郭英起,張振海,王 楊

(1.黑龍江工程學(xué)院 測繪工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150050;2.黑龍江省第六地質(zhì)勘察院,黑龍江 佳木斯 154002;3.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,天津 300222)

建立 GPS控制網(wǎng)觀測方案優(yōu)化的研究

郭英起1,張振海2,王 楊3

(1.黑龍江工程學(xué)院 測繪工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150050;2.黑龍江省第六地質(zhì)勘察院,黑龍江 佳木斯 154002;3.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,天津 300222)

利用 GPS定位技術(shù)建立各種用途控制網(wǎng)已經(jīng)相當(dāng)普及。針對 GPS控制網(wǎng)建立前觀測方案的優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行研究,探討接收機(jī)的適用條件以及 GPS觀測時間的確定。實驗數(shù)據(jù)證明接收機(jī)的選擇和觀測時間的確定對控制網(wǎng)控制質(zhì)量是很重要的,實驗分析結(jié)果既可為 GPS科研工作的深入研究提供參考,亦可為從事高精度 GPS測量生產(chǎn)應(yīng)用提供借鑒。

GPS定位;控制網(wǎng);觀測時間;基線精度

目前,無論是建立全球、國家或者區(qū)域性高精度控制網(wǎng),或是為工程建設(shè)和城市建設(shè)服務(wù)建立的局部性控制網(wǎng),GPS衛(wèi)星定位技術(shù)已經(jīng)基本取代了常規(guī)測量定位方法[1]。GPS衛(wèi)星定位技術(shù)以其布網(wǎng)靈活、操作簡單、高效率、高效益和高精度等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用于測繪、土地管理和森林調(diào)查等眾多領(lǐng)域中。

然而,利用 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)建立各種用途控制網(wǎng)可以達(dá)到高效率、高效益和高精度等優(yōu)點(diǎn)是以首先對 GPS網(wǎng)進(jìn)行完善的優(yōu)化設(shè)計(布網(wǎng)方案和觀測方案)為前提的?？梢妼?GPS網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計是非常重要的環(huán)節(jié)[2-3],也是 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)在實際應(yīng)用中一直都值得不斷研究的內(nèi)容。本文針對GPS網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計中個別問題提出幾點(diǎn)建議。

1 GPS網(wǎng)觀測方案優(yōu)化設(shè)計中的問題

利用GPS衛(wèi)星定位技術(shù)建立控制網(wǎng)時基線向量的解算精度與多方面因素有關(guān),其主要因素有觀測時段的選擇(即 GPS衛(wèi)星與觀測站所構(gòu)成的立體幾何圖形強(qiáng)度 PDOP值的大小或相關(guān)精度因子RDOP值的大小)和觀測時段的長短、衛(wèi)星星歷誤差修正的殘差(當(dāng)使用廣播星歷時)、電離層折射誤差修正的殘差和對流層折射誤差修正的殘差等,而這些因素大多又與基線的長短密切相關(guān)?？刂凭W(wǎng)的最終平差結(jié)果精度又取決于基線向量的精度、地面控制網(wǎng)的構(gòu)成方式、控制網(wǎng)的規(guī)模大小以及數(shù)據(jù)處理軟件的完善程度等因素。其中基線向量的精度是影響控制網(wǎng)最終平差結(jié)果精度非常重要的因素。

1.1 單、雙頻接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)精度分析

目前,在進(jìn)行 GPS測量中使用的 GPS接收機(jī)有單頻接收機(jī)和雙頻接收機(jī)2種,應(yīng)該說二者各有其優(yōu)點(diǎn)。單頻接收機(jī)有體積小、重量輕、功耗低和其價格約為雙頻接收機(jī)的一半等優(yōu)點(diǎn)。而雙頻接收機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn)是利用雙頻改正技術(shù)可以非常有效地消除電離層折射誤差的影響,尤其適合在大面積、相鄰點(diǎn)間距離較遠(yuǎn)或很遠(yuǎn)的情況下進(jìn)行 GPS衛(wèi)星定位建立高精度控制網(wǎng)。

