影響基線的質量。

應對基線起點坐標不準確，通常要使用坐標精度高的點作為起算點，所有基線應從一點或由該點衍生出的點起算。

四、GPS網平差的質量控制

在基線向量檢核符合要求后，以三維基線向量及其相應方差——協方差陣作為觀測信息，以一個點的wgs-84系下三維坐標作為起算依據，進行GPS控制網三維無約束平差。三維無約束平差報表須提供各點在wgs-84系下的三維坐標、各基線向量及其改正數和其精度信息。若某基線分量改正數超限，則認為該基線或其附近的基線存在粗差，應在平差中將其剔除，直至所有參與平差的基線滿足要求。若結果不滿足要求，則認為作為約束的已知坐標、已知距離、已知方位中存在一些誤差較大的值，應刪除這些誤差較大的約束值，直至滿足要求。

地窩堡國際機場工程測量中一級點GPS外業采集數據處理采用中海達GPS解算軟件HDS2003導入數據，并將其轉換為Rinex標準數據格式，采用南方GPS數據處理軟件GPSPro4.0進行基線解算及平差。平差后的坐標為1954年北京坐標系坐標，由于將地形圖投影到高斯面上長度變形較大，超出規范要求，為了保證測量質量，因此在本測區沿用烏魯木齊城市坐標系，將1954年北京坐標系坐標轉換為烏魯木齊城市坐標系坐標；另根據甲方及設計、實際施工要求又將其轉換為機場坐標系坐標。

五、GPS RTK測量及其質量控制

RTK（Real Time Kinematic）即進行實時動態相對定位的技術，一般定位精度可達厘米級。常規RTK的系統結構包括基準站、數據鏈和流動站。基準站的選擇、基準站電臺天線的架設、中繼站的設置、流動站初始化、模糊度的保持（測量過程中周跳的探測）、坐標轉換參數都會影響RTK測量的質量[3]。初始化錯誤發生原因主要是未能正確確定模糊度，會導致所有觀測結果發生較大偏差。未正確探測或修復基準站及流動站載波相位數據中的周跳會導致模糊度保持失敗后的所有觀測成果發生較大偏差。未正確設置基準站坐標或設置了錯誤的坐標系統轉換參數會導致所有觀測成果發生錯誤。

為提高RTK測量的質量，要確保在一個連續的觀測段中，對首尾的測量成果進行檢驗。檢驗方法是要確保在已知點上進行初始化或初始化完成檢測一個已知點以及進行復測，兩次復測之間必須重新進行初始化。

在工程實測中RTK單次測量高程精度略低于設計要求，為了加強數據的穩定性及提高精度，在觀測水泥板塊時我們采用每個觀測點記錄兩次，且每個記錄設置自動平滑采集10次，采用多余觀測方式提高點位精度。

六、GPS質量分析和技術統計

烏魯木齊國際機場飛行區道面測量經解算基線總數90條，重復基線有11條，復測基線較差最大為31mm，允許值為ds≤±49mm。同步環91個，各觀測邊的坐標分量之和最大為0.014m。異步環83個，各觀測邊的坐標分量之和最大為0.051m。Ratio平均值為22，同步環全長相對閉合差允許值為10ppm，最大值為5.4ppm，異步環全長相對閉合差最大值為9.9ppm。重復基線、同步環、異步環都滿足限差要求。測區邊長相對中誤差最小1/101.2萬；最大1/4.3萬。GPS網最長邊邊長5924m，邊長相對中誤差1/94.1萬；最短邊邊長184m，邊長相對中誤差1/5.5萬；最弱邊邊長352.7m，邊長相對中誤差1/12.7萬；最弱點點位Wx=±1.48mm，Wy=±1.31mm。根據2001年國家測繪局發布的測繪行業標準《全球定位系統（GPS）測量規范》和《工程測量規范》（GB50026-2007），施測的GPS控制點可以滿足后續板塊測量對控制點精度要求。

總結：

GPS已廣泛應用于各種等級精度的城市控制測量中。為提高測量精度，就必須做好GPS測量的質量控制工作。總體而言，質量控制的內容主要包括質量評價（評定質量的指標）和質量改善（提高質量的方法）。從GPS測量的作業流程來看，一般包括測前、測中和測后三個階段。測前一般包括測量工程的設計與計劃以及儀器設備的檢定檢驗，測中主要是施測工作，而測后則主要是數據處理及成果整理，所以GPS 測量的質量控制過程必須貫穿測前、中、后三個階段。

參考文獻：

[1]毛克，劉江龍，劉永強等.GPS技術在風力發電場控制測量中的應用[J].電力勘測設計，2010，（3）：22-25.

[2]劉薇，陳東升，楊振等.淺析城市靜態GPS控制網施測質量的控制措施[J].科技信息，2010，（18）：781-782.

[3]劉兵，施昆，韋瑞表等.GPS技術在山區石油地震勘探測量中的應用[J].測繪工程，2008，17（6）：63-66.