建立 GPS控制网观测方案优化的研究

郭英起,张振海,王 杨

(1.黑龙江工程学院 测绘工程学院,黑龙江 哈尔滨 150050;2.黑龙江省第六地质勘察院,黑龙江 佳木斯 154002;3.中水北方勘测设计研究有限责任公司,天津 300222)

建立 GPS控制网观测方案优化的研究

郭英起1,张振海2,王 杨3

(1.黑龙江工程学院 测绘工程学院,黑龙江 哈尔滨 150050;2.黑龙江省第六地质勘察院,黑龙江 佳木斯 154002;3.中水北方勘测设计研究有限责任公司,天津 300222)

利用 GPS定位技术建立各种用途控制网已经相当普及。针对 GPS控制网建立前观测方案的优化设计进行研究,探讨接收机的适用条件以及 GPS观测时间的确定。实验数据证明接收机的选择和观测时间的确定对控制网控制质量是很重要的,实验分析结果既可为 GPS科研工作的深入研究提供参考,亦可为从事高精度 GPS测量生产应用提供借鉴。

GPS定位;控制网;观测时间;基线精度

目前,无论是建立全球、国家或者区域性高精度控制网,或是为工程建设和城市建设服务建立的局部性控制网,GPS卫星定位技术已经基本取代了常规测量定位方法[1]。GPS卫星定位技术以其布网灵活、操作简单、高效率、高效益和高精度等优点被广泛地应用于测绘、土地管理和森林调查等众多领域中。

然而,利用 GPS卫星定位技术建立各种用途控制网可以达到高效率、高效益和高精度等优点是以首先对 GPS网进行完善的优化设计(布网方案和观测方案)为前提的。可见对 GPS网进行优化设计是非常重要的环节[2-3],也是 GPS卫星定位技术在实际应用中一直都值得不断研究的内容。本文针对GPS网的优化设计中个别问题提出几点建议。

1 GPS网观测方案优化设计中的问题

利用GPS卫星定位技术建立控制网时基线向量的解算精度与多方面因素有关,其主要因素有观测时段的选择(即 GPS卫星与观测站所构成的立体几何图形强度 PDOP值的大小或相关精度因子RDOP值的大小)和观测时段的长短、卫星星历误差修正的残差(当使用广播星历时)、电离层折射误差修正的残差和对流层折射误差修正的残差等,而这些因素大多又与基线的长短密切相关。控制网的最终平差结果精度又取决于基线向量的精度、地面控制网的构成方式、控制网的规模大小以及数据处理软件的完善程度等因素。其中基线向量的精度是影响控制网最终平差结果精度非常重要的因素。

1.1 单、双频接收机观测数据精度分析

目前,在进行 GPS测量中使用的 GPS接收机有单频接收机和双频接收机2种,应该说二者各有其优点。单频接收机有体积小、重量轻、功耗低和其价格约为双频接收机的一半等优点。而双频接收机最突出的优点是利用双频改正技术可以非常有效地消除电离层折射误差的影响,尤其适合在大面积、相邻点间距离较远或很远的情况下进行 GPS卫星定位建立高精度控制网。

对于双频接收机由于其可以很好地消除电离层折射误差的影响,在相对定位中当距离较远(几十公里、几百公里甚至上千公里)时可以获得很好的测量定位结果,也被大量的测量实践所证实。小范围内建立控制网当相邻点之间距离较近(几公里最多十公里)时,单频接收机和双频接收机观测数据的精度可利用四台天宝5800接收机(双频)对图1所示的GPS控制网A进行施测,观测时段约为60 m in。现对观测数据进行解算并对解算结果进行分析。首先利用TGO软件对6条基线向量进行解算,解算时分单频(L1载波固定解)和双频(无电离层影响固定解)2种形式分别进行,每条基线解算结果的各参数列于表1中。

表1 各条基线解算结果的各参数比较分析

然后再分别进行自由网平差,最后利用01点、02点和04点拟合03点的坐标。这里 GPS控制网A中4个点在城市建设坐标系统内的坐标都是已知的。现将利用单、双频接收机观测数据进行拟合的结果列于表2中。

从表1可以看出,单频接收机观测数据的解算结果精度要高于双频接收机观测数据的解算结果精度。表2为利用单频接收机观测数据和双频接收机观测数据分别进行拟合平差计算获得的各点坐标值与原坐标值对比及其差值,很明显利用单频接收机观测数据拟合平差计算结果精度要好于利用双频接收机观测数据拟合平差计算结果精度。

