劉偉

摘要:結(jié)合靜態(tài)GPS測量的基本原理和相關(guān)測量規(guī)范,使用中海達(dá)HDS2003數(shù)據(jù)處理軟件,探討靜態(tài)GPS控制測量數(shù)據(jù)處理的過程。對于一些常見的問題,提出解決的方法。

關(guān)鍵詞:靜態(tài)GPS控制網(wǎng)基線向量二維平差高程擬合

中圖分類號:P2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)04(c)-0019-02

GPS定位測量是接收GPS衛(wèi)星信號實現(xiàn)空間定位的一種高新測量技術(shù)。一般而言,GPS具有全天候作業(yè)、觀測操作簡便、布網(wǎng)自由、觀測與數(shù)據(jù)處理自動化程度高、同時提供三維坐標(biāo)、定位精度高等特點。鑒于靜態(tài)GPS測量的特點,在等級控制測量中,靜態(tài)GPS測量得到了廣泛的應(yīng)用。目前GNSS高精度數(shù)據(jù)處理軟件有GAMIT和Bernese等,數(shù)據(jù)處理較繁瑣。但用于低等級的GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理,一般用GPS廠家提供的隨機(jī)軟件結(jié)合相關(guān)規(guī)范規(guī)程,就能滿足生產(chǎn)需要。本文就利用HDS2003軟件進(jìn)行GPS控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理為例,對靜態(tài)GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的方法進(jìn)行探討。

1新建數(shù)據(jù)處理的工作環(huán)境

新建項目的主要目的是輸入靜態(tài)GPS網(wǎng)處理基本參數(shù),建立數(shù)據(jù)處理的環(huán)境。在數(shù)據(jù)處理之前,必須明確以下幾項內(nèi)容。

(1)項目所需要的坐標(biāo)系統(tǒng)、中央子午線和高程系統(tǒng)。(2)已知點的坐標(biāo)系統(tǒng)、中央子午線和高程系統(tǒng)。(3)根據(jù)項目技術(shù)設(shè)計,本GPS網(wǎng)是什么等級或主要技術(shù)指標(biāo)。

通常情況下,項目所需要的坐標(biāo)系統(tǒng)、中央子午線和高程系統(tǒng)和已知點的坐標(biāo)系統(tǒng)、中央子午線和高程系統(tǒng)是一致的。若不一致,需坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

以HDS2003為例介紹工程項目文件建立過程。(1)選擇文件夾存貯的位置和名稱。(2)按實際情況的輸入項目細(xì)節(jié)。(3)選擇數(shù)據(jù)處理的依據(jù)和控制網(wǎng)等級。(4)選擇坐標(biāo)系統(tǒng)和設(shè)定中央子午線。

將中海達(dá)GPS下載的原始文件拷貝到新建的文件夾下,在軟件中可直接導(dǎo)入。外業(yè)采用非中海達(dá)天線,需使用該機(jī)原配傳輸軟件下載數(shù)據(jù),再用原配數(shù)據(jù)軟件轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)RINEX格式。比如:南方GPS和中海達(dá)GPS同時觀測時,南方GPS應(yīng)該用南方的軟件傳輸和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換,因為南方的軟件內(nèi)置了南方天線的參數(shù)。

2基線解算

2.1 基線精度評定指標(biāo)

GPS網(wǎng)相鄰點間弦長中誤差按下式計算:。式中(mm)為固定誤差;(ppm)為比例誤差系數(shù);(km)為相鄰點間的距離。

各等級GPS網(wǎng)的主要技術(shù)要求(以《全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程CJJ7397》為例)如表1。

值是GPS精度指標(biāo)的基礎(chǔ),基線精度限差都是計算得出。主要限差有:RATIO、整數(shù)解誤差、同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差和重復(fù)基線較差。

2.2 基線的選擇組網(wǎng)

在傳統(tǒng)的三角測量的中,對網(wǎng)形的邊長和夾角有嚴(yán)格的要求,而在靜態(tài)GPS測量規(guī)范中,對網(wǎng)形沒有如此嚴(yán)格的規(guī)定。以致于許多測繪人員在布網(wǎng)時,對網(wǎng)形不是很重視。其實對于靜態(tài)GPS網(wǎng)來說,網(wǎng)形一樣很重要,因為網(wǎng)形不好會導(dǎo)致環(huán)閉合差偏大,不易通過檢驗。

