GPS静态测量

王慧鹏+姜建红

摘要：GPS測量技术以其高效、精准、全天候等特点被广泛应用到现代经济社会的各个领域，在测量、军事、交通等领域都有重要应用价值，特别是在城市、工程测量中这项技术倍受测绘工作者的青睐，成为测绘工作中的一项重大技术革命。本文介绍了静态GPS测量的特点，进行了GPS静态测量技术实证分析。

关键词：GPS，静态测量；技术；实证分析

GPS静态测量，是利用测量型GPS接收机进行定位测量的一种。主要用于建立各种的控制网。进行GPS静态测量时，认为GPS接收机的天线在整个观测过程中的位置是静止，在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个不随时间的改变而改变的量，通过接收到的卫星数据的变化来求得待定点的坐标。在测量中，GPS静态测量的具体观测模式是多台接收机在不同的测站上进行静止同步观测，时间由40分钟到十几小时不等。随着信息化、数字化时代的深入发展，空间科学和测量技术得到了长足的进步。GPS测量技术以其高效、精准、全天候等特点被广泛应用到现代经济社会的各个领域，在测量、军事、交通等领域都有重要应用价值，特别是在城市、工程测量中这项技术倍受测绘工作者的青睐， 成为测绘工作中的一项重大技术革命。

1 静态GPS测量的特点

1.1 GPS相对定位原理

GPS相对定位原理，根据若干台GPS接收机跟踪GPS卫星信号所测得的载波相位观测值，运用求差的方法，得出各观测站间的坐标差即基线向量。再根据已知点坐标和基线向量求得其他各测站点的坐标。相对定位可以消除或大幅削弱误差（如卫星钟差、电离层延迟、对流程延迟等），因而可以获得很高精度的相对位置。GPS相对定位分为静态相对定位和动态相对定位，其中静态相对定位广泛应用于控制测量中。

1.2 GPS测量的优点

（1）测站间不需要通视

这是GPS定位的最大优点，既要保持良好的通视条件，又要保障测量控制网的良好图形是传统测量技术难以解决的矛盾。而GPS测量由于不要求测站之间相互通视， 因此使点位的选择变得十分灵活，而且保证控制网有良好的图形。

（2）定位精度高

短距离（ 15km以内）精度可达毫米级，中、长距离（几十公里甚至几百公里）相对精度可达到10- 7～10- 8。

（3）全天候作业

GPS卫星数目多，且分布均匀，可保证在任何时间、任何地点连续进行观测，保障了连续的三维定位，一般不受天气状况的影响。

（4）操作简便

GPS接收机自动化程度极高，在外业观测中只需对中、整平、量取天线高及开机后设置参数，其他工作仪器自动完成，工作效率高。

2 GPS静态测量技术实证分析

2.1 GPS数据后处理存在的问题

根据施测实际需要，控制点数量、分布和测区的形状，设计GPS网图，选定控制点并注意布设条件，避免对观测影响，使网型合理、边长合乎规范要求，控制点分布均匀，且使控制面积足够大。采用随机软件进行数据下载，基线解算，全面考核GPS网的内部符合精度和探测可能的粗差，并且全部通过的基础上进行WGS84自由网平差，会得到非常高的内附和精度。

2.2 北京坐标系（1954年）

建国初期，为了迅速开展我国的测绘事业，鉴于当时的实际情况，将我国一等锁与原苏联远东一等锁相连接，然后以连接处呼玛、吉拉宁、东宁基线网扩大边端点的原苏联1942年普尔科沃坐标系的坐标为起算数据，平差我国东北及东部区一等锁，这样传算过来的坐标系就定名为1954年北京坐标系。可归结为：①属参心大地坐标系；②采用克拉索夫斯基椭球的两个几何参数；③大地原点在原苏联的普尔科沃；④采用多点定位法进行椭球定位；⑤高程基准为1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面；⑥高程异常以原苏联 1955年大地水准面重新平差结果为起算数据，按我国天文水准路线推算而得。

基准面是利用特定地球椭球对特定地区地球表面的逼近，选用一个同大地相近的、可以用数学方法来表达的旋转椭球来代替，它是测量与制图的基础。凡与局部地区（一个或几个国家）的大地水准面符合得最好的旋转椭球，称之为“参考椭球”。目前常见的有三种：“北京54”坐标系、“西安80”坐标系、WGS1984。“北京54”坐标系是我国从1953年起从苏联1942坐标系联测并经平差引伸到我国，原点在苏联西部的普尔科夫，采用Krassovsky椭球参数而定的基准面；“西安80”坐标系是采用1975年IUGG/IAG第16届大会推荐的地球椭球参数，国家原点设在陕西省泾阳县，其较好地与我国大地水准面符合较好；WGS1984坐标系的基准面采用WGS84椭球体，它是一地心坐标系，即以地心作为椭球体中心。目前GPS接收机测量数据多以WGS1984坐标系为基准，Pulkovo 1942、非洲索马里的Afgooye基准面都采用了Krassovsky椭球体，但它们的基准面显然是不同的。

2.3 解决方法

从1954年北京坐标系建立的条件、手段及方法，可以看出，1954年北京坐标系具有良好的方位角，其两点的边长是通过基线扩大边计算而来并投影到Krassovsky椭球体，精度相对较低。GPS接收机（标称精度平面：5mm+1ppm）测量控制时其基线精度是非常高的（合格基线），同时也具有高精度的方位。由于1954年北京坐标系与WGS1984坐标系的参考地球椭球不同，导致两坐标系在方位上存在误差，在利用七参数（XYZ平移，XYZ旋转，尺度比） 进行坐标转换过程中就会存在边长和角度之间的数学关系的矛盾，其矛盾以平差后的残差形式表现出来。

如何做到既保证控制网的整体精度，又满足1954年北京坐标系的坐标系统？经过反复论证、实践检核，采用一点一方位的进行约束平差，其具体做法如下：

2.3.1 对观测数据进行WGS84自由网平差（剔除粗差后），基线合格。

2.3.2 选用距侧区中心最近的54坐标数据（A）进行单点起算进行GPS控制网在54椭球上约束平差。通过单点结算坐标反算其他54已知控制点距A点的距离S，选用最远的距离点B，反算出A→B的方位角α，再用Sab及方位角α计算B点坐标，再利用A、B两点对GPS控制网平面控制点进行GPS网约束平差，解算出GPS的各个点位平面坐标。对已知的54控制点进行点位中误差计算，评定精度。

2.3.3 采用一点一方位的进行约束平差，既保证控制网的整体精度，又满足1954年北京坐标系的坐标系统，非常适合局部区域或具体工程对高精度控制又要与国家控制网联测的要求。

作者简介：王慧鹏，身份证号码：410181197908271030

姜建红，身份证号码：430104197006074039