GPS定位测量是接收GPS卫星信号实现空间定位的一种高新测量技术。一般而言, GPS具有全天候作业、观测操作简便、布网自由、观测与数据处理自动化程度高、同时提供三维坐标、定位精度高等特点。鉴于静态GPS测量的特点, 在等级控制测量中, 静态GPS测量得到了广泛的应用。目前GNSS高精度数据处理软件有GAMIT和Bernese等, 数据处理较繁琐。但用于低等级的GPS网数据处理, 一般用GPS厂家提供的随机软件结合相关规范规程, 就能满足生产需要。本文就利用HDS2003软件进行GPS控制网的数据处理为例, 对静态GPS网数据处理的方法进行探讨。
新建项目的主要目的是输入静态GPS网处理基本参数, 建立数据处理的环境。在数据处理之前, 必须明确以下几项内容。
(1) 项目所需要的坐标系统、中央子午线和高程系统。 (2) 已知点的坐标系统、中央子午线和高程系统。 (3) 根据项目技术设计, 本GPS网是什么等级或主要技术指标。
通常情况下, 项目所需要的坐标系统、中央子午线和高程系统和已知点的坐标系统、中央子午线和高程系统是一致的。若不一致, 需坐标转换。
以HDS2003为例介绍工程项目文件建立过程。 (1) 选择文件夹存贮的位置和名称。 (2) 按实际情况的输入项目细节。 (3) 选择数据处理的依据和控制网等级。 (4) 选择坐标系统和设定中央子午线。
将中海达GPS下载的原始文件拷贝到新建的文件夹下, 在软件中可直接导入。外业采用非中海达天线, 需使用该机原配传输软件下载数据, 再用原配数据软件转换到标准RINEX格式。比如:南方GPS和中海达GPS同时观测时, 南方GPS应该用南方的软件传输和数据格式转换, 因为南方的软件内置了南方天线的参数。
GPS网相邻点间弦长中误差σ按下式计算:。式中a (mm) 为固定误差;b (ppm) 为比例误差系数;d (km) 为相邻点间的距离。
各等级GPS网的主要技术要求 (以《全球定位系统城市测量技术规程CJJ7397》为例) 如表1。
σ值是GPS精度指标的基础, 基线精度限差都是σ计算得出。主要限差有:RATIO、整数解误差、同步环闭合差、异步环闭合差和重复基线较差。
在传统的三角测量的中, 对网形的边长和夹角有严格的要求, 而在静态GPS测量规范中, 对网形没有如此严格的规定。以致于许多测绘人员在布网时, 对网形不是很重视。其实对于静态GPS网来说, 网形一样很重要, 因为网形不好会导致环闭合差偏大, 不易通过检验。
在静态GPS测量中, 为了提高效率通常使用多台GPS同时观测, 有时多达10台。因同步的GPS接收机数量多, 产生基线的数量大。为了提搞数据处理效率, 简化网形。简化网形最主要方式就是禁用多余基线。在实际软件操作中, 不宜删除基线, 而使用禁用功能。因为删除是不可逆的, 而禁用基线后还可以解除禁用。最简闭合环边数, 可参考规范。
注:当边长小于200m时, 边长中误差应小于20mm。
《全球定位系统城市测量技术规程CJJ7397》中关于闭合环的最多边数规定如表2。
比如四等网, 规范规定不大于10条边, 根据经验在实际工作中最简闭合环边数不宜超过6条边的。在软件实际解算时, 往往只列出三边闭合环结果, 实际上多边闭合环可理解为是若干个三边闭合环的组合, 而且精度普遍较高, 与规范规程并不冲突。
(1) 边缘部份需有基线连接, 如图1IA947~IA939之间。
(2) 基线跨越了多点, 需禁用。如图1IA900~IA895之间的基线。
(3) 基线形成了小夹角或长短边。通常夹角不宜小于30°, 相邻边长长度比例不宜超过1∶3或3∶1。如图1IA900~IA903, 夹角太小宜禁用。