在靜態(tài)GPS測量中,為了提高效率通常使用多臺GPS同時觀測,有時多達(dá)10臺。因同步的GPS接收機(jī)數(shù)量多,產(chǎn)生基線的數(shù)量大。為了提搞數(shù)據(jù)處理效率,簡化網(wǎng)形。簡化網(wǎng)形最主要方式就是禁用多余基線。在實際軟件操作中,不宜刪除基線,而使用禁用功能。因為刪除是不可逆的,而禁用基線后還可以解除禁用。最簡閉合環(huán)邊數(shù),可參考規(guī)范。

《全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程CJJ7397》中關(guān)于閉合環(huán)的最多邊數(shù)規(guī)定如表2。

比如四等網(wǎng),規(guī)范規(guī)定不大于10條邊,根據(jù)經(jīng)驗在實際工作中最簡閉合環(huán)邊數(shù)不宜超過6條邊的。在軟件實際解算時,往往只列出三邊閉合環(huán)結(jié)果,實際上多邊閉合環(huán)可理解為是若干個三邊閉合環(huán)的組合,而且精度普遍較高,與規(guī)范規(guī)程并不沖突。

(1)邊緣部份需有基線連接,如圖1 IA947～I(xiàn)A939之間。

(2)基線跨越了多點,需禁用。如圖1 IA900～I(xiàn)A895之間的基線。

(3)基線形成了小夾角或長短邊。通常夾角不宜小于30°,相鄰邊長長度比例不宜超過1∶3或3∶1。如圖1IA900～I(xiàn)A903,夾角太小宜禁用。

2.3 粗差數(shù)據(jù)的刪除

粗差數(shù)據(jù)的刪除需借肋殘差圖工具,粗差數(shù)據(jù)的刪除是靜態(tài)GPS數(shù)據(jù)處理的核心部分。在GPS接收數(shù)據(jù)時,受電離層、多路徑效應(yīng)和無線電干擾等影響,會出現(xiàn)粗差數(shù)據(jù)。在基線處理時,刪除粗差數(shù)據(jù)主要遵循以下原則:(1)先看殘差圖的總體情況,再逐一刪除與標(biāo)準(zhǔn)值偏離較遠(yuǎn)的數(shù)據(jù),宜每刪除一段數(shù)據(jù),就處理一次。(2)同一個時段的基線使用同一個參考衛(wèi)星,通常軟件會自動選擇。(3)衛(wèi)星高度不夠,時間不長的數(shù)據(jù)需刪除,從理論上講4個衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)就能得到固定解。(4)盡量不要從中間冊除衛(wèi)星數(shù)據(jù),以保證數(shù)據(jù)完整性。

2.4 閉合差超限處理

在軟件中操作中,閉合差的計算是通過捜索閉合環(huán)來實現(xiàn)的。軟件已內(nèi)置規(guī)范各項指標(biāo),在處理的過程中若超限,有相應(yīng)的提示,需重新處理基線。處理基線和捜索閉合環(huán),這一過程需反復(fù)進(jìn)行。HDS2003中閉合差計算比規(guī)范嚴(yán)格,如果軟件提示超限后,可根據(jù)相關(guān)規(guī)范自行計算限差判斷是否超限。

3三維無約束平差

GPS網(wǎng)的無約束平差指的是在平差時不引入會造成GPS網(wǎng)產(chǎn)生由非觀測量所引起的變形的外部起算數(shù)據(jù),主要作用有以下幾個方面:評定GPS網(wǎng)的內(nèi)部符合精度,發(fā)現(xiàn)和剔除GPS觀測值中可能存在的粗差;得到GPS網(wǎng)中各個點在WGS-84系下經(jīng)過了平差處理的三維空間直角坐標(biāo);為將來可能進(jìn)行的高程擬合,提供經(jīng)過了平差處理的大地高數(shù)據(jù)。

