高精度GPS测量成果质量检验软件研发①

李 冲,谭 理,曾衍伟,黄观文,何鑫星

(1.武汉大学测绘学院,湖北武汉430079;2.国家测绘产品质量监督检验测试中心,四川成都610041;3.长安大学地质工程与测绘工程学院,陕西西安710054)

0 引 言

目前,很多城市都已建立了高精度现代三维基准[1],其成果都是采用高精度GPS数据处理手段进行,而且城市地面沉降监测[2-3]、建筑物变形监测、地质灾害滑坡监测等关系国计民生的重大项目都普遍采用高精度的GPS定位技术。因此,如何科学检验、公正评价高精度GPS测量成果的质量是测绘界乃至社会公众都高度关注的重要问题。而国内关于GPS测量成果质量检验方面的工作大多采用传统的人工检验手段,这种方法效率较低、出错率高。目前随着大量GPS成果质量检验工作的逐渐开展,迫切需要一种自动化的、高精度的质检工具来代替传统落后的质检方法。因此,作者结合多年的实际质检工作经验,从GPS原始观测、基线解算、后处理平差等多角度入手,研制开发了一套多功能GPS成果质检软件。该软件可以大大提高GPS质检工作的效率,节省人力、物力。

1 高精度GPS测量成果质量检验内容及方法

由于高精度GPS测量成果的质量主要依赖于GPS原始观测数据质量、基线解算精度、网平差精度等三个方面,因此高精度GPS测量成果质量检验内容主要包括以下三个方面。

1.1 GPS原始观测数据质量

GPS原始观测数据质量直接关系到后续基线解算和平差后处理的成果精度,因此,对于高精度GPS成果检验而言,首先要对GPS原始观测数据进行质量控制。而观测数据主要从观测时间长度、观测卫星总数、数据可利用率、多路径误差、钟漂、信噪比等方面进行质量检查。目前TEQC软件已经能够给出这些评价指标的数值,被普遍用于GPS原始观测数据的质量检查。但其具有很多缺陷:如界面为DOS、不够友好、操作不便;提取的指标均归于一个文件,不利于查询;研究开发了GPS原始观测数据质量检验模块,实现对影响GPS原始观测数据质量的各项指标的自动化检查及质量评价。

1.2 GPS基线解算成果质量

由于高精度GPS基线解算涉及的各种参数设置复杂,而高精度GPS基线解算质量又对最终的GPS坐标成果质量起至关重要的作用。因此,从同步环闭合差、异步环闭合差、复测基线较差、基线重复率、相邻点基线分量中误差等方面进行质量检查,并对解算模型,解算参数设置进行符合性检查。同时研究开发了GPS基线解算成果质量检验模块,实现对上述指标的自动化检查及评价。

1.3 GPS测量平差成果质量

对于不同的GPS网平差软件,由于数据处理时采用的数学模型不同,使得平差结果存在一定的差异。这种差异在高精度GPS网平差中尤为明显,且商用的GPS网平差软件大多不能完整输出规范要求的各项精度指标,同时其精度结果是否会因为考虑的必要观测数不同而产生虚高无法准确判定,同时由于其报告结果可人为修改等,给科学客观评价其成果质量带来一定难度。因此,本文开发了一套高精度的GPS网平差软件。该软件采用严密的测量平差模型,并对平差成果进行严格的统计检验,同时按照不同等级的规范要求,能够输出完整的质检报告。经大量的数据测算表明,该软件的平差成果可作为检测成果进行质量检验。

2 高精度GPS测量成果质量检验软件开发

通过对GPS测量成果的各个环节技术和指标进行深入研究和分析,利用高级程序开发语言,开发了一套高精度GPS测量成果质量检验软件(HGQCS 1.0),用于取代常规的人工质量检查工作。

HGQCS 1.0软件的总体技术路线如图1所示。

图1 HGQCS 1.0软件总体技术路线

该软件的技术关键是基线文件的读取、处理、质量检查及高精度GPS网平差模块的编制。软件在实现这些功能时的简要步骤如下:

1)首先对基线文件进行数据预处理,主要包括基线数据粗差检验等;然后选择基线向量以及相应协方差阵组成基线网,计算GPS闭合环闭合差、重复基线较差、基线重复率、以及基线精度统计信息等,并输出基线质量检查报告。

