黑龙江省富裕县GPS E级网的设计与实现

郎柏林

摘要：本文通过富裕县GPS E级网的实施过程来探讨小城镇GPS基准网的布设方案和数据处理方法，总结了GPS基准网建立的主要方法，详细深入研究网形布设、基线解算、平差以及质量控制等关键问题，并对成果进行了分析和评价。

关键词：GPS ；E级网；数据处理；精度分析中图分类号： P228.4 文献标识码： A

由于GPS定位技术操作简便快捷，布网和观测不受时间和空间的限制；精度高、速度快、数据采集和数据处理自动化程度高，有常规测量模式不可比拟的优越性。因此，GPS在富裕县建设测量中得到了广泛的应用，现本文着重就GPS在富裕县的布网及应用给予介绍。

1工程概况

富裕县位于黑龙江松嫩平原。为科学高效的做好小城镇规划工作，所有县属乡镇必须统一基准、统一标准、统一工作方法，以便更好的为富裕县开发建设服务。因此，必须建立富裕县GPS基准网。

2GPS基准网的布设

富裕县GPS基准网的布设是以小城镇规划建设目的，要求GPS网点具有一定密度和较高的精度。此控制网共布设26个点，设计等级为E级，最弱点点位中误差水平分量不大于0.050m、高程分量不大于0.080m，其中最长边约3.4km，最短边约2.3km。控制网的坐标系统与原有地形图、高一级GPS网点等资料保持一致。最终坐标换算为1954年北京坐标系，1956年黄海高程系。

3GPS网的选点与埋石

GPS网的选点，要求点位视野开阔，目标明显，周围截止高度角10°以上，没有成片障碍物，并便于安置GPS接收机和操作；远离大功率无线电发射台及高压输电线，距离＞500m；交通便利，而且安全、稳定，便于长期保存和利用。标石必须埋直、埋正、牢固，便于长期保存，标石埋置至少低于地面30cm，不易被破坏，标石埋好后，及时在现场绘制出详尽的点之记。标石规格按中华人民共和国测绘行业标准《全球定位系统(GPS)测量规范》CH2009-92中附录B之(Ⅰ)一般普通标石，用钢筋混凝土浇注制做。

4GPS网的观测方案

GPS网的观测采用8台南方双频GPS接收机按6个基本图形，为便于外业观测数据的检核，增加外业观测数据的可靠性，每一测站不同时段重复观测次数不少于1.6次，接收时间均为1小时以上，接收截止高度角为15°，历元间隔15″。观测时，精确对中整平，对中误差小于±3mm。仪器高度的量取，取观测时段前后两次的均值，两次量取仪器高度之差不超过3mm。

5基线精度影响因素

1)起算点对基线精度影响在GPS精密相对定位数据处理中，定位的基准是由基准站坐标和卫星星历共同给出的。严格的说，应要求地面站坐标的框架及历元与卫星星历的框架及历元保持一致性。基线解算中，起算点(基准站)的精度将影响基线的精度。起算点对基线解算的最大影响可以用下式表示：

δs=0.50×10-4.D.δx1

式中δs为对基线的影响，D为基线的长度，δx1为起算坐标的误差。

令起算坐标的误差为20cm，如基线的长度为100km，则起算坐标对其影响为10cm。为了保证这一精度，网中V01点为A级GPS网点，精度优于20cm，其对100km左右基线的影响可以忽略不计，因而可以将其作为起算点。同时网中8个松嫩平原高精度GPS点也可作一定的约束。2)卫星轨道对基线精度影响卫星轨道的精度对GPS基线精度的影响可以用下式表示：

式中dr/R、db/B分别为轨道相对误差及因此而产生的基线相对误差。由上式可知，要达到10-8的相对定位精度，要求卫星轨道优于2m。由此可见，提高卫星轨道的精度是保证GPS相对定位精度的关键之一。该控制网的基线处理，采用IGS精密星历，其轨道精度优于0.1m。由于控制网中的边长不超过400km，根据上式计算可得星历对基线解算在最不利的情况下，影响也不超过0.5mm。因而在采用IGS精密星历时，可以忽略星历对基线的影响，即在解算中可以固定轨道。

6基线处理

1)基线处理采用软件由于该网采用新款南方S86-T三星双频GPS接收机观测，其锁定卫星颗数多，基线解算质量高，使用南方随机匹配的数据后处理软件能够达到要求，在基线解算方案中选择lonofree[Gnss],其解算长基线的相对精度能达到10-9量级，解算短基线的精度能优于1.0mm。2)基线处理观测数据质量是保证基线解算精度和可靠性的关键之一。因此，用南方软件处理时，正确修正观测数据中的周跳和删除大残差观测值的数据编辑是GPS数据处理中的主要工作之一。数据编辑首先在观测数据文件选项中录入点名及仪器高并保存，然后在基线解算-静态基线数据处理设置中设置卫星高度截止角及历元间隔均为15，观测组合方案选择lonofree[Gnss]，方差比应大于3，中误差应小于0.04米，其他均为默认，最后选择处理全部基线并开始解算。

在完成以上工作基础上，从生成观测数据文件开始，生成观测方程和解算基线，得出每个时段的解。在数据处理中，发现观测时段数质量比较差不予采用。3)结果分析各时段解向量的重复性反映了基线解的内部精度，是衡量基线解质量的一个重要指标。其定义为：

式中：Ci是各时段解基线的各分量，δ2i是相应分量的协方差，为相应基线分量的加权平均值，R为相应的重复性。GPS基准网独立重复基线共115条，其精度统计见表1。

基线向量重复性统计表1

南北方向 东西方向 垂直方向 基线长度

5.2mm+0.2×10-8 8.2mm+1.0×10-8 15.0mm+1.9×10-8 6.6mm+0.8×10-8

从表1可以看出，水平方向的重复性优于10mm＋1.0×10-8；垂直方向重复性优于15mm+2.0×10-8，也就是说，重复性精度能够达到甚至优于10-8，能够满足技术要求。

7GPS网的平差计算

1)平差软件GPS E级网的整体平差采用Gnssadj完成。2)平差采用的观测量GPS E级网采用软件进行同步观测网的基线解算，平差时采用各同步观测网的独立基线向量及其全协方差矩阵作为观测量。3)在ITRF坐标框架下三维无约束平差经过粗差分析，消除粗差影响后，三维无约束平差结果的验后单位权方差仍未通过χ2检验，这是因为GAMIT基线解的输出精度与其实际精度不匹配。处理时根据三维无约束平差的结果，对基线观测量的方差分量因子进行调整，其中方差分量改正因子为1.9387，最终三维无约束平差结果的单位权中误差通过χ2检验。三维无约束平差的结果，客观地反映了整个GPS网的内部符合精度。4)在ITRF坐标框架下三维约束平差为了与松嫩平原高精度GPS网成果保持统一，本次平差采用松嫩平原高精度GPS网平差成果中部分测站的坐标作为三维约束平差的基准。这些基准站中包括国家A级GPS网点四个站，平差时以这四个站的三维坐标(X,Y,Z)作为固定点约束值。

参考文献：

[1] Usery, E. L., A Concept Framework and Fuzzy Set implementation for Geographic Features, In: PETER A. BURROUG H and ANDREW U. FRANK, (Ed.) Geographic Objects with Indeterminate Boundaries, Taylor & Francis, 1996: 71-85