陳 磊,杜寶玉,王圻伊,王紹明,蔣 力

(黑龍江工程學(xué)院測繪工程系)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展國家建設(shè)的需要,GPS定位技術(shù)以其精度高、速度快、費(fèi)用低、操作簡便等優(yōu)良特性在測繪、土木、水利、電力等眾多領(lǐng)域中得到了非常廣泛的應(yīng)用,特別是在測繪領(lǐng)域中的大地測量、變形測量和精密工程測量中更是發(fā)揮著其他技術(shù)無法替代的作用。從 GPS網(wǎng)布設(shè)的連接方式、已知點(diǎn)數(shù)目、觀測時間長短等因素進(jìn)行了實(shí)際分析和研究,并得出了相關(guān)結(jié)論。希望能對今后GPS網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)起到參考作用。

根據(jù)已有資料不難發(fā)現(xiàn)在利用GPS測量定位技術(shù)施測各種用途的控制網(wǎng)時,當(dāng)同步圖形采用不同的方式進(jìn)行連接時,最后測得結(jié)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(fù)測邊,多余觀測較多使其無論是在數(shù)據(jù)可靠性還是最后平差成果精度方面都優(yōu)于邊點(diǎn)混合及單純的點(diǎn)連接布網(wǎng)形式;當(dāng)已知點(diǎn)數(shù)目不同時,最后處理的結(jié)果精度也會有所差別,適當(dāng)數(shù)目的已知點(diǎn)能夠更好的實(shí)現(xiàn)約束平差計(jì)算,能夠更準(zhǔn)確地計(jì)算出相應(yīng)的轉(zhuǎn)換參數(shù);當(dāng)分別采用單、雙頻接收機(jī),有時所測結(jié)果的精度也會有所不同,當(dāng)基線距離較長時(一般大于 10 km左右),雙頻接收機(jī)測量定位結(jié)果精度要好于單頻接收機(jī)定位結(jié)果的精度。但在基線距離較短時二者測量定位結(jié)果精度相當(dāng),因此在考慮到工程實(shí)際需要和經(jīng)濟(jì)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(dāng)觀測時間長短不同的情況下測得結(jié)果精度也會有所不同,由于長時間可獲取較多數(shù)量的觀測數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時精度要高,但是在考慮到實(shí)際條件和經(jīng)濟(jì)成本的前提下并非觀測時間越長越好;進(jìn)行GPS測量時,晚上天黑以后進(jìn)行GPS測量往往可以獲得精度較高的觀測數(shù)據(jù),這是由于白天電離層受太陽光照射影響很強(qiáng),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(jìn)行 GPS測量時往往可以獲得精度較高的觀測數(shù)據(jù)。

1 測區(qū)概況

本次野外施測部署兩個GPS控制網(wǎng),分別為 GPS控制網(wǎng)A和 GPS控制網(wǎng) B。GPS控制網(wǎng) A部署區(qū)域?yàn)槟呈谐菂^(qū),地勢為平坦,區(qū)域內(nèi)建筑物較少,視野較開闊。GPS控制網(wǎng)A共有 21條基線組成,重復(fù)基線 11條,其中點(diǎn) p001、p004、p005、p006為已知地方坐標(biāo)的控制點(diǎn)。GPS控制網(wǎng) B部署區(qū)域?yàn)槟吵鞘惺袇^(qū)交通道路建設(shè)工程控制網(wǎng)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(fù)基線 3條。

2 GPS數(shù)據(jù)采集處理及其分析

2.1 GPS數(shù)據(jù)采集

GPS控制網(wǎng)A分別采用南方 GPS單頻接收機(jī)進(jìn)行同步觀測,每時段為 1 h左右,同步接收衛(wèi)星個數(shù)最多為 12顆,最少為 6顆,衛(wèi)星截止高度角為 5°,數(shù)據(jù)歷元間隔為 5 s,PDOP值最大值為 5.2,接收機(jī)與衛(wèi)星的圖形結(jié)構(gòu)良好。GPS控制網(wǎng) B采用南方 GPS單頻接收機(jī)和天寶 GPS雙頻接收機(jī),白天和夜晚分別進(jìn)行同步觀測,每時段為 1 h,同步接收衛(wèi)星個數(shù)最多為 8顆,最少為 4顆,衛(wèi)星截止高度角為 5°,數(shù)據(jù)歷元間隔為 5 s。

