王荣威
中国神华煤制油化工有限公司北京工程分公司 北京 100011
GPS系统的全称是卫星测时导航/全球定位系统(Navigation Satellite Timing And Ranging/GlobalPositioning System),它是美国国防部于1973年12月批准研制的以卫星为基础的无线电导航定位系统,整个系统由三大部分组成:空间GPS卫星星座、地面监控系统以及用户设备GPS接收机。该系统具有全能性(海、陆、空及航天)、全球性、全天候、连续性、实时性的导航、定位和定时的功能,它可以向数目不限的全球用户连续地提供三维坐标、速度及时间信息。2000年5月以来,美国政府取消了“SA”、“AS”等限制民用精度的政策,并研发了一系列提高民用精度的技术(L2载波上增加C/A码、加入第三民用频率L5),进一步改善系统的可用性、安全性和可靠性,使得该系统开始广泛应用于各种运载工具的导航以及高精度的大地测量、精密工程测量等领域。
(1)定位精度高。实践证明,用载波相位观测量进行静态相对定位在小于50km的基线上可达1ppm;300~1500m工程精密定位中,平面位置误差小于1mm(1h以上观测)。
(2)观测时间短。目前,20km以内静态相对定位的时间仅需15~20min,快速静态定位只需2min左右,实时动态定位每站观测1~2s就可完成。
(3)测站间无需通视。这是GPS技术区别于常规测量的最大优点,可省去大量的传算点、过渡点的测量,大大减少测量作业时间和费用,同时也使选点布网变得非常灵活。
(4)操作简便。GPS接收机自动化程度非常高,外业观测时,测量人员的任务只是安置仪器、连接线缆(一体化机则不需要)、量取天线高、开关机及监视仪器工作状态,野外测量工作轻松愉快。
(5)全球全天候测量。目前卫星数已达30颗,正常情况下随时都可以进行测量定位。除雷电、台风天气不宜观测外,其它如阴天黑夜、起雾下雨均不影响,这一点也是常规测量所无法相比的。
某项目位于中国内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗乌兰木伦镇矿区,占地面积约2km2。由于该测区属于丘陵地区,并且有其他施工队伍正在施工,车辆、堆积物众多,使得有些方格网点无法通视。为了测量任务的顺利进行,本次测量采用全球定位系统GPS进行测量。
因为方格网控制面积较大,为了避免测量过程中的误差累积,保证方格网点的高精度,本方格网测量分为两级进行。整个方格网共布设方格网点24个,其中Ⅰ级点11个(A01~A11),Ⅱ级点13个(B01~B13)。
2.2.1 GPS测量作业技术要求见表1
表1 GPS测量作业技术要求
注解:
PDOP值 (三维位置精度因子:position dilution of precision):在GPS导航和定位中,我们使用几何精度因子(DOP,dilutionofprecision)来衡量观测卫星的空间几何分布对定位精度的影响。DOP值的大小与GPS定位的误差成正比,DOP值越大,定位误差越大,定位的精度就低。PDOP则直接反映GPS卫星的分布情况,当PDOP较大时,表明空中被观测的GPS卫星几何分布不是太理想,他们构成的图形周长太短,定位精度就低,反之亦然。
2.2.2 基线解算的质量要求见表2
表2 基线解算的质量要求
注解:
同步环(simultaneousobservationloop):是指在用全球定位系统(GPS)进行测量中,由3台或3台以上GPS接收机,同时对同一组卫星进行观测(同步观测))所获得的基线向量所构成的闭合多边形。理论上同步环中各GPS边的坐标增量闭合差应等于零,由于各台GPS接收机的观测并不能严格同步,而且有可能存在其他的观测缺陷,将导致同步环闭合差并不等于零,观测误差由此产生,但误差不能超过规定的限差。若同步环闭合差较大,就表明观测或基线向量解算有严重失误;同步环闭合差不超过限差,只能表明观测无严重失误和基线向量的解算合格,但并不足以表明观测值的高精度,因为只是采用了一组线性相关观测值的必然结果,与观测精度无关。