2)对精度检查通过的基线,采用加权平均路径最短的方式选择独立基线向量进行无约束平差,平差过程中引入抗差估计以消除隐蔽粗差对平差结果的影响[6-9];对无约束平差后基线向量的改正数按照规范中相应GPS网等级要求进行质量检查及判定。

3)对通过无约束平差质量检验的GPS向量网,根据已知约束条件,确定正确的基准模型[6];根据GPS网的性质考虑是否选择附加系统参数[7]进行平差,从而确定合适的平差模型;然后对GPS网进行约束平差计算,输出平差后的单位权中误差、点位中误差以及基线改正数、坐标改正数等信息。最后,与GPS规范相应等级的精度指标进行比较,输出包括多项检验指标以及质量评价结果的平差报告[10]。

3 软件特点

HGQCS 1.0软件通过对GPS原始观测数据、基线解算数据、GPS网平差成果三个方面进行自动化质量检查,涵盖了GPS网观测质量、计算质量、数学精度三大质量特性,检查内容全面,且全部采用程序进行自动化检查,减少了人工干预,检查结果能够真实准确反映GPS网的质量情况。为保证检测成果计算的可靠性,在高精度GPS网平差模块,还包含以下创新特色。

1)提出加权平均路径最短的最优独立基线选取方案,解决了高精度GPS网平差时必须考虑基线相关性的问题,使得平差结果更加真实,精度评价更加准确[11-12]。

2)软件中引入双因子等价权相关抗差估计理论,有效地消除或削弱了GPS基线观测值中隐蔽粗差对平差结果的影响[13-14]。

3)针对高精度GPS平差过程中不同解算模型之间存在的差异,在常规模型的基础上附加了系统参数的平差模型来进行高精度GPS网平差,有效地解决了GPS网中存在系统误差和不同基准模型对平差结果产生影响的问题,使得解算结果更加精确 、可靠[2、6]。

4)实现了对GAMIT高精度基线O文件、T rimble的ASC基线文件、Bernese的CRD文件等多种软件解算的基线成果的读取与处理。

5)软件中植入了GPS测量规范对不同等级GPS网的观测数据、基线数据、平差成果等各项精度指标要求,并在检查过程中可以实时提取,自动比对。

4 软件测试情况

为测试研制的高精度GPS测量成果质量检验软件的实用性和正确性,对该软件进行了多个测试实验,下面以某城市高精度GPS网的成果质量检验为例,来验证软件的有效性。

该GPS网按规范中C级的要求布设,共布设20个测量点,各测量点平均观测3个时段,每个时段连续观测时长不低于8 h,基线解算及网平差采用GAMIT/GLOBK软件处理,成果的质量检验采用编制的HGQCS1.0软件进行。

部分原始观测数据的质量检验结果如图2所示。

利用HGQCS软件检验的基线重复率结果如图3所示。

图2 原始观测数据质量检验结果

图3 基线重复率计算结果

从图4可以看出,除1条短基线的基线重复率结果超过3 mm外,其他绝大多数基线的重复率值均小于3mm,这表明该GPS网的基线解算结果质量优良。

利用HGQCS软件检验的基线闭合环质检报告[10]如表1所示。

表1 闭合环质检报告(等级:C级)

利用HGQCS软件检验的基线精度信息统计报告[10]如表2所示。

表2 基线精度信息统计报告(等级:C级)

HGQCS软件的网平差成果与提验的GLOBK软件平差成果点位精度比较如图4所示。

HGQCS的检测结果与提验成果总的点位坐标差异如图5所示。

图4 精度检测结果与提验成果的精度比较

由上图可以看出,除一个离测区较远的控制点外,检测成果与提验成果绝大部分的点位差异小于5 mm。扣除异常点外,统计两种成果的坐标差信息,其均值为2.5 mm,标准差为1.9 mm。统计结果一方面说明该GPS网的平差成果质量可靠,另一方面也说明研制的HGQCS与GLOBK的平差精度相当。

图5 检测成果与提验成果总的点位坐标差异

5 结 论

通过调研分析、试验计算,确定了高精度GPS测量成果质量检查应包含的内容以及相应的检查技术和方法,开发了针对高精度GPS测量成果的质量检查软件HGQCS 1.0,实现了对GPS原始观测数据质量进行自动化检查及评价,对高精度GPS基线解算成果的质量检查及评价,对高精度GPS网平差等功能。由于GPS技术已广泛应用于测绘行业,GPS成果的质量检验与评价工作量巨大,该软件的开发对开展GPS测量成果质量的检验工作具有重要的经济价值和社会效益。

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