對于雙頻接收機(jī)由于其可以很好地消除電離層折射誤差的影響,在相對定位中當(dāng)距離較遠(yuǎn)(幾十公里、幾百公里甚至上千公里)時可以獲得很好的測量定位結(jié)果,也被大量的測量實踐所證實。小范圍內(nèi)建立控制網(wǎng)當(dāng)相鄰點(diǎn)之間距離較近(幾公里最多十公里)時,單頻接收機(jī)和雙頻接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)的精度可利用四臺天寶5800接收機(jī)(雙頻)對圖1所示的GPS控制網(wǎng)A進(jìn)行施測,觀測時段約為60 m in。現(xiàn)對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行解算并對解算結(jié)果進(jìn)行分析。首先利用TGO軟件對6條基線向量進(jìn)行解算,解算時分單頻(L1載波固定解)和雙頻(無電離層影響固定解)2種形式分別進(jìn)行,每條基線解算結(jié)果的各參數(shù)列于表1中。

表1 各條基線解算結(jié)果的各參數(shù)比較分析

然后再分別進(jìn)行自由網(wǎng)平差,最后利用01點(diǎn)、02點(diǎn)和04點(diǎn)擬合03點(diǎn)的坐標(biāo)。這里 GPS控制網(wǎng)A中4個點(diǎn)在城市建設(shè)坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)的坐標(biāo)都是已知的?，F(xiàn)將利用單、雙頻接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的結(jié)果列于表2中。

從表1可以看出,單頻接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)的解算結(jié)果精度要高于雙頻接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)的解算結(jié)果精度。表2為利用單頻接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)和雙頻接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)分別進(jìn)行擬合平差計算獲得的各點(diǎn)坐標(biāo)值與原坐標(biāo)值對比及其差值,很明顯利用單頻接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)擬合平差計算結(jié)果精度要好于利用雙頻接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)擬合平差計算結(jié)果精度。

圖1 GPS控制網(wǎng)A

表2 單、雙頻接收機(jī)擬合結(jié)果比較分析

可以看出來,在小范圍內(nèi)建立控制網(wǎng)當(dāng)相鄰點(diǎn)之間距離較近(幾公里最多十公里)時,單頻接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)的精度要高于雙頻接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)的精度。經(jīng)過分析,產(chǎn)生這種情況的主要原因是由于L1載波信號接收質(zhì)量好,即信號的信噪比高。而L2載波信號接收質(zhì)量差,即信號的信噪比低。當(dāng)相鄰點(diǎn)之間距離較近時,由于電離層折射誤差影響具有很強(qiáng)相關(guān)性,利用差分處理方式會使無論單頻接收機(jī)或雙頻接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)受電離層折射誤差修正的殘差影響都很小。所以,此時僅利用質(zhì)量好的L1載波觀測值進(jìn)行解算(單頻解)時其結(jié)果自然較好。而同時利用L1、L2載波觀測值進(jìn)行解算(雙頻解)時,由于L2載波信號質(zhì)量差,其解算結(jié)果自然受到影響。

所以在城市建設(shè)或各項工程建設(shè)中可以針對任務(wù)的具體情況充分發(fā)揮單、雙頻接收機(jī)的各自優(yōu)勢,達(dá)到提高工作效率、經(jīng)濟(jì)效益并有效提高控制網(wǎng)的可靠性及精度的目的。

1.2 觀測時間的選擇及其在實際應(yīng)用中的靈活掌握

在GPS測量定位中所謂最佳觀測時段即是衛(wèi)星與觀測站所組成的立體幾何圖形強(qiáng)度相對最好(即PDOP值或 GDOP值最小)的時間。在 GPS測量相對定位中當(dāng)相鄰點(diǎn)之間存在有大的障礙物,影響衛(wèi)星信號的接收時還要考慮相關(guān)精度因子RDOP值的大小。這是由于RDOP值能客觀地反映在整個觀測時段內(nèi)所測衛(wèi)星的幾何圖形強(qiáng)度對相對定位精度的影響。

