王穎國

（黑龍江省煤田地質(zhì)物測隊(duì).黑龍江 哈爾濱 150008）

1 引言

GPS 技 術(shù) 英 文 全 稱 ：NAVigation System with Time Ranging-Global Positioning System(NAVSTER-GPS).GPS技術(shù)中文全稱：時(shí)距導(dǎo)航技術(shù)系統(tǒng)-全球定位系統(tǒng)。

利用GPS布設(shè)工程地面控制的方法,目前已經(jīng)成為測繪領(lǐng)域中的主要手段,并逐漸取代了常規(guī)測繪方法。利用GPS布設(shè)地面網(wǎng),可以取得高精度的基線向量,并且具有選點(diǎn)靈活、全天候作業(yè)、觀測時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。在工程中,為了使地面邊長與用控制點(diǎn)坐標(biāo)反算的結(jié)果相符合,會(huì)遇到需要建立獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)的情況,為了建立與國家系統(tǒng)之間的關(guān)系,又常常需要建立掛靠在國家系統(tǒng)下的獨(dú)立網(wǎng)。筆者單位黑龍江省煤田地質(zhì)物測隊(duì)測量中,建立了大量的獨(dú)立網(wǎng),這些獨(dú)立網(wǎng)的特點(diǎn)是:采用GPS網(wǎng)點(diǎn)中的一點(diǎn)作為掛靠點(diǎn),其坐標(biāo)采用1954年北京坐標(biāo),采用該點(diǎn)至另外一點(diǎn)1954年北京坐標(biāo)系下的方位作為起算方位,GPS網(wǎng)邊長不進(jìn)行高斯投影,僅投影到測區(qū)平均高程面上,進(jìn)行GPS網(wǎng)的平差。這樣既建立了與1954年北京坐標(biāo)系統(tǒng)之間的關(guān)系,又保證了系統(tǒng)的獨(dú)立性。

對于此類GPS網(wǎng)的平差,方法尤其重要。筆者單位采用的平差軟件為原武漢測繪科技大學(xué)的PowerADJ,該軟件在平差過程中,對邊長強(qiáng)制進(jìn)行了高斯投影,所以常規(guī)方法不能滿足要求。如何利用該軟件進(jìn)行掛靠在1954年北京坐標(biāo)系下的獨(dú)立網(wǎng)的平差,即是本文討論的問題。

2 平差方法

對獨(dú)立網(wǎng)進(jìn)行平差的方法有很多,但如何采取一種簡單的方法,同時(shí)又能夠保證足夠的精度,筆者在總結(jié)了大量獨(dú)立網(wǎng)平差經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,詳細(xì)說明以下方法。以圖1為例,來說明利用PowerADJ計(jì)算獨(dú)立網(wǎng)的方法。

圖中,Ⅱ1,Ⅱ2,Ⅱ3為已知地面高等級三角點(diǎn),GPS1,GPS2,GPS3,GPS4分別為新布設(shè)的GPS點(diǎn),共同組成GPS獨(dú)立網(wǎng),該網(wǎng)中,需要計(jì)算以Ⅱ3為掛靠點(diǎn) (掛靠坐標(biāo)采用1954年北京坐標(biāo)),以Ⅱ3～Ⅱ2的北京坐標(biāo)系下的方位作為起算方位,進(jìn)行整網(wǎng)平差,為了實(shí)現(xiàn)這一平差,具體按照下列步驟進(jìn)行:1.基線解算與三維無約束平差按照常規(guī)方法進(jìn)行。在進(jìn)行3維無約束平差后,評定整網(wǎng)的內(nèi)符合精度,得到GPS網(wǎng)點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)。

以Ⅱ1,Ⅱ2,Ⅱ3為固定點(diǎn),進(jìn)行二維約束平差,以檢驗(yàn)起算點(diǎn)的正確性與兼容性。

求取測區(qū)中間子午線經(jīng)度,將起算點(diǎn)坐標(biāo)換帶至測區(qū)中間子午線下的新帶中,同時(shí)計(jì)算Ⅱ3～Ⅱ2在該新帶下的坐標(biāo)方位角。

在新帶中,以Ⅱ3為固定點(diǎn)(坐標(biāo)取Ⅱ3的新帶坐標(biāo)),以Ⅱ3～Ⅱ2的方位角為固定方位(方位?、?～Ⅱ2的新帶方位),導(dǎo)入GPS基線向量,進(jìn)行GPS網(wǎng)的2維約束平差,得到GPS各網(wǎng)點(diǎn)之間的邊長。

返回原54系下的原帶中,以Ⅱ3為固定點(diǎn)。(坐標(biāo)?、?的1954年北京坐標(biāo)),以Ⅱ3～Ⅱ2的方位角為固定方位(方位取Ⅱ3～Ⅱ2在1954年北京坐標(biāo)系下的方位),導(dǎo)入GPS基線向量,同時(shí)將步驟4中計(jì)算出的各網(wǎng)點(diǎn)之間的邊長作為強(qiáng)制約束條件,進(jìn)行GPS網(wǎng)的2維聯(lián)合平差,從而得到最后的獨(dú)立網(wǎng)成果。