图1 GPS控制网A

表2 单、双频接收机拟合结果比较分析

可以看出来,在小范围内建立控制网当相邻点之间距离较近(几公里最多十公里)时,单频接收机观测数据的精度要高于双频接收机观测数据的精度。经过分析,产生这种情况的主要原因是由于L1载波信号接收质量好,即信号的信噪比高。而L2载波信号接收质量差,即信号的信噪比低。当相邻点之间距离较近时,由于电离层折射误差影响具有很强相关性,利用差分处理方式会使无论单频接收机或双频接收机的观测数据受电离层折射误差修正的残差影响都很小。所以,此时仅利用质量好的L1载波观测值进行解算(单频解)时其结果自然较好。而同时利用L1、L2载波观测值进行解算(双频解)时,由于L2载波信号质量差,其解算结果自然受到影响。

所以在城市建设或各项工程建设中可以针对任务的具体情况充分发挥单、双频接收机的各自优势,达到提高工作效率、经济效益并有效提高控制网的可靠性及精度的目的。

1.2 观测时间的选择及其在实际应用中的灵活掌握

在GPS测量定位中所谓最佳观测时段即是卫星与观测站所组成的立体几何图形强度相对最好(即PDOP值或 GDOP值最小)的时间。在 GPS测量相对定位中当相邻点之间存在有大的障碍物,影响卫星信号的接收时还要考虑相关精度因子RDOP值的大小。这是由于RDOP值能客观地反映在整个观测时段内所测卫星的几何图形强度对相对定位精度的影响。

在实际工作中,施测控制网观测时段长短主要取决于所建立控制网等级在相应规范中的具体要求。在长期 GPS测量实践中经常会发现随着观测时间的延长基线向量的解算精度会提高,开始时提高的较快,但是随着观测时间的继续延长精度提高的幅度随之减弱[9-10]。还会发现有时虽然观测时段较短但如果是选择在较好的观测时间内进行观测,其测量结果仍然可以获得较高的基线解算精度,完全可以满足有关规范一定等级(如D级或三等)的精度要求。利用三台南方9600接收机(单频)对图2所示的控制网B进行施测,观测时段约为60 m in。现对所获得的三条基线向量采用不同时间段分别进行解算,并将解算结果列于表3中,对结果进行分析可有效说明这一点。

图2 GPS控制网B

表3 观测时段长短不同时基线解算精度比较分析

参考有关文献并结合以上分析提出2点建议:1)当施测D级或以下等级控制网并且相邻点间的距离在几公里或十公里左右时,当选择较好的观测时段而且卫星信号接收条件良好时进行 GPS观测,必要观测时段的长度可以比规范规定的时间减少1/4甚至1/3。这可以有效地提高工作效率。

2)在野外施测时当有个别接收机电池没电提前终止观测,或者有个别接收机迟到比其他观测站晚开机几分钟时,如果其基线解算的各项精度指标都能满足规范中相应等级的要求,可以不必重测,以减少成本投入,达到提高工作效率和经济效益的目的。

2 结 论

本文针对卫星控制网观测方案优化设计中的2个问题进行较深入地研讨:1)利用实际观测数据研究证实当距离在几公里至十几公里时 GPS单频接收机解算结果精度要高于 GPS双频接收机的解算结果精度,并给予了客观合理的解释;2)针对建立较低等级的 GPS控制网时必要观测时间的问题进行了研讨,获得了对指导 GPS测量实际应用有益的结论。作者认为随着卫星定位技术的飞速发展,基于卫星定位技术建立各种用途控制网时,在优化设计中的许多问题还有待进一步的研究和探讨。

[1]陈俊勇,杨元喜.2000国家大地控制网的构建和它的技术进步[J].测绘学报,2007,36(1):1-7.

[2]李征航,黄劲松.GPS测量与数据处理[M].武汉:武汉大学出版社,2005.

[3]黄声享,郭英起,易庆林.GPS在测量工程中的应用[M].北京:测绘出版社,2007.

[4]周忠谟,易杰军,周琪.GPS卫星测量原理与应用[M].北京:测绘出版社,1999.

[5]刘大杰 ,施一民,过静珺.全球定位系统(GPS)的原理与数据处理[M].上海:同济大学出版社,1996.

[6]魏子卿,葛茂荣.GPS相对定位的数学模型[M].北京:测绘出版社,1998.

[7]王广运,郭秉义,李洪涛.差分 GPS定位技术与应用[M].北京:电子工业出版社,1998.

[8]徐绍铨,张华海.GPS测量原理及运用[M].武汉:武汉测绘科技大学出版社,1998.

[9]张鹏,兰启贵.GPS网观测时间对观测精度的影响分析研究[J].全球定位系统,2004(4):2-4.

[10]谢邵峰,王新桥.工程 GPS网必要观测时间的探讨[J].全球定位系统,2007(4):30-32.

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

地理空间信息工程国家测绘局重点实验室经费资助项目(200917)

郭英起(1963-),男,副教授.

[责任编辑张德福]