天山地区C级GPS网的布设和精度分析 宋敏

http://www.chinaqking.com 期刊门户-中国期刊网2018/4/20来源:《建筑学研究前沿》2017年第33期文/宋敏
[导读]介绍东天山地区C级GPS网的布设方法以及采用不同平差计算软件对GPS网的精度进行对比分析。

乌鲁木齐市不动产登记中心  新疆乌鲁木齐  830000
摘要:介绍东天山地区C级GPS网的布设方法以及采用不同平差计算软件对GPS网的精度进行对比分析。
关键词:C级GPS网;数据后处理;TGO 软件;PowerADJ软件;科傻(CosaGPS)软件

 
        1 前言
        为满足新疆维吾尔自治区优势资源转换战略的实施和新疆地矿局地质勘查工作的需要,我院在新疆东天山地区进行C级GPS网测量,共布设C级GPS点72点,该网控制面积为10800km2。属戈壁丘陵地,海拔高度一般在1100—1300米,最高为1668米。测区内无道路,仅有一条汽车压道横贯测区。测区3-5月为风季,平均每月大于8级大风的就有5-6天。本测区野外工作分别在4-5月、10-11月分两次完成,寒冷和大风给外业工作带来很大困难。
        该项目为满足地质勘查和地质工程的精度要求高,控制范围大,外业工期紧,为此采用GPS全球卫星定位系统建立C级GPS平面控制网。该网经采用不同GPS后处理软件平差计算结果的检验证明,精度完全达到规范规定的精度要求,现将该网的布设方法及精度分析如下。
        2 测区已有资料分析利用
        辛—子一等三角锁位于测区东部,子—寅一等三角锁横穿测区南部,马头滩二等三角网位于测区西南部,哈密南区二等三角网位于测区西北部,以上成果经全国整体平差,平面成果为1980西安坐标系,高程为1956年黄海高程系。测区内有Ⅲ等底雅水准路线,由西向东穿过测区中部,成果为1956年黄海高程系。以上平面和高程的已知成果各项精度指标符合规范要求,可以作为测区的平面和高程起算依据。
        根据新疆测绘局新测技字(1990)07文“关于使用1985国家高程基准若干技术问题的通知”的要求:①青岛国家水准原点的“1985国家高程基准”值比原“1956年黄海高程系统”的高程值小29mm。但不能以此值作为各地的黄海高程值改至1985国家高程系统的改正值,因为以“1985国家高程基准”起算的国家一等水准网经整体平差后,与国家旧一、二等水准网的重合点的高程差值各地并不相同。②为统一高程系统,各有关部门应将采用的其它高程基准推算的水准点高程成果,归算至“1985国家高程基准”。③与国家一等水准网相联系的旧一、二等水准网、线之接点的新旧高程之差小于20厘米,且各重合点差值之互差小于10厘米时,取其差值的平均数作为改正数。未发生联系的一、二等水准网点可进行联测,对原成果进行改化。④旧的三、四等水准点成果是以旧一、二等水准为起算点,先改算旧一、二等水准,若其差值符合上述规定,则取差值的平均值作为旧三、四等水准成果的改正数。⑤今后,凡是编辑、出版各种技术文件、图书、教科书、文件、资料以及新编、新测各种有高程的地图时,均一律使用“1985国家高程基准”。因此,我院通过Ⅱ等七烟水准路线起算点,求得该测区1956年黄海高程系统改算至1985国家高程基准的改正值为:-0.049m。
        3 C级GPS网的布设
        在接到测区的测量任务书后,收集了测区的1:10万地形图及测区的大地点和水准点资料,对测区大地控制资料进行了认真分析并组织了测区踏勘,对测区的交通情况、气候情况、自然地理情况、测量控制点的保存情况做到了充分了解。为了保证成果成图资料的精度满足地质工程和地质勘查的需要和测量工期要求,根据测区的交通情况和我院投入的设备情况,采用GPS相对静态定位方法,在国家一、二等三角点的基础上布设C级GPS网,全网共计82点,其中埋设新点72个,联测已知点10个。相邻同步图形之间按边连接的方式布设成大地四边形和不大于6条边的异步环以保证GPS网的几何图形强度,提高整网的可靠性指标;以测区三等底雅水准路线为基础布设覆盖全测区的四等水准网,做为测区C级GPS点高程拟合的起算数据和高程拟合的检核数据。
