GPS在高精度基准线精密测量中的应用

吴迪军，周昌红，李剑坤

（1.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉430050；2.航宇救生装备有限公司，湖北襄阳441003）

GPS在高精度基准线精密测量中的应用

吴迪军1，周昌红2，李剑坤1

（1.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉430050；2.航宇救生装备有限公司，湖北襄阳441003）

针对高精度火箭橇实验滑轨基准线基准点间距短、密度大、测量精度要求高的特点，分析了 GPS短基线定位误差的影响，对高精度基准线 GPS网的测量精度、坐标基准、网形、观测及数据处理方法进行了设计，并对测量成果进行了精度分析。结果表明，GPS相对定位技术是高精度基准线精密测量的一种有效方法。

GPS；高精度基准线；短基线；误差分析

位于湖北襄阳的XB火箭橇实验滑轨修建于20世纪80年代[1]，2009年至2011年间进行了滑轨扩建。为了对滑轨进行精密控制和校准，在滑轨一侧近1m处建有一条平行的准直基准线。既有基准线全长约3100m，由55个分离的基准点组成，扩建后的基准线全长近6 200 m，基准点总数增至139个。相邻基准点间距一般在30～60m，最短间距仅为15m，最长间距为126m。基准线在水平方向和垂直方向直线度中误差不应大于1×10-6，早期在原基准线的建立中主要采用激光准直测量技术，但由于激光准直测量方法受气温、大气状况等外界因素影响大，一般只能在春秋两季的夜间作业，因此该基准线建立时耗费了2年多时间。显然，激光准直技术不能满足火箭橇滑轨基准线日常维护和扩建的应用需要。鉴于此，2005年在既有基准线上应用GPS技术进行了滑轨基准线精密测量的实验研究[2]，并取得了良好效果。在滑轨扩建中，为确保扩建后基准线的直线性和稳定性，实现新旧滑轨的精确对接，再次将GPS技术应用于滑轨施工及基准线精密测量中。本文针对该基准线上基准点间距短、数量多、密度大且其平面投影位于一条直线上、测量精度要求高的特点，在分析了GPS短基线定位主要误差的基础上，对高精度基准线GPS控制网进行了技术设计，并通过HB火箭橇滑轨扩建工程基准线精密测量对该方法进行了分析验证。

1 GPS短基线定位误差分析

一般而言，GPS测量的误差包括3方面：与卫星有关的误差、与信号传播有关的误差以及与接收机有关的误差。然而，在基线长度短于10 km的短基线网中，如卫星钟误差、相对论效应、接收机钟误差等可以通过站星求差或站间求差予以消除，因此，影响GPS短基线网精度的主要误差是：卫星星历误差、对流层延迟、电离层延迟、多路径效应、起算点误差、天线安置误差及GPS观测的分辨误差[3-5]。

1.1 卫星星历误差

卫星轨道的精度是影响GPS基线解算精度的重要因素之一。实验结果表明，卫星星历误差对相对定位结果的影响可用式（1）来估算：

1.2 对流层延迟

对流层是指高度40 km以下的大气层，由于离地面较近，大气密度很大，大气的状态随地面气候的变化而变化，折射情况较复杂。对流层延迟通常用建立模型的方法来改正，但由于大气层中的水汽分布在时间和空间上变化很大，其折射误差很难准确预测，这是限制对流层延迟改正精度的主要因素。一般而言，在小网短基线的数据处理中，所有测站上用测区平均气象元素或标准气象元素计算对流层改正效果较好。

1.3 电离层延迟

电离层是指大约50～1000 km的大气层。受太阳辐射作用，电离层对电磁波产生折射，而引起电离层延迟。通常使用以下 3种方法进行改正：电离层模型和经验公式法、双频线性组合法改正模型及用实测双频观测值建立电离层延迟模型。

1.4 多路径效应

多路径误差取决于测站周围的环境、接收机的性能及观测时间的长短。削弱该项误差的方法是选用较好的天线，仔细选择测站，使之远离反射物和干扰物，延长观测时间。

1.5 起算点误差

进行 GPS基线解算时，需已知其中一个端点在WGS-84坐标系中的近似坐标，近似坐标的误差过大会对解算结果产生影响。起算点对基线解算的最大影响可以用式（2）表示：

