GPS靜態控制測量應用研究

尹亞明

（津市市國土資源局 湖南常德 415400）

GPS定位技術具有不需通視、全天候、自動化、易操作、高效率等優點，適合控制網的測量，但是GPS等級點的測量對精度要求很高。經過近年來的發展，通過合適的方法，規范操作，GPS靜態控制測量已經具有很高的可靠性，能達到很高的精度。本文就津市市某新建GPS等級點的靜態控制測量為例介紹了GPS控制測量應注意的一些問題。

靜態控制測量主要包括四個步驟：選點埋石、技術設計、靜態觀測、數據處理，下面將就實例分別對這四個步驟予以說明。

圖1 GPS靜態測量控制網布設示意圖

1 選點與GPS靜態測量控制網設計

新建GPS等級點建設在津市市市區北部，命名為CDJS。為量測CDJS點位坐標，共納入5個地面基站參與聯測，構建GPS控制網。在GPS靜態控制測量中，CORS站點的應用能節省大量人工，且能提供高精度可靠的24h連續GPS觀測數據，非常適合用于代替以往GPS靜態控制測量中的人工基站，因此5個地面基站中包括4個CORS站點，分別為CDLX、LDXH、CDAX、CDSQ，一個C級GPS控制點，編號為U038。各基站均勻分布在待測點CDJS周圍，各相鄰基站間的距離平均約30km，網形圖如圖1所示。

根據設計，本GPS控制網由6個地面基站，15條獨立基線構成。15條基線中，最長基線82km，最短基線24km，平均長度42km，符合國家GPS測量規范中關于控制網基線距離的要求。

2 踏勘與埋石

經現場踏勘，CDJS的埋石地點選擇在津市市市區北部的經濟開發區內，該區域地面壓實整平過，土質穩定堅實，視野開闊，無高層建筑，視場高度角不超過15°，周邊無高壓電塔、微波信號站等大型干擾源，也沒有強烈反射衛星信號的物體，非常適合GPS等級點的建設。

埋石的制作、埋設規格按《全球定位系統（GPS）測量規范》（GB/T18314-2009）中的要求執行，并經歷了三個月，待埋設穩定后方參與控制測量。

3 同步靜態觀測

CORS站點能提供質量極高的GPS同步觀測數據，不需要人工擺站，能極大節約人力。因為CORS站點的應用，本次測量僅需在控制點U038和待測點CDJS上各人工架設一臺GPS儀器，即可同步獲取整個控制網內各基站的觀測數據。這兩站視野開闊，周邊無大型干擾源，利于同時接收多個衛星信號。

同步觀測于2018年6月12日實施，使用兩臺中海達GPS接收機進行。當天天氣晴好，觀測前，兩組作業人員分三個方向量取儀器高度，并嚴格對中，高度量取誤差與對中誤差均優于3mm。為保證同步觀測，提前5min開機，并延后5min關機。

在同步靜態觀測時，設置衛星截止高度角為15°，歷元采樣間隔為15s，有效觀測衛星數不少于5顆，且PDOP值小于6，以保證衛星精度及分布條件。為提高觀測精度，同步觀測時間為510min，從早上8時2分至下午4時32分。

4 GPS控制網基線解算

五個控制點的坐標基準均為國家2000大地坐標系，高程為85高，在這一坐標基準下，以六段GPS同步觀測數據聯合解算基線。基線解算及后續數據處理采用中海達HGO數據處理軟件進行。因為采集的同一時段的觀測數據，無重復基線，采用單基線解模式（Single-BaselineMode）解算，基線解算前，需要對解算參數以及各個質量限值參數進行設置，以剔除過大粗差，平滑周跳和控制GPS觀測精度，解算步驟主要分為如下幾步：基線解算自檢→讀入星歷數據→讀入觀測數據→三差解算→周跳修復→雙差浮點修復→整周模糊度分解→雙差固定解算。

基線解算完成后，首先應對基線進行精化處理。精化處理主要解決幾個方面的問題：

（1）單顆衛星時段優化

某顆衛星觀測時間太短，或某時段GPS觀測數據有較多裂隙，或者周跳嚴重導致修復困難，可以刪除該時段觀測數據。可以根據雙差分基線殘差圖進行時段優化，以改善基線解算質量。

（2）多路徑效應優化

多路徑效應嚴重造成精度損失時，可縮小編輯因子，以剔除殘差較大的觀測值，也可刪除多路徑效應嚴重的時段或衛星。

（3）電離層與對流層延時優化

當對流層、電離層折射影響過大時，可提高截止高度角，以減少易受對流層、電離層影響的低高度角觀測數據，并刪除影響特別嚴重的衛星，也可以分別采用改正模型改正對流層延遲和電離層延遲。

精化處理后，需要對每條基線進行檢核，以保證GPS成果精度。檢核主要包括：①RMS，指各基線坐標均方根誤差，RMS越小表明觀測值質量越高；②PDOP，指各基站位置精度強弱度，PDOP越小表明天空中衛星分布程度越好，定位精度越高；③RATIO，方差比，整周模糊度分解后各條基線內最大誤差與最小誤差的比值，RATIO越大表明整周未知數解算越可靠；④環閉合差，包括同步環與異步環，是基線解算中最重要的質量指標，獨立閉合環閉合差WS和各坐標分量閉合差（應滿足：，其中，σ 為基線測量中誤差精度要求（a為固定誤差，b為比例誤差系數，D為基線長度）；⑤重復基線，反應觀測數據的離散程度，重復基線的較差越小表明觀測數據的可靠性越高。經檢驗，點位精度2mm左右，各基線分量中誤差在15～20mm之間，PDOP值與RATIO值均合格，觀測數據剔除率不足5%，所有同步環精度合格，無異步環和重復基線，可以進行后續平差處理。

5 GPS控制網平差

坐標基準采用國家2000大地坐標系統。先導入各地面基站的觀測數據，不對控制點坐標加以約束，進行三維自由網的加權平差。平差后，對網平差的中誤差進行x2-單位權方差檢驗和τ粗差檢驗。經權配置，基線標準差置信度設為3.1σ，單位權中誤差比為1.1411，得到x2-檢驗值為34.2342，小于理論值范圍，平差結果可靠；15條基線的τ檢驗合格，顯著水平為1%，控制網內符合精度良好，各基線不存在粗差。相對誤差優于1：498萬，自由網平差精度見表1。

表1 三維自由網平差精度表

自由網平差合格后，利用無約束平差形成的基線向量觀測值權陣，將四個CORS站和一個已知C級GPS點U038的已知坐標加入計算，進行三維約束平差。約束平差完成后同樣需要進行x2-檢驗，以檢核平差起算數據與GPS觀測成果是否相容。在本工程中，三維約束平差的基線標準差置信度設為36.5σ，單位權中誤差比為1.0918，得到x2-檢驗值為45.8544，檢驗合格。

精度方面，每一基線分量改正數與三維自由網平差的改正數較差均小于2σ，相對誤差優于1：574萬，三維約束平差精度見表2。

表2 三維約束平差精度表

6 結束語

通過對數個地面基站的同步觀測數據進行的三維自由網平差和三維約束平差，我們獲得了新建GPS等級點CDJS的2000坐標和正常高。對基線解算及網平差結果進行的檢驗說明本次成果質量可靠，精度較高。通過本實踐應用，我們還發現CORS的合理利用能大大減少GPS靜態控制測量對人工、儀器、時間等的要求，極大提高效率。