山区一级GPS控制网测量实践

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【摘  要】：本文通过对山区一级GPS施测过程的叙述，提出保证精度、减少误差、提高效率的方法。
【关键词】：一级GPS控制网；精度；效率

    山区地形起伏较大，待定点间通视、近地面大气密度、透明度、折光影响成为以往导线测量、三角测量、高程引测的很大障碍，而网形设计，传算边角观测的各项误差也限制着成果的精度。GPS测量由于全天候、精度高、省费用等鲜明优点，已成为目前测绘单位首选基础控制测量方式。特别相对定位的精度基本上与待定点间构成网形无关以及不需通视等，使得GPS测量具有很大的灵活性。本文着重叙述了在山区施测一级GPS过程，保证精度、减小误差、提高效率的方法。日前我院受瑞安市规划建设局委托，为了满足瑞安市农村村庄规划和建设的需，要施测瑞安市境内50个村约10平方公里1：500比例尺地形图。
    该测区处于东经120°15′至120°33′范围内，以山区地貌为主，村庄多分布在山岙里且比较分散，相距1～10公里不等，但多数村庄均有沥青或水泥路可到达。为满足1：500比例尺数字化地形图施测，本测区在四等以上平面控制点基础上，直接布设一级GPS网作为基础控制，原则上每平方公里不少于16个固定点。由1：70000比例尺瑞安市行政区划图可知施测的50个村约分布在500平方公里范围内。
    由于以上客观原因，为满足数字化地形图施测以及点位精度，我院决定采用标称精度：水平精度为5mm+1ppm*D，高程精度为10mm+2ppm*D的南方测绘仪器公司四台套北极星9600型GPS测量系统，采用静态相对定位的作业模式施测。
一、网形设计
    已有资料：测区内有3个1998年同网平差的已知四等控制点，采用1954年北京坐标系参考椭球几何参数，中央子午线经度120°。
    此控制网施测目的是为了满足进一步加密控制和数字化地形图施测的需要。依据CJJ73-97《全球定位系统城市测量技术规程》简称规程，考虑到村庄相距较远且多分散在山脚、山岙，原则上每个村庄布设3个点且其中2个点保证通视。计划布设124个未知点，采用点连式作为该网的基本图形。综合误差传播定律、布点构成的网形几何强度，为使GPS网进行约束平差后点位坐标精度的均匀性以及减少尺度比误差影响，对已知等级控制点除纳入整网观测外，也适当构成长边图形。相距已知点较远的未知点、网边缘地区的未知点一般采用边连式，以增加重复基线、非同步图形闭合条件。这样既减少外业工作量、降低成本，又保证网的几何强度，提高网的可靠性指标。
二、GPS测量的外业实施
    使用南方测绘仪器公司北极星9600型GPS测量系统采用静态相对定位的作业模式施测。因该网设计时相邻距离在10公里内：
     1、分析GPS短基线测量的主要误差来源
    对于短基线来说，由于基线两端点之间的距离较短，数据处理时采用差分的形式。电离层和对流层对信号的延迟对基线两端点的影响大致相同，星历误差对短基线的两个测站的影响基本相同，均可忽略。因此短基线测量的主要误差来源：多路径误差，天线相位中心位置的偏差，接收机的位置误差，地面起始点的误差，卫星的PDOP值。
    2、选点、观测、数据处理
    (1)、选择合适站址的目的主要消除GPS信号的传播误差，北极星9600型接收机内置扁平微带有源高增益天线和抑制板已有效抑制截止高度角（通常15°）以下反射波，显著削弱多路径误差。但是由于村庄多分散在山脚、山岙，且3、4层建筑物林立，为满足村庄数字测图需要，除依据CJJ73-97《全球定位系统城市测量技术规程》关于选点的要求外，因客观原因不可避免有部分点选择在山坡或存在障碍现象的。对于周围有高于10°障碍物的点必须绘制GPS点的环视图。
    (2)、观测
    观测时段：基线长度原则上在5公里以内观测45分钟，5～10公里观测60分钟。采样间隔15秒，高度截止角15°。
    观测实施：根据近一个月星历预报，选择卫星的PDOP值较小的时段观测同时根据具体点位情况、参考GPS点环视图、基线长度等因素制定观测计划和每天观测表。特别小组成员可根据实地情况建议，由组织协调人员现场有选择增加观测时段长度。
    (3)、数据处理
    每天观测结束，下载观测数据。按规程、技术设计及时对外业全部资料全面检查和验收，包括：成果是否符合调度命令和规程要求，观测数据质量分析是否符合实际。
    采用随机软件进行基线处理，以合格双差固定解作为本次短基线处理的合格解。对于软件未能解算出合格解的基线的处理，可改变解算条件重新解算：①改变历元间隔。采集高质量的载波相位观测值是解决周跳问题的根本途径，适当增加采集密度是诊断和修复周跳的重要措施。对基线同步观测时间较短，可缩小历元间隔，让更多的数据参与计算；若基线同步观测时间长，可增加历元间隔，减少含有质量差数据参与计算；若数据周跳较多时，可增加历元间隔，使解算时跳过中断的数据继续解算。根据点位环视图有障碍，可增大高度截止角、减少历元间隔。②改变高度截止角。同步观测时间较长，观测卫星较多、GDOP较小，根据点位环视图有障碍，增加高度截止角解算；若同步观测时间短，软件默认解算条件下观测卫星不足，GDOP较大，点位环视条件好时可降低高度截止角解算。③禁用无效历元。参考基线解算报表，对于卫星的健康状况恶劣，卫星信号经常失锁，整周模糊度搜索失败，禁用无效历元，同时注意同一时段观测值的数据剔除率小于数据总量的10℅。顾及时段中信号间断引起的数据剔除、劣质观测数据的发现及剔除、星座变化引起的整周未知参数的增加等，重新解算。
    然后对所有解算出合格固定解的基线进行检核：①每个时段同步观测数据的检核；②重复观测边的检核；③同步观测环检核；④异步环检核。当发现以上各步检核超过限差，应分析原因，平差处理后单位权中误差一般值为0.05周以下；短基线双差实数解、双差固定解之间的基线向量坐标通常要求其差小于5cm。
    (4)、野外返工
    对经过检核以及综合分析各种客观因素基础上超限的基线，进行野外返工。由于控制面积大、交通不便等因素应分步考虑返工：①无论何种原因造成一个控制点不能与两条合格独立基线相连结，则纳入第二天观测计划，适当调整观测网形补测或重测不少于一条独立基线。②对舍弃（在复测基线边长较差、同步环闭合差、独立环闭合差检验中超限的）基线后的独立环所含基线数超过10时；由于点位不符合GPS测量要求而造成一个测站多次重测仍不能满足各项限差技术规定时。在整网观测完后重测基线、有关同步图形或按技术设计要求另增选新点进行重测。
三、总结
    针对影响山区一级GPS测量的客观因素，认真分析主要误差来源，选择设计合适的网形，经过小组成员的共同协作，参考星历预报，GPS点环视图、基线长度，特别是观测小组成员现场反馈的测站信息，有选择变更观测时段长度甚至待定点位置可有效减弱山区交通、地形给GPS测量带来的不利因素，保证精度的基础上，减少外业工作量、提高效率、降低成本。

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