周曉衛(wèi)，胡明，匡志威，劉鵬程

(長(zhǎng)沙市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

1 引 言

GPS全球定位系統(tǒng)具有精度高、全天候以及不受測(cè)點(diǎn)通視條件限制的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于工程測(cè)量、大地測(cè)量、航空航天測(cè)量、遙感等各個(gè)測(cè)量領(lǐng)域[1]。特別是在控制測(cè)量工作中，GPS幾乎完全取代了常規(guī)測(cè)量方法[2]。

實(shí)際應(yīng)用表明，GPS控制測(cè)量精度主要受三方面因素的影響：基線(xiàn)的測(cè)量精度、控制網(wǎng)的幾何圖形強(qiáng)度和地面起算點(diǎn)的精度[3～7]?；€(xiàn)測(cè)量精度的提高，可以通過(guò)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間獲得；網(wǎng)的幾何圖形的增強(qiáng)，可通過(guò)增加控制點(diǎn)個(gè)數(shù)及優(yōu)化控制網(wǎng)網(wǎng)型獲得。而延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間或增加控制點(diǎn)個(gè)數(shù)，勢(shì)必增加測(cè)量成本，影響經(jīng)濟(jì)效益。

當(dāng)?shù)孛嫫鹚泓c(diǎn)坐標(biāo)含有粗差或精度較低時(shí)，不僅會(huì)使單位權(quán)方差估值不準(zhǔn)確，而且還會(huì)使GPS觀測(cè)得到的高精度成果受到歪曲。起算點(diǎn)坐標(biāo)的誤差對(duì)待定點(diǎn)的影響是系統(tǒng)性的[8]，起算點(diǎn)誤差越大，待定點(diǎn)誤差也越大，同時(shí)帶有誤差的起算點(diǎn)個(gè)數(shù)及分布不同對(duì)GPS網(wǎng)點(diǎn)的平差坐標(biāo)影響也不同。因此，提高起算點(diǎn)的精度和準(zhǔn)確度，對(duì)控制測(cè)量工作至關(guān)重要。

隨著GPS技術(shù)的發(fā)展，很多省份或地區(qū)都布設(shè)了CORS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高精度、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸及應(yīng)用。而通過(guò)CORS基站的精確坐標(biāo)、長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)的原始數(shù)據(jù)以及空間相關(guān)誤差理論[8]，推估生成網(wǎng)內(nèi)任意虛擬測(cè)站，作為工程控制網(wǎng)的起算點(diǎn)或者結(jié)點(diǎn)，不僅提高了起算點(diǎn)的可靠性，優(yōu)化了控制網(wǎng)的網(wǎng)型，而且也減少了觀測(cè)成本，提高了工作效率和經(jīng)濟(jì)效益。

本文針對(duì)CORS系統(tǒng)虛擬測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的生成原理，結(jié)合工程實(shí)例，詳細(xì)分析了該方法的測(cè)量精度和可靠性，對(duì)相關(guān)工作起到參考作用。

2 虛擬測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的生成原理及實(shí)現(xiàn)

2.1 虛擬測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的生成原理

GPS虛擬測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的生成是GPS定位的逆過(guò)程[9]。在生成GPS虛擬測(cè)站觀測(cè)值時(shí)，首先利用CORS基站的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算任意歷元GPS衛(wèi)星的三維位置、對(duì)流層延遲及電離層延遲等模型誤差；再根據(jù)虛擬測(cè)站的三維坐標(biāo)和設(shè)定的衛(wèi)星截止高度角計(jì)算該虛擬測(cè)站可觀測(cè)到的GPS衛(wèi)星，并計(jì)算出虛擬測(cè)站和可視衛(wèi)星之間的距離，獲取GPS模擬觀測(cè)值的真值；然后根據(jù)虛擬測(cè)站的位置以及參考站網(wǎng)絡(luò)的空間誤差線(xiàn)性?xún)?nèi)插得到空間相關(guān)誤差；并在距離真值上添加空間相關(guān)誤差、觀測(cè)噪聲、粗差及周跳等。最后根據(jù)觀測(cè)時(shí)間、采樣率等輔助信息把模擬得到的GPS觀測(cè)值以指定的數(shù)據(jù)格式輸出，其基本流程如圖1所示。

圖1 虛擬觀測(cè)數(shù)據(jù)生成流程

2.2 虛擬觀測(cè)數(shù)據(jù)的生成

長(zhǎng)株潭連續(xù)運(yùn)營(yíng)參考站系統(tǒng)(CZTCORS)，采用Trimble公司的Trimble Pivot Platform(TPP)作為系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)管理軟件。TPP軟件包含多個(gè)模塊，其中DataShop模塊可以根據(jù)指定的虛擬測(cè)站坐標(biāo)，生成虛擬觀測(cè)值。具體實(shí)現(xiàn)如下，在TPP軟件中選擇DataShop列表，在彈出的選擇框中輸入虛擬測(cè)站點(diǎn)的WGS84空間直角坐標(biāo)，擬生成觀測(cè)數(shù)據(jù)的采樣間隔，起始時(shí)間和時(shí)間長(zhǎng)度，輸出的數(shù)據(jù)格式等信息，即可快速生成指定點(diǎn)的GPS雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2虛擬測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的生成