2.2 GPS數(shù)據(jù)處理

2.3 GPS數(shù)據(jù)分析

(1)不同網(wǎng)形結(jié)構(gòu)及已知點(diǎn)個數(shù)條件下的精度分析比較。

在 GPS控制網(wǎng) A中利用南方 GPS處理軟件 4.0進(jìn)行刪除,不同基線獲得不同邊連方式的網(wǎng)形,邊點(diǎn)混連方式,點(diǎn)連方式的網(wǎng)形圖,通過南方GPS處理軟件 4.0對已知點(diǎn)的有效性進(jìn)行控制,從而得出一個已知點(diǎn),兩個已知點(diǎn),三個已知點(diǎn),四個已知點(diǎn)條件下采用不同 GPS網(wǎng)形連接方式下,利用現(xiàn)有的已知點(diǎn)進(jìn)行二維約束條件平差,利用不同個數(shù)已知點(diǎn)進(jìn)行平差處理推出北京 54坐標(biāo)系下 P001點(diǎn)坐標(biāo),和 P001點(diǎn)已知坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算得出其點(diǎn)位誤差,并對其進(jìn)行比較分析?，F(xiàn)將結(jié)果列在表 1中。

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

(2)不同接收機(jī)及時間長度條件下的精度分析比較。

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

表 1 GPS控制網(wǎng) A經(jīng)數(shù)據(jù)處理之后不同條件下成果比較 m

表 2 GPS控制網(wǎng) A經(jīng)數(shù)據(jù)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(jī)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(dāng);對于距離大于 10 km的 01-04基線很明顯雙頻接收機(jī)所獲取的基線比例誤差小于單頻接收機(jī)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(wǎng)B中在同等觀測條件下,利用南方單頻接收機(jī)在白天和晚上天黑以后分別進(jìn)行實(shí)測,并對所獲得的觀測數(shù)據(jù)分別進(jìn)行基線解算,現(xiàn)將各條基線的解算結(jié)果及其各參數(shù)列于表 3中。

表 3 各基線解算結(jié)果精度比較分析

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

3 結(jié)束語

(1)在其他條件相同的情況下,GPS網(wǎng)采用邊連接方式布網(wǎng)時測量定位結(jié)果的精度優(yōu)于邊點(diǎn)混合連接方式;而邊點(diǎn)混合連接方式布網(wǎng)時的測量定位結(jié)果的精度要優(yōu)于點(diǎn)連接方式布網(wǎng)的結(jié)果精度。

(2)一般情況下已知點(diǎn)的數(shù)目越多 GPS網(wǎng)最終獲得的結(jié)果精度越高,但所使用的已知點(diǎn)必須經(jīng)過檢驗(yàn)不含有粗差。在實(shí)際進(jìn)行GPS測量時由于其他因素的限制不可能有很多的已知點(diǎn),只有依據(jù)網(wǎng)形的特點(diǎn)及其大小選擇合適數(shù)目的已知點(diǎn)才能獲得較高的結(jié)果精度。

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

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

(5)在同等觀測條件下,晚上天黑以后進(jìn)行 GPS測量往往可以獲得較高精度的觀測數(shù)據(jù),從控制單一變量的原則出發(fā),得出結(jié)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(yīng)地減小,所以晚上天黑以后進(jìn)行GPS測量精度高于白天。

[1] 魏子卿,葛茂榮.GPS相對定位的數(shù)學(xué)模型[M].北京:測繪出版社,1998.

[2] 劉大杰,施一民,過靜珺.全球定位系統(tǒng)(GPS)的原理與數(shù)據(jù)處理[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1996.

[3] 徐紹銓,張華海等.GPS測量原理及運(yùn)用[M].武漢:武漢測繪科技大學(xué)出版社,1998.

[4] CJJ73-97,全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程[S].

[5] 黃聲享,郭英起,易慶林.GPS在測量工程中的應(yīng)用[M].北京:測繪出版社,2007.

[6] 毛坤德,趙長勝,周園.城市 GPS控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].礦山測量,2007(9):13～16.

[7] 張鳳舉,張海華,趙長勝等.控制測量學(xué)(第二版)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2003.