在三維無約束平差中,最重要一個指標(biāo)是T檢驗,限差小于1。T檢驗不合格就說明GPS內(nèi)還有粗差數(shù)據(jù),主要原因為為:(1)網(wǎng)形不合理存在明顯的長短邊和小夾角。(2)基線處理時,有粗差數(shù)據(jù)沒有刪除。(3)處理同一個時段的基線時,沒有使用同一組衛(wèi)星。

在平差時,軟件會提示某條基線T檢驗超限,實際情況是與此基線所在同一閉合環(huán)的基線都可能有問題。處理時相關(guān)基線可重解算或調(diào)整網(wǎng)形,禁用誤差大的基線。這一個過程也有是一個反復(fù)的過程,需要有耐心調(diào)整基線和網(wǎng)形。

4二維約束平差

已知點是二維約束平差的依據(jù),三維無約束平差合格說明GPS網(wǎng)本身精度已合格,要轉(zhuǎn)換成當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)還需輸入已知點。輸入已知點后,通過參數(shù)計算可知已知點殘差,從殘差數(shù)值可得出各已知點與GPS網(wǎng)形的適應(yīng)性。從而達(dá)到檢查已知點的目的。使用HDS2003軟件平差結(jié)束時,超限會提示。在二維約束平差中最重要指標(biāo)是二維平差基線邊的相對中誤差和點位中誤差。這些指標(biāo)在平差報告中有明確的顯示,可根據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行精度的評定。

5高程擬合

GPS直接觀測值為大地高,而我們實際運的高程為正常高。通常我們通過水準(zhǔn)聯(lián)測方法得到測區(qū)部分控制點的正常高,與GPS大地高對比。得出這部分點的高程異常,據(jù)此采用一定數(shù)學(xué)模型,推算其它控制點正常高的過程,即高程擬合。這個過程有兩個關(guān)鍵的地方,聯(lián)測水準(zhǔn)點在整個測區(qū)的分布和數(shù)量。HDS2003中有三種擬合方式:平移、平面擬合和曲面擬合。只有一個或兩個已知高程點,只能選擇平移;3個到5個已知高程點可選擇平面擬合;6個以上已知高程點可選擇曲面擬合。

在實際工作中,據(jù)經(jīng)驗若要達(dá)到等外水準(zhǔn)的精度,測區(qū)的四周及中央要均勻分布水準(zhǔn)點。聯(lián)測水準(zhǔn)的GPS點一般需占總數(shù)的30%以上。平差后首先要進(jìn)行內(nèi)符合精度檢查,再進(jìn)行外符合精度檢查。在平差時選擇幾個水準(zhǔn)聯(lián)測點不要輸入水準(zhǔn)成果,平差后的高程成果與水準(zhǔn)成果對比,即水準(zhǔn)擬合外符合精度檢查。若高程較差小于4cm～5cm,可視為已達(dá)到等外水準(zhǔn)精度。最后將檢查點的水準(zhǔn)高補(bǔ)輸入軟件中,重平差。

6結(jié)語

對于普通工程測繪人員講,主要從事GPS-D或E級,以及更低級的控制測量,掌握廠家附送的商業(yè)軟件,足以應(yīng)對工程測量的控制工作。其它GPS廠家如南方、華測和天寶也有靜態(tài)處理軟件,但大同小異。一般數(shù)據(jù)處理流程為,新建數(shù)據(jù)處理的工作環(huán)境、基線解算、閉合環(huán)組網(wǎng)、三維無約束平差、二維無約束平差和高程擬合。根據(jù)規(guī)范的精度指標(biāo),基線解算、閉合環(huán)組網(wǎng)和三維無約束平差需反復(fù)多次,達(dá)到精度指標(biāo)為止,這一個過程也是數(shù)據(jù)處理的核心部份。二維平差和高程擬合除觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量外,與起算點本身精度也有直接關(guān)系。在精度不達(dá)標(biāo)時,一定要分清GPS網(wǎng)本身精度不足,還是起算點精度不足。只有準(zhǔn)確判斷精度不達(dá)標(biāo)的原因,才能確定下一步的數(shù)據(jù)處理方案。若GPS網(wǎng)本身精度不足,應(yīng)該重新處理相關(guān)基線,重新組網(wǎng)。若起算點精度不足,應(yīng)該找出精度不足的一個或多個點,刪除或更換。

參考文獻(xiàn)

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