3 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證CORS系統(tǒng)生成的虛擬測(cè)站靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用于GPS網(wǎng)平差方法的可靠性和可行性，利用長(zhǎng)沙市地鐵6號(hào)線(xiàn)的平面控制測(cè)量觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。該項(xiàng)目按照技術(shù)設(shè)計(jì)要求，根據(jù)地鐵線(xiàn)路走向，共布設(shè)C級(jí)精度的控制點(diǎn)43個(gè)，利用周邊已有高等級(jí)控制點(diǎn)6點(diǎn)。布設(shè)控制網(wǎng)如圖3所示。利用Trimble Business Center 2.60進(jìn)行基線(xiàn)解算，并利用科傻GPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)平差，并以此結(jié)果作為參考值進(jìn)行方案論證。

圖3 地鐵線(xiàn)路平面控制網(wǎng)示意圖

在原有的平面控制網(wǎng)四周，利用CZTCORS系統(tǒng)生成了10個(gè)虛擬測(cè)站(VR01至VR10)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，如圖4所示。并按照以下方案進(jìn)行了比較分析。

方案一：利用測(cè)區(qū)周邊的6個(gè)已知點(diǎn)，求解全網(wǎng)的未知點(diǎn)坐標(biāo)，并以求解的未知點(diǎn)坐標(biāo)作為參考值。

方案二：利用測(cè)區(qū)周邊的6個(gè)已知點(diǎn)，求解虛擬測(cè)站的坐標(biāo)，并與虛擬測(cè)站的真值進(jìn)行比較，如表1所示。

方案三：利用測(cè)區(qū)周邊的10個(gè)虛擬測(cè)站作為已知點(diǎn)，將測(cè)區(qū)周邊的6個(gè)已知點(diǎn)作為未知點(diǎn)，求解6個(gè)已知點(diǎn)的坐標(biāo)，并將求得的已知點(diǎn)坐標(biāo)與原值進(jìn)行比較，如表2所示。

方案四：利用測(cè)區(qū)周邊的6個(gè)已知點(diǎn)和10個(gè)虛擬測(cè)站點(diǎn)共同作為已知點(diǎn)，求解全網(wǎng)的未知點(diǎn)坐標(biāo)，并與方案一進(jìn)行比較，如表3所示；

方案五：利用測(cè)區(qū)周邊的10個(gè)虛擬測(cè)站點(diǎn)作為已知點(diǎn)，求解全網(wǎng)的未知點(diǎn)坐標(biāo)，并與方案一進(jìn)行比較，如表3所示；

方案六：利用測(cè)區(qū)周邊的部分已知點(diǎn)(A，C，D三點(diǎn))和10個(gè)虛擬測(cè)站點(diǎn)，如圖5所示，求解全網(wǎng)的未知點(diǎn)坐標(biāo)，并與方案一進(jìn)行比較，如表3所示。

圖4 增加虛擬測(cè)站的平面控制網(wǎng)示意圖

圖5 虛擬測(cè)站和含有部分已知點(diǎn)的平面控制網(wǎng)示意圖

虛擬站點(diǎn)位坐標(biāo)真值與計(jì)算值的差值統(tǒng)計(jì)表 表1

控制網(wǎng)中未知點(diǎn)點(diǎn)位坐標(biāo)差值對(duì)比統(tǒng)計(jì)表 表3

方案四至方案六解算的未知點(diǎn)平差結(jié)果精度統(tǒng)計(jì)如表4所示。

平差結(jié)果精度統(tǒng)計(jì)表 表4

如表1和表2所示，利用CORS系統(tǒng)生成的虛擬站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，與測(cè)區(qū)周邊已知點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)聯(lián)合平差，方案二和方案三的平差結(jié)果一致。即可以用虛擬測(cè)站替代已有控制點(diǎn)，參與控制網(wǎng)平差。

如表4所示，四種方案的最弱點(diǎn)中誤差精度都達(dá)到mm級(jí)，最弱邊相對(duì)中誤差也小于規(guī)范[10]規(guī)定的十萬(wàn)分之一的要求；方案四、五、六求得的未知點(diǎn)坐標(biāo)值與方案一求得的坐標(biāo)值的較差都很小，坐標(biāo)差值的均方根誤差小于 10 mm，坐標(biāo)差值最大值為 13.5 mm，小于規(guī)范[10]規(guī)定的‘重合點(diǎn)坐標(biāo)較差≤25mm’的要求；方案六，即組合測(cè)區(qū)內(nèi)部分已知點(diǎn)和虛擬點(diǎn)，共同作為已知點(diǎn)參與網(wǎng)平差，其結(jié)果與方案一更接近。

對(duì)比圖3、圖4和圖5可知，利用虛擬測(cè)站作為已知點(diǎn)進(jìn)行GPS網(wǎng)平差，已知點(diǎn)分布更加均勻，網(wǎng)型更加優(yōu)化。

4 結(jié) 論

對(duì)于工程測(cè)量中的中小型GPS控制網(wǎng)，可以通過(guò)CORS站生成虛擬測(cè)站作為起算點(diǎn)，其平差精度與傳統(tǒng)方法一致，精度可達(dá)mm級(jí)；而利用虛擬測(cè)站可以不需要在已知點(diǎn)上架設(shè)GPS，并且不受已知點(diǎn)位置和精度的限制，可以盡可能地增強(qiáng)控制網(wǎng)幾何圖形強(qiáng)度，同時(shí)減少外業(yè)工作量，提高工作效率。而CORS系統(tǒng)生成的虛擬測(cè)站與測(cè)區(qū)的距離對(duì)控制網(wǎng)精度的影響大小，以及CORS系統(tǒng)覆蓋區(qū)域內(nèi)和區(qū)域外生成的虛擬測(cè)站對(duì)控制網(wǎng)精度的影響大小，尚須作進(jìn)一步的研究。