        4 GPS测量的外业实施
        4.1选点、埋石
        a、点位目标显著,视野开阔,有利于扩展和便于联测,地面基础稳定,易于点的保存。标石规格按《全球定位系统(GPS)测量规范》附录B4中(i)普通标石执行。
        b、埋石符合《全球定位系统(GPS)测量规范》要求,并按技术设计书要求现场填写点之记的相关内容。
        c、为便于保护标石,标石外部整饰按要求挖防护沟,并按GB12898—91《国家三、四等水准测量规范》附录A图A11的规格埋设了指示碑。
        4.2外业观测
        1)GPS测量:外业观测使用Trimble 5700型双频接收机八台,接收机均经过自治区测绘质检站检验合格并在有效期内。观测作业分成三个GPS组,每个作业组配置了一台便携式笔记本电脑和四台GPS接收机,每台接收机配备了一辆汽车、一部车载电台和一部手持GPS导航定位仪,使仪器的迁站、找点和作业组内部的通讯联络指挥得到了保证。在标石埋设稳固后进行观测,观测前编制了GPS卫星可见性预报表和空间位置精度衰减因子PDOP预报表,根据星历预报结果和GPS网设计图及测区的地形、交通情况制定每天的工作计划,作业组严格按照规定的时间进行作业,保证同步观测同一组卫星。作业时按照规范和设计的要求逐项填写测量手簿中有关记录项目。观测前后各量取天线高一次,两次量高互差均小于3毫米,取平均值作为最后结果记录在手簿中。每个同步环观测两个时段,时段长度均超过60分钟、卫星截止高度角≥15度、有效卫星个数≥4颗、有效观测卫星总数≥6颗、时段中任一卫星有效观测时间>15分钟、数据采样间隔为15秒。每天观测结束后及时将数据转存到计算机硬盘上,确保观测数据不丢失。
        2)四等水准测量:在Ⅲ等水准路线的基础上,布设四等水准路线,共布设了19个闭合环及附合路线。四等水准观测采用索佳C32Ⅱ型自动安平水准仪配双面区格式木质标尺,采用中丝法读数,直读视距单程单测形式观测,记录采用PC-1500A计算机记录,记录程序经上级主管部门审批符合电子记录规定。平差计算中加入水准标尺长度误差改正数,正常水准面不平行的改正数,四等水准网平差采用南方平差易2002软件计算。平差后,每公里高差中误差为±8.38mm。
        5 数据处理
        5.1 基线处理
        1)基线解算前,按规范和技术设计要求对外业观测资料进行了全面检查,观测成果符合调度命令和规范的要求;观测数据质量分析合理。
        2)基线处理使用随机软件Trimble Geomatics Office 1.6(TGO 1.6中文版),将外业采集的“*.dat”数据经过“Convert to RINEX”软件转换成为标准“RINEX”数据格式,再将“RINEX”数据导入项目进行基线解算,基线处理采用广播星历。
        3)GPS观测值中均加入了对流层的延迟改正,改正模型为Hopfield(霍普菲尔德)模型。
        4)基线解算,以同步观测时段为单位进行,全部按单基线解算,解算后提供了每条基线的基线分量及其方差—协方差阵。
        5)基线解均为双差固定解,Ratio平均值为34.7。
        5.2数据检核
        各项限差按照《全球定位系统(GPS)测量规范》C级GPS网精度要求,平面设定固定误差为10mm,比例误差系数为5×10-6,大地高差设定固定误差为20mm,比例误差系数为10×10-6,进行GPS网的复测基线、同步环和异步环闭合差检验。
 

