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1、GPS基线解算的质量分析与研究引言 全球定位系统(Global Positioning System-GPS)作为新一代的卫星导航定位系统，现已发展成为一种被广泛使用的系统。目前，我国已采用GPS技术布设了新的国家大地测量控制网，绝大多数城市也都采用GPS技术建立了城市控制网。GPS数据处理原理比较复杂，但自动化程度高。GPS的定位精度一般与网的布设、已知点的选取、观测方法、基线处理和网平差有关，而基线处理是GPS数据处理的最重要的一步1。 本文结合GPS定位原理及基线解算模型，从如何提高GPS基线解算出发，结合具体工程项目进行基线解算，通过对基线解算成果进行质量分析, 研究网型布设方式、起算
2、点位置的选择、观测卫星的选择对基线解算质量的影响。 1GPS平面测量及基线解算原理 1.1GPS相对定位原理 GPS静态相对定位是指在进行GPS定位时，两台或两台以上的接收机进行同步观测，如图1，其位置静止不动，同步观测相同的四颗以上GPS卫星，采集同步观测数据，在数据处理时，则利用这些同步观测数据，计算出同步观测站之间的相对位置。(坐标差/基线向量) 2。 这种求差称为求一次差(或称求单差)，求差后的线性组合当作虚拟观测值。 对载波相位测量的一次差还可以继续求差，称为求二次差。常见的求二次差的方法也有三种，即在接收机和卫星间求二次差、在接收机和历元间求二次差以及在卫星和历元间求二次差。 二次
3、差还可以继续求差，称为求三次差。求三次差的方法只有一种，即在接收机卫星和历元间求三次差。 虑到GPS定位的误差源，实际上经常采用的求差法只有三种，即在接收机间求一次差在接收机和卫星间求二次差以及在接收机卫星和历元间求三次差3。如图2： 1.2GPS基线解算步骤 每一个商用GPS数据处理软件，其使用方法都会有各自不同的特点，但无论是哪种软件，解算原理相同。GPS基线解算的过程主要包括基线向量数据处理和网的最小约束平差两部分，解算的流程如图3所示。 2工程项目介绍 2.1灯塔市GPS控制网 为满足城市建设和管理的需要，辽宁省灯塔市国土资源局建立了灯塔市C级GPS控制网，整个网共布设88个点，点的平
4、均间距为6km，全网覆盖范围约940平方公里。它主要作为灯塔市工程测量与规划控制的骨架，由四个国家二等三角点及两个四等水准点联测。考虑到其附属的各村的分布情况，方便灯塔国土资源局日后的管理，网中各点除几个布设在矿厂集中地区外，其它各点主要布设在各村委会院内。灯塔市GPS控制网网型如图4： 2.2沈阳市自来水供水管网测量GPS控制网 为满足沈阳市自来水管网的管理和发展，沈阳市自来水总公司在沈阳市内建立布设了沈阳市自来水供水管网GPS(C级)控制网，测区覆盖沈阳市内全部7大区，面积约为197平方公里。控制网等级为C级。由两个国家二等三角点及二等水准点为GPS控制网的起算点，外业测量依据参照(1)全
5、球定位系统城市测量规范；(2)城市测量规范；(3)沈阳市供水管网地理信息系统属性数据调查要求。 此次GPS控制网的布设是以施测自来水设施点为目的，并兼顾到监视设施点的需要。利用GPS-RTK技术进行设施点测量的技术要求：点位误差为5cm，高程误差为7cm，控制网布设如图5所示。 3结果与讨论 3.1网型布设方式对基线解算质量的影响 3.1.1实验基本情况 实验研究网型的选择对GPS基线解算的影响共有三种布网形式：网连式，即相邻同步图形间有两个以上的公共点相连接，如图6；它也是在解算灯塔GPS控制网时采用的连接方式。边连式，即同步图形间由一条公共基线连接，如图7；边点混连式是指相邻同步图形间仅由