通過上述5個(gè)步驟,可以計(jì)算出掛靠在1954年北京坐標(biāo)系下的獨(dú)立網(wǎng)成果,且能滿足施工放樣的要求。

3 GPS定位原理

3.1 他動(dòng)式的全站測量定位

絕對定位，即GPS接收機(jī)的單點(diǎn)定位，屬于衛(wèi)星定位技術(shù)，GPS接收機(jī)接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，繼而進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得出GPS接收機(jī)所在點(diǎn)的位置。這種測量定位方式不同于全站儀的主動(dòng)式全站測量，也不同于主動(dòng)式的測角后方交會(huì)，可謂是他動(dòng)式的全站測量定位方式。

3.2 單程測距技術(shù)

GPS時(shí)距導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是距離測量，利用衛(wèi)星本身的超高頻無線電波測量衛(wèi)星至GPS接收機(jī)之間的距離D,但這種距離測量不同于往返雙程的光電測距，而是以電波單程傳輸時(shí)間為參數(shù)的單程測距。

4 精度分析與適用性

4.1 高斯投影的影響

運(yùn)用此方法主要解決了PowerADJ平差軟件中強(qiáng)制進(jìn)行高斯投影的問題。移動(dòng)中央子午線進(jìn)行2維約束平差得出的GPS網(wǎng)點(diǎn)之間的邊長雖然仍進(jìn)行了高斯投影,但高斯投影對邊長的改正非常小,可以忽略不計(jì)。

由高斯投影公式:D2=D1(1+y2m/2R2m),當(dāng)距測區(qū)中間子午線最遠(yuǎn)的基線邊長為10km,距測區(qū)中間子午線的最遠(yuǎn)距離為20km時(shí),由該方法計(jì)算出的邊長中,高斯投影的改正為49mm,則高斯投影對邊長的影響為1/200000。

4.2 地面高程的影響

在上一節(jié)的平差方法中,未考慮地面高程的影響,即地面距離歸算到參考橢球面上的改正。在雙鴨山地區(qū),地面高程一般小于110m,按式 D1=D[1-(Hm+hm)/(RA+Hm+hm)],當(dāng)?shù)孛娓叱倘?10m,基線邊長為10km,其對邊長的改正為-62mm,則橢球面改正對邊長的影響為1/160000。

4.3 橢球面改正與高斯投影的綜合影響

運(yùn)用上一節(jié)中的方法,高斯投影的影響減弱到了最小,而橢球面改正無法消除,即兩者對邊長的綜合改正為-13mm(以基線邊長為10km計(jì)算,距測區(qū)中間子午線的最遠(yuǎn)距離為20km,地面高程取40m),對邊長的綜合影響為1/750000。可以看出,利用此方法在高程不大的地區(qū)時(shí),橢球面改正與高斯投影改正的符號相反,其綜合影響值非常小,可以滿足獨(dú)立網(wǎng)要求。

4.4 適用性

在低海拔地區(qū),該方法是完全適用的,并且簡單、容易掌握，不受通視條件、能見度、氣候、季節(jié)等因素的影響和限制較小，在傳統(tǒng)測量看來由于地形復(fù)雜、地物障礙而造成的難通視地區(qū)，只要滿足GPS的基本工作條件，它也能輕松地進(jìn)行快速的高精度定位作業(yè)。減輕觀測員的勞動(dòng)強(qiáng)度等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，此項(xiàng)技術(shù)將會(huì)在測量領(lǐng)域尤其對煤田地質(zhì)勘探工作得到越來越廣泛的推廣和應(yīng)用。但在高海拔地區(qū),由于橢球面改正無法消除,且其影響值非常大,所以運(yùn)用時(shí),一定要考慮此項(xiàng)改正的大小。下面以青海引大濟(jì)湟調(diào)水總干渠測量為例來說明此問題。

在該項(xiàng)目中,測區(qū)的平均海拔為3000m,若以1km的邊長計(jì)算,則橢球面改正值大約為0.47m,基線邊長越大,其影響越大,對10km的基線邊,其影響高達(dá)4.7m,如此大的影響在工程中是不允許的,更不能滿足地面控制的要求,所以不能使用。若需要解決上述問題,可以尋求其他的解決辦法,例如用常規(guī)測邊網(wǎng)進(jìn)行平差等。

5 經(jīng)驗(yàn)與體會(huì)

在低海拔地區(qū),運(yùn)用此方法,既可以快速平差,又滿足獨(dú)立網(wǎng)的精度要求;但在高海拔地區(qū),橢球面改正很大,其與高斯投影的改正不再在絕對值上相近,兩者之間的影響不能相互抵消,所以不再適用，應(yīng)當(dāng)選擇其他的方法。

建議在煤碳、油田等地質(zhì)勘探工作可以進(jìn)行嘗試應(yīng)用，可以得到極為方便、快捷、精確度高的優(yōu)點(diǎn)。