        由以上统计结果可见,GPS网相邻点间复测基线精度,同步环、异步环闭合差精度,符合GB/T18314—2001《全球定位系统(GPS)测量规范》要求。
        5.3 C级GPS网平差处理
        GPS网平差计算采用武测PowerADJ4.0数据后处理软件。在TGO软件中各项观测数据质量检验符合要求后,因双频机和单频机的标称精度和观测精度不同,分别导出 *.asc文件,在往PowerADJ软件中导入数据时也按双频机和单频机的标称精度分别导入,以保证不同精度的接收机在平差计算时观测的基线数据能合理定权,以一个点的WGS-84坐标作为起算依据,在WGS-84坐标系下进行GPS网的三维无约束平差。基线分量的改正数绝对值的允许值V△X= V△Y≤3σ水平=±212mm,V△z≤3σ垂直=±424mm。平差后基线分量的改正数的绝对值最大V△X=16.5mm,V△Y=54.9mm,V△Z=37.7mm。最弱点红山(二),点位中误差9.9mm。
        在无约束平差确定的可靠观测量的基础上,在1980西安坐标系下进行二维约束平差,求出各待定点的1980西安坐标系坐标。起算点为208、209、Ⅰ15、Ⅰ13、Ⅰ11、S8、S/9、A60等八个已知点(S/10点作为起算点dV△X、dV△Y超限,红山(二)点有较大粗差,故舍去上述两点)。
        约束平差中,基线分量的改正数与无约束平差结果的同一基线相应改正数较差的绝对值,最大dV△X=95.9mm,dV△Y =89.6mm,允许值为dV△X=dV△Y≤2σ水平=±141mm。约束平差后最弱点红山(二),点位中误差32.5mm;最弱边边长相对中误差1/461295(DKC46-DKC47)。
        5.4 高程拟合
        高程系统采用1985国家高程基准;C级GPS网共联测四等水准高程48点,联测点分布均匀,为了检查拟合高程精度,在GPS网中均匀选择20个四等水准高程点作为高程拟合起算点,其它联测的四等水准高程点作为GPS网拟合高程检查点,采用附加地形改正的多次曲面拟合方式进行高程拟合,平差后高程中误差为±0.061 m,外部符合精度最弱点Ⅰ11,与联测的四等水准高程比较最大△h=11.4cm。最终成果以48个四等水准高程点作为高程拟合起算数据,采用附加地形改正的多次曲面拟合方式计算,拟合点34个,内符合精度5.62cm。
28个拟合高程点与联测水准高程较差(△h)统计如下:
 
  
        由上表统计结果表明:除DKC116点的高程较差超出等外水准限差外,其它各点拟合高程点与联测水准高程较差均达到了等外水准精度。由于四等水准是采用单程单测形式测量,各测段间可能会有一些误差,如果水准测量采用三等水准联测或四等水准采用单程双测或往返测的方法,拟合高程应该可以达到更好的精度。
        5.5 不同软件平差计算比较
        C级GPS网又用武汉大学研制的科傻(CosaGPS)软件进行平差验算比较,无约束平差后基线分量的改正数绝对值最大V△X=17mm,V△Y=54mm,V△Z=38mm。
二维约束平差的起算点相同,约束平差中,基线分量的改正数与无约束平差结果的同一基线相应改正数较差的绝对值,最大dV△X=100.9mm,dV△Y =80.6mm;最弱点红山(二),点位中误差23.7mm;最弱边边长相对中误差1/717000(DKC76-DKC115)。
        高程拟合也采用相同的起算数据,拟合后高程中误差6.6cm。
两种软件平差计算结果比较表。
         由以上两种软件的平差计算结果比较可见,C级GPS网的精度完全符合《全球定位系统(GPS)测量规范》要求。
        6 结束语
        这样既避免了水准盲目返工而导致的人力、物力的浪费,又节约了外业工作的时间,提高了工作效率。在今后工作中可以更多地采用GPS大地高差来对水准观测高差进行检核,该测区在四等水准基础上做的GPS高程拟合结果也证明了可以达到等外水准精度的要求。在上半年进行GPS基线解算时,发现有联测已知点的个别基线解算质量较差,经查询,是由于点位上的寻常标未拆造成的,后于11月重新观测以上相关数据,同时剔除4-5月相关数据。经解算后,数据质量明显变好,因此,在GPS观测时,GPS点上有寻常标时,应在安置天线前放倒觇标,观测结束后,再重新恢复起来。

参考文献
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作者简介:宋敏,女,工程师,现就职于乌鲁木齐市不动产登记中心,主要从事城市房产测绘与土地交易以及地理信息系统应用研究。