1.6 天线相位中心偏差

理论上，天线相位中心应与天线几何中心（天线参考点）重合，但实际上由于天线类型、天线安置误差、卫星的几何分布及卫星的数量等原因，两者在空间上存在偏差，这种误差就称为天线相位中心偏差[9,10]。研究表明，这种偏差的影响可达数毫米至数厘米。因此，在mm级精度要求的高精度GPS短基线测量中，天线相位中心偏差的影响是不容忽略的。削弱这种偏差的主要措施有：尽量使用同一类型的天线，基线两端的2个天线指北标志尽量保持同向；当使用不同类型的天线，则必须在基线解算之前进行相位中心变化的修正。

1.7 天线安置误差

天线安置误差包括对中误差、整平误差及天线高量测误差，它是短基线网中的一项主要误差来源。在高精度精密定位中，通常采用强制对中的方法使其控制在0.1～0.2 mm。

1.8 GPS观测的分辨误差

观测的分辨误差属于偶然误差，可通过重复观测来提高精度。一般认为，误差约为信号波长的1%，对于L1载波约为2 mm。

综合以上分析可得，高精度GPS短基线网测量中，可采取观测值求差、模型改正、采用同一型号的双频接收机观测、优选观测方案及观测时段、采用精密星历、多时段较长时间观测、合理选择测站、采用网连接或边连接的方式扩展异步环等方法或措施，消除或削弱各种误差的影响，提高GPS相对定位的精度。

2 GPS基准网的设计与观测

HB滑轨基准线的主要精度指标如下：①基准线纵向长度的相对精度优于1×10-6，相邻基准点间距的长度误差不大于± 0.5 mm；②基准点水平方向（横向）相对偏差小于3mm，取水平方向（横向）坐标中误差允许值为±1.5 mm，相邻基准点水平方向（横向）偏差跳跃不宜过大，宜不超过0.2 mm。

据此精度要求，在高精度GPS短基线网测量误差分析的基础上，以“最大限度地减小 GPS定位误差”为原则，对该GPS基准网进行设计和观测。

2.1 精度设计

依据基准线建线的精度要求，并参照《全球定位系统（GPS）测量规范》进行GPS精密测量的精度设计：相邻基准点间基线水平分量的中误差不大于5mm，垂直分量不大于 10 mm，基线长度的相对中误差小于1×10-6。

2.2 基准设计

为了方便滑轨校准以及扩建滑轨与既有滑轨的精确对接，建立基准线工程独立坐标系：以既有基准点102#至153#的直线方向作为独立坐标系的纵轴（X轴），与之垂直的方向为横轴（Y轴），假定以102#的坐标作为起算坐标，取基准点的平均高程平面作为坐标投影面。

2.3 网形设计

基准线的平面投影为一直线，为了增强GPS网的图形结构，在新建基准线一侧50m左右的位置均匀布设7个GPS控制点（南端2点，北端5点），它们也是滑轨扩建工程桩基、承台施工及承轨梁安装的控制点。7个新建的GPS点与距离既有基准线东侧约500m的2个控制点（XF01、XF02）以及137个基准点联网构成GPS控制网。采用三角形或大地四边形图形构网，同步图形之间的连接采用网联形式和边联形式。GPS网示意图如图1所示。

图1 GPS网示意图

2.4 观测

采用6台TrimbleR8GNSS双频接收机进行静态同步测量。为避免网中出现超短基线边，采取跳跃法选择基准点进行同步观测，保证GPS基线长度大于450m。全部GPS控制点及基准点均采用强制对中装置，实现精密对中和整平，天线对中精度优于0.2 mm。精确量取天线高，三方向量得的天线高互差不得大于1mm。GPS观测的主要技术参数见表1。

表1 GPS观测技术参数

3 数据处理与精度分析

通常情况下，短基线GPS网可采用随机商用软件处理，然而在高精度的精密基准线网中，必须采用GAM IT/GLOBK或BERNESE等科研软件进行短基线解算。HB滑轨基准线网的GPS基线处理采用GAM IT 10.3，该软件采用双差观测值解算，在利用精密星历的情况下，基线解的相对精度能达到10-9左右。当引入精密星历和IGS连续运行站坐标后，由卫星星历和起算点引起的基线误差可以忽略不计。同时，GAM IT能建立精确的电离层延迟和对流层延迟模型，可以较好地削弱GPS信号在传播过程中的误差，有利于提高基线解算的精度。基线解算时对重复基线、同步环和异步环的长度或坐标闭合差进行限差验算，剔除超限的基线观测值，采用限差验算合格的基线进行网平差。网平差中，首先在 WGS-84坐标系下对基线向量网进行三维无约束平差，求解各点在 WGS-84坐标系中的三维空间坐标；然后在基准线独立坐标系中进行二维约束平差，求得各点的二维坐标。