异步环(non-simultaneousobservation loop):是在用全球定位系统(GPS)进行测量中,由数条GPS独立边构成的闭合多边形。在GPS网中,必须保证有足够数量的异步环,才能确保观测成果的可靠性和有效地发现观测值中存在的粗差。
以四台GPS接收机同时设站组成若干大地四边形,每站测量完毕,两台仪器滞留、两台仪器迁站,保证两个大地四边形有一条公共边。因构网基本图形为大地四边形,图形强度好、精度高,为方格网点快速趋近设计点位创造良好条件。
2.4.1 基线解算
基线解算的过程实际上主要是一个GPS观测数据进行严密平差的过程,平差所采用的观测值主要是双差观测值,即坐标分量闭合差和环线全长闭合差。将GPS接收机采集到的观测数据提交至计算机进行基线解算,得出每两个同步测站点之间的空间基线向量,按前述技术要求对所有基线向量进行质量检核,不合格基线及时进行了剔除。GPS基线向量表示了各测站间的位置关系,即测站与测站间的坐标增量。GPS基线向量与常规测量中的基线是有区别的,常规测量中的基线只有长度属性,而GPS基线向量则具有长度、水平方位和垂直方位等三项属性,其是GPS同步观测的直接结果,也是进行GPS测量控制网平差,获取最终观测点位成果的观测值。
2.4.2 三维无约束平差
在获取可靠基线向量的基础上,首先在WGS-84坐标系中进行三维无约束平差,根据平差后输出的各基线向量三个坐标差观测值的改正数、点位和边长精度信息判断整个GPS网的内部符合精度和观测数据的质量。
基线向量的改正数绝对值应满足以下要求:V△x、V△y、V△z≤3σ。当发现有的基线超限或边长精度不高时,说明该基线或相邻基线存在粗差,仔细分析其原因后予以剔除。
注解:WGS-84坐标系(WorldGeodeticSystem 1984):是一种国际上采用的地心坐标系,坐标原点为地球质心,其地心空间直角坐标系的Z轴指向国际时间局(BIH)1984.0定义的协议地极(CTP)方向,X轴指向BIH1984.0的协议子午面和CTP赤道的交点,Y轴与Z轴、X轴垂直构成右手坐标系,称为1984年世界大地坐标系。这是一个国际协议地球参考系统(ITRS),是目前国际上统一采用的大地坐标系。
2.4.3 二维约束平差
GPS网经三维无约束平差且各项精度指标均满足要求后,利用其起算点作为约束条件,计算机处理系统对GPS网进行二维约束平差,得到所有测量方格网点的坐标成果及其平面点位中误差。
2.5.1 WGS-84坐标系下三维无约束平差精度统计,见表3。
表3 WGS-84坐标系下三维无约束平差精度统计
2.5.2 厂区建筑坐标系中二维约束平差精度统计,见表4。
2.5.3 对统计的说明
(1)GPS网无约束与约束平差结果精度差别小,说明整网变形小,观测数据准确,内部符合精度高。
表4 厂区建筑坐标系中二维约束平差精度统计
(2)方格网点点位纵、横向误差相近,各个方向精度分布均匀,误差椭圆趋于圆形。
(3)各项技术指标均满足规范要求,点位中误差小于规定的限值。
全部方格网点采用GPS测设完成并进行数据处理得出方格网点成果后,应采用全站电子速测仪对方格网部分边长和角度进行了复测检验,以确保控制网成果的可靠性,检验结果统计见表5、表6。
表5 角度检验
由以上检验结果可以看出,其精度完全满足规范规定,成果可靠。
表6 边长检验
实践表明,在大型开发建设项目的实施阶段,采用GPS测量技术建立施工测量控制网,大大提高了测量成果的可靠性和作业效率,降低作业强度,适应现代社会“快节奏”的作业要求,对项目进度控制起到积极的作用,同时也使测量作业技术人员从繁重的测量工作中解放出来。但是,毕竟GPS测量有别于常规测量,有些错误或者说是粗差不容易被发现,还需要广大测量技术人员在工程实践中认真探索和总结。
1 《GPS测量原理及应用》武汉测绘科技大学出版社 作者:徐绍铨 张华海 杨志强 王泽民编著。
2 《控制测量学》武汉测绘科技大学出版社 作者:孔祥元,梅是义编著。