GPS在现代测量中的应用研究

黄新蓉

GPS控制测量在平面控制联测、线路野外控制等许多方面上的优势非常显著，在控制测量中常采用的作业模式是静态和快速静态定位。通过工程实践，我们发现GPS作业面临的主要问题是：怎样保证联测精度的稳定、提高外业的工作效率，充分发挥GPS作业的高效、精确、快捷等优点。为此需要在联测起算点、GPS布网、观测时间、多路径效应等方面入手分析。

起算点的影响因素

GPS定位结果属于WGS-84地心坐标系。而实用的城市与工程测量成果采用某一国家或地方坐标系，需要将GPS测量成果转换成国家或地方的二维或三维坐标系下的相应成果，转换的主要方法是利用GPS网点与原地面控制网点重合（重合点一般不少于3点），将少量的重合己知点作为约束条件，将GPS网强制附合到己知点所在的坐标系中。实践证明；重合点的误差和点位分布将影响GPS网约束平差的精度，由于设置控制点的建筑物形变等原因，引起这些己知点的坐标有时可能存在较大的误差。若将这些存在较大误差的己知点作为平差计算或坐标转换的约束，其结果必然歪曲GPS测量的原有精度。特别是当这些点误差较大或含有粗差时，将严重影响GPS成果的可靠性，使高精度的GPS定位成果失去本来意义。在进行GPS网约束平差前，对GPS控制网起算点坐标的误差进行分析是非常必要的。

起算点主要包含点位本身精度和点位的分布两种因素，起算点的问题会直接在GPS网的平差结果中表现出来。由于我国的国家控制点布设的时间较久，在许多地区破坏严重，有些点又被不同的单位恢复或更新。另外实际应用中除利用国家控制点外，往往须用到军控点或地矿、煤田等系统所布设的控制点，有时还须用地方城建点等，不同等级或分属不同区域的控制点间，以及由不同单位布设的控制点间可能存在较大的误差，会对GPS控制网的精度产生不利影响。

起算数据的数量在GPS控制网中也尤为重要。为了解算出控制网中未知点的坐标，我们一般需要和国家控制点联测。鉴于目前国家控制点破坏较多，故在GPS作业前，应尽可能多地搜集测区周围高等级控制点，且控制点应以同一系统、同一等级为好。为提高GPS联测的可靠性，便于网形设计，保证网的精度，GPS联测的起算点一般应以3个以上为宜，并应均匀分布在测区周围。当联测点多于3个时，内业计算时可分组计算，选择附合条件较好的点作为起算数据，求得最优的解算结果。

GPS布网

GPS布网主要包括网形设计和观测计划制定，构成优化的解算图形，同时应考虑提高成果可靠性，防止粗差。GPS网观测时应有异步独立观测环或符合线路，构成异步环的边数不宜太多，也不能太少。大量增加异步环会使作业计划复杂，延长工期，影响工效，因此应研究合理的独立观测环数。网形设计完成后，就要参考最新的星历预报制定严密的作业计划，使工作有条不紊开展，这是提高工作效率的重要环节。

GPS网的设计已免除了测角、边角同测和测边网等的传统要求。它不需要点间通视，也不需要考虑布设什么样的图形，也就更不需要考虑图形强度，不需要设置在制高点上（哪里需要就可以设置在哪里）。所以GPS网的设计是非常灵活的，但也应注意以下几个问题：

除了特殊需要，一般GPS基线长度相差不要过大，这样可以使GPS测量的精度分布均匀。

GPS网不要有开放式的网型结构，应构成封闭式闭合环和子环路。

应尽量消除多路径影响，防止GPS信号通过其它物体反射到GPS天线上，因此应避开强反射的地面，避开强反射环境，如山谷、山坡、建筑物等。

避开强电磁波干扰，设站应远离雷达站、电台、微波中继站等。

GPS网中的异步环实质上仅起到了多余观测的作用，是剔除粗差的有效手段，而对于网平差精度的提高并非起到决定性作用。和传统的测量手段相比，GPS外业操作中除了量取天线高度及仪器的对中整平外，几乎没有其它的人为误差因素；对于在较短时间内完成的一段GPS网，系统所引起的粗差会在整个网中体现，而单条基线只要观测条件满足，基线解算良好，应认为其结果可靠。

由于起算点对网平差影响较大，所以在施测布网时尽量使起算点间形成异步环，其它各点根据实际情况而定，不必非在异步环中，以便节省大量的重复设站时间。因此适当减少GPS网中的异步环数量，这不但不会影响网平差的精度，而且还会提高工作效率。在起算点和需要设置参考站的过渡点构成异步环后，其它测点根据情况可不必形成异步环，但要保证观测条件良好，基线解算合格。

观测时间

观测时间的长短直接影响工作效率和基线解算效果，时间短会因采集数据不够而使基线解算失败；过长观测时间不会提高基线解算精度，造成时间上的大量浪费。GPS作业通过对某条基线一定时间内采集到的卫星数据进行解算，求出卫星信号的整周未知数（模糊度），如果参加计算的数据量不足以确定出信号的整周未知数，则基线解算失败。另外，“周跳”也会对解算成果造成不良影响，由于地球电离层，噪音等因素对卫星信号的干扰，会使信号的整周数产生异常的波动，随着观测时间的延长，“周跳”产生的机率越大，如果GPS在观测和计算中不能及时发现并剔除“周跳”，不但不能够提高基线解算的质量，还会产生负面的影响。例如某工程在作业中，对两段7.8km和10.6km的基线做出比较，这两段基线的观测时间都在20分钟以上，观测条件良好。

国家GPS测量规范对不同级别的GPS网观测时间有具体的规定，对于精密工程GPS控制网，例如B级网，规范规定连续观测时间为4小时以上。然而并不是一味的延长观测时间基线处理的精度就高，理论分析与实践经验表明：在载波相位观测中，如果整周未知数已经确定，那么相对定位的精度，将不会随观测时间的延长而明显提高，整周未知数的解算一般需要l～2小时可以准确解算。有时随着时间的增加会出现精度下降现象，出现这种情况的主要原因是粗差或低精度的基线观测值的影响；但同时也看到，观测时间适当加长，基线精度的波动就会减小，这样可以使基线的精度维持一定的水平。基线长度基本保持不变，这也说明适当增加观测时间对提高基线精度是有帮助的。选择好的观测时段可以实现在较短的时间内得到较高的基线精度，从而提高工作效率。然而对于一个大型的高精度的GPS控制网可以采用星历预报与实际分析相结合的方法，第一天选择预报较好的时段，采用较长的观测时间，然后通过分段基线解算，选择精度最高的时段。对于短基线的测区，由于相邻两天同一时刻卫星分布基本相同，以后几天的观测可以参考第一天的观测时间段，从而提高工作效率。

本文通过理论结合实践，分析了GPS在现代测量中的应用，包括：起算点的影响因素、GPS布网、观测时间三个方面。随着GPS系统的完善，定位技术的成熟，希望本文的研究能得出一些有益于工程实践的建议。

作者单位：新疆维吾尔自治区国土资源规划研究院