6、一个公共点连接和由一条公共基线连接相结合的一种连接方式4，如图8所示。 从实验结果可以看出，不同网型的选择对于基线解算结果产生了不同程度的影响，采用网连式和边点混连式网型解算的点位误差的各方向平均值较采用边连式网型解算小，且边长相对中误差也比较小。从传统意义上讲，网连式这种密集的布网方法，它的几何图形强度和可靠性指标高，其解算结果应优于边连式和边点混连式。但实验结果来看，实验数据采用边点混连式得到的基线解算结果在点位误差和基线各方向上的残差绝对值均小于网连式的组网方式。产生这种结果的原因可能是由于在图形编辑时删除了观测条件不好的一条或几条基线。但考虑外业工作量的大小与成本的消耗，相对于网连式这
7、种密集的布网方式，边点混连式和边连式布网是比较理想的布网方法。 3.2起算点的选择对基线解算质量的影响 3.2.1实验方案 在基线解算中，一般系统会自动选择观测时间较长且数据质量较好的测站点作为起算点。当观测时间不长或数据较差，往往会出现因选择固定站的不同而产生不同的基线结果，为了研究起算点的选择对基线解算质量产生的影响，在进行无约束平差前，按实验设计分别将一点作为平面固定点5，如表3，最后比较各个方案的结果。 3.2.2实验结果 由表4可见，由于选择的起算点不同，基线解算的结果产生了差异。当起算点选择在网中时，网中基线的各方向残差平均值和边长相对中误差相对解算起算点在边缘小，再比较实验2-A
8、、2-C和2-D，由于与起算点相连的基线数目的不同，解算结果也产生了差异，显然实验2-C的基线解算各项精度更高。从表4也可看出当起算点选择在网中间部分时，各方向点位误差较小。 3.3观测卫星的选择对基线解算质量的影响 3.1.1基线解算结果 在应用GPS定位技术进行控制测量的作业过程中一般来说，对同一基线观测时间越长、观测的卫星数目越多，所得基线结果一般就越好，但实际情况并非总是如此。在进行GPS网基线处理时，遇到这样一个现象，就是对有些基线，较长时间观测所得结果的部分指标甚至不如较短时间的结果；或者是在基线解算时让更多的基线参与平差处理，网型结构稳定，然而在基线处理时却发现基线的部分指标较差
9、或不合格6。实验在应用南方GPS处理软件处理沈阳自来水GPS网数据时就出现了这样的情况，如图ZZHC-ZHST基线解算的结果如表5： 由表4.7可见，卫星高度角不变的情况下，增大或减小历元间隔对解算结果影响很小；在历元间隔不变的情况下，增大或降低卫星高度角使解的方差比明显降低，相对中误差增大。 3.1.2SWGX测站卫星数据图 在查看卫星数据文件发现ZZHC-ZHST的共用卫星17号和23号卫星在观测过程中多次出现周跳，30号卫星在20分钟时信号中断，正是由于这些卫星的观测质量欠佳，即对这些卫星的观测噪声大，从而影响了基线解算结果的质量。可见数据量多同时也带进了更多质量差的数据，这时又要求增大
10、历元间隔7。 通过查看卫星数据图时发现，在求基线的60分钟解时，SWGX测站的观测数据53-60分钟时其观测的所有卫星均发生了周跳。如图9所示。 4结论 通过实验分析，可见在进行基线处理时，网型布设方式、起算点位置的选择、观测卫星的选择对基线解算质量均有不同程度的影响。 (1)在网型布设方式的选择上，网连式图形强度好，基线解算时条件多，解算精度高，适用于较高精度的控制测量。对于一般等级控制网，边连式和边点混连式因其在满足精度条件下不但可以减少外业工作量，又降低了成本，因此在布设C级以及C级以下各GPS控制网时可采用边连式和边点混连式的布网方式，在一些地形相对比较复杂的地带可适当采用几个时段的网连式布网。 (2)在起算点位置的选择方面，在进行基线处理时，当自动解算结果各项精度指标不高时，可以尝试人为干预的方法选取起算点，起算点尽量选择在整个网中间位置的点作为起算点，并且尽可能的选择与之相连边数相对较多的点。 (3)在观测卫星的选择方面，选择不同卫星可能使所得基线结果精度有显著差别；观测卫星数目越多结果并非就越好，有时增大卫星截止高度角去掉一些低空观测质量较差的卫星的观测数据，反而可以得到较好的结果；另外，对部分时间段观测质量不佳的卫星，在基线处理时应予删除，以免其对结果产生不利影响。