在實際工作中,施測控制網(wǎng)觀測時段長短主要取決于所建立控制網(wǎng)等級在相應(yīng)規(guī)范中的具體要求。在長期 GPS測量實踐中經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)隨著觀測時間的延長基線向量的解算精度會提高,開始時提高的較快,但是隨著觀測時間的繼續(xù)延長精度提高的幅度隨之減弱[9-10]。還會發(fā)現(xiàn)有時雖然觀測時段較短但如果是選擇在較好的觀測時間內(nèi)進(jìn)行觀測,其測量結(jié)果仍然可以獲得較高的基線解算精度,完全可以滿足有關(guān)規(guī)范一定等級(如D級或三等)的精度要求。利用三臺南方9600接收機(jī)(單頻)對圖2所示的控制網(wǎng)B進(jìn)行施測,觀測時段約為60 m in?，F(xiàn)對所獲得的三條基線向量采用不同時間段分別進(jìn)行解算,并將解算結(jié)果列于表3中,對結(jié)果進(jìn)行分析可有效說明這一點(diǎn)。

圖2 GPS控制網(wǎng)B

表3 觀測時段長短不同時基線解算精度比較分析

參考有關(guān)文獻(xiàn)并結(jié)合以上分析提出2點(diǎn)建議:1)當(dāng)施測D級或以下等級控制網(wǎng)并且相鄰點(diǎn)間的距離在幾公里或十公里左右時,當(dāng)選擇較好的觀測時段而且衛(wèi)星信號接收條件良好時進(jìn)行 GPS觀測,必要觀測時段的長度可以比規(guī)范規(guī)定的時間減少1/4甚至1/3。這可以有效地提高工作效率。

2)在野外施測時當(dāng)有個別接收機(jī)電池沒電提前終止觀測,或者有個別接收機(jī)遲到比其他觀測站晚開機(jī)幾分鐘時,如果其基線解算的各項精度指標(biāo)都能滿足規(guī)范中相應(yīng)等級的要求,可以不必重測,以減少成本投入,達(dá)到提高工作效率和經(jīng)濟(jì)效益的目的。

2 結(jié) 論

本文針對衛(wèi)星控制網(wǎng)觀測方案優(yōu)化設(shè)計中的2個問題進(jìn)行較深入地研討:1)利用實際觀測數(shù)據(jù)研究證實當(dāng)距離在幾公里至十幾公里時 GPS單頻接收機(jī)解算結(jié)果精度要高于 GPS雙頻接收機(jī)的解算結(jié)果精度,并給予了客觀合理的解釋;2)針對建立較低等級的 GPS控制網(wǎng)時必要觀測時間的問題進(jìn)行了研討,獲得了對指導(dǎo) GPS測量實際應(yīng)用有益的結(jié)論。作者認(rèn)為隨著衛(wèi)星定位技術(shù)的飛速發(fā)展,基于衛(wèi)星定位技術(shù)建立各種用途控制網(wǎng)時,在優(yōu)化設(shè)計中的許多問題還有待進(jìn)一步的研究和探討。

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Research on building observational program optim ization of GPScontrol network

GUO Ying-qi1,ZHANG Zhen-hai2,WANG Yang3
(1.Department of Surveying and Mapping Engineering,Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050,China;2.The Sixth Geolongical Exp lo ration Institute of Heilongjiang Province,Jiamusi 154002,China;3.China Water Resources Beifang Investigation,Design and Research Company Limited,Tianjin 300222,China)

It has been w idely used for the GPS technology in various purposes survey control network.The paper aim s at the op timal design of GPSobservation scheme before GPS control network should be carried out,and the focus is on two issues including GPS observation time and receiver working conditions.The testing data show s that it is important to choose observation time and GPS receiver for the network quality control.The resultof GPS relating testing could be helpful for both GPS in-dep th study and GPShigh-p recision app lications.

GPS positioning;control network;observation time;baseline accuracy

P228

A

1006-7949(2011)03-0012-03

2010-07-12

地理空間信息工程國家測繪局重點(diǎn)實驗室經(jīng)費(fèi)資助項目(200917)

郭英起(1963-),男,副教授.

[責(zé)任編輯張德福]