本网共观测146个点，同时引入4个 IGS连续运行跟踪站(WUHN、BJFS、SHAO、KUNM)，传递XF01的ITRF坐标（精度优于0.1m），作为基准网的起算坐标。在基线解的同步环检核时，将解的nrms值作为同步环质量好坏的指标（一般要求 nrms值小于0.6，不能大于1.0），全网116个同步环的nrms值均小于0.6，GPS网的整体观测质量较高，基线解的精度较好。全部合格基线按三边组环，共计算获得717个异步环，异步环闭合差全部在限差以内。

基准网二维平差后，最弱基准点的点位中误差为±3.5mm，平均点位中误差为±1.9mm；相邻基准点间距长度误差优于±0.4mm；平均基线中误差为±1.2mm，基准线纵向长度的相对精度为1/218.2万。基准点水平方向（横向）相对偏差小于2.4 mm，平均中误差为±1.3 mm。基准网精度达到设计要求，满足基准线建线及滑轨校准的需要。

为了检验GPS测量成果的精度，采用Leica TC 2003全站仪按二等精密测距的技术要求测量5条基线边。全站仪精密测距边长与 GPS边长比较见表2，边长较差均小于5 mm，进一步验证了GPS网的质量。

表2 全站仪与GPS边长成果比较

4 结 语

研究表明，采用GPS静态相对定位技术进行高精度火箭橇滑轨基准线精密测量，通过专门的设计，采取科学合理的技术措施，即可达到优于10-6的直线度的精度。与激光准直测量等传统方法相比，GPS测量方法具有受外界条件影响小、精度可靠、经济高效及方便实施等突出优点，可用于火箭橇滑轨基准线的建线测量和日常维护检测。本文提出的技术和方法，可在类似的高精度基准线精密测量中推广应用。

[1] 杨兴邦.XB高精度火箭橇试验滑轨[J].中国工程科学,2000, 2(10):98-104

[2] 张建军，吴迪军，周昌红.GPS技术在火箭橇滑轨基准线精密测量中的应用[J].铁道勘察,2007(2):12-13

[3] 张建国.GPS短基线定位精度的误差及消除措施[J].黑龙江科技信息,2011(1):75

[4] 曾云.GPS短基线测量的误差来源[J].城市勘测,2004(2):18-21

[5] 张双成，曹海洋，高涵，等.基于GAM IT的GPS短基线解类型分析及应用[J].测绘通报,2011(10):27-29

[6] 兰孝奇,杨永平,黄继红.GPS广播星历轨道误差试验研究[J].江苏地质,2004,28(3):174-176

[7] 孙正明,高井祥,王坚.GPS广播星历误差及对单点定位的影响[J].测绘工程,2007,16(6):16-18

[8] 蔡昌盛,李征航,张小红.SA取消前后GPS单点定位精度对比分析[J].测绘信息与工程,2002,27(3):24-25

[9] 范建军，王飞雪.GPS接收机天线相位中心变化对基线解的影响[J].宇航学报,2007,28(2):298-304

[10]郭际明，史俊波，汪伟.天线相位中心偏移和变化对高精度GPS数据处理的影响[J].武汉大学学报：信息科学版,2007, 32(12):1143-1146

Application of GPS in High Precision Base-line Accurate Surveying

by WU Dijun

In view of the characteristics of short distance between reference points,high consistency of the points and high accuracy requisition of the accurate base-line forrocket sled testtrack,the positioning errors of short GPS baseline were analysed.And then,the measurement precision,coordinate datum,net configuration,observation and data processing method were designed,and uracy anaysis of the measurement results wasdone.The results show that,GPS relative positioning technology is an accurate and effective method for high accuracy baseline.

GPS，high precision datum line，short baseline，error analysis

2012-03-02

P228.4

B

1672-4623(2012)03-0031-03

吴迪军，博士，正高职高级工程师，主要从事GPS应用研究和工程测量技术管理工作。