粗差数据的删除需借肋残差图工具, 粗差数据的删除是静态GPS数据处理的核心部分。在GPS接收数据时, 受电离层、多路径效应和无线电干扰等影响, 会出现粗差数据。在基线处理时, 删除粗差数据主要遵循以下原则: (1) 先看残差图的总体情况, 再逐一删除与标准值偏离较远的数据, 宜每删除一段数据, 就处理一次。 (2) 同一个时段的基线使用同一个参考卫星, 通常软件会自动选择。 (3) 卫星高度不够, 时间不长的数据需删除, 从理论上讲4个卫星观测数据就能得到固定解。 (4) 尽量不要从中间册除卫星数据, 以保证数据完整性。
在软件中操作中, 闭合差的计算是通过捜索闭合环来实现的。软件已内置规范各项指标, 在处理的过程中若超限, 有相应的提示, 需重新处理基线。处理基线和捜索闭合环, 这一过程需反复进行。HDS2003中闭合差计算比规范严格, 如果软件提示超限后, 可根据相关规范自行计算限差判断是否超限。
GPS网的无约束平差指的是在平差时不引入会造成GPS网产生由非观测量所引起的变形的外部起算数据, 主要作用有以下几个方面:评定GPS网的内部符合精度, 发现和剔除GPS观测值中可能存在的粗差;得到GPS网中各个点在WGS-84系下经过了平差处理的三维空间直角坐标;为将来可能进行的高程拟合, 提供经过了平差处理的大地高数据。
在三维无约束平差中, 最重要一个指标是T检验, 限差小于1。T检验不合格就说明GPS内还有粗差数据, 主要原因为为: (1) 网形不合理存在明显的长短边和小夹角。 (2) 基线处理时, 有粗差数据没有删除。 (3) 处理同一个时段的基线时, 没有使用同一组卫星。
在平差时, 软件会提示某条基线T检验超限, 实际情况是与此基线所在同一闭合环的基线都可能有问题。处理时相关基线可重解算或调整网形, 禁用误差大的基线。这一个过程也有是一个反复的过程, 需要有耐心调整基线和网形。
已知点是二维约束平差的依据, 三维无约束平差合格说明GPS网本身精度已合格, 要转换成当地坐标还需输入已知点。输入已知点后, 通过参数计算可知已知点残差, 从残差数值可得出各已知点与GPS网形的适应性。从而达到检查已知点的目的。使用HDS2003软件平差结束时, 超限会提示。在二维约束平差中最重要指标是二维平差基线边的相对中误差和点位中误差。这些指标在平差报告中有明确的显示, 可根据相关规范进行精度的评定。
GPS直接观测值为大地高, 而我们实际运的高程为正常高。通常我们通过水准联测方法得到测区部分控制点的正常高, 与GPS大地高对比。得出这部分点的高程异常, 据此采用一定数学模型, 推算其它控制点正常高的过程, 即高程拟合。这个过程有两个关键的地方, 联测水准点在整个测区的分布和数量。HDS2003中有三种拟合方式:平移、平面拟合和曲面拟合。只有一个或两个已知高程点, 只能选择平移;3个到5个已知高程点可选择平面拟合;6个以上已知高程点可选择曲面拟合。
在实际工作中, 据经验若要达到等外水准的精度, 测区的四周及中央要均匀分布水准点。联测水准的GPS点一般需占总数的30%以上。平差后首先要进行内符合精度检查, 再进行外符合精度检查。在平差时选择几个水准联测点不要输入水准成果, 平差后的高程成果与水准成果对比, 即水准拟合外符合精度检查。若高程较差小于4cm~5cm, 可视为已达到等外水准精度。最后将检查点的水准高补输入软件中, 重平差。
对于普通工程测绘人员讲, 主要从事GPS-D或E级, 以及更低级的控制测量, 掌握厂家附送的商业软件, 足以应对工程测量的控制工作。其它GPS厂家如南方、华测和天宝也有静态处理软件, 但大同小异。一般数据处理流程为, 新建数据处理的工作环境、基线解算、闭合环组网、三维无约束平差、二维无约束平差和高程拟合。根据规范的精度指标, 基线解算、闭合环组网和三维无约束平差需反复多次, 达到精度指标为止, 这一个过程也是数据处理的核心部份。二维平差和高程拟合除观测数据质量外, 与起算点本身精度也有直接关系。在精度不达标时, 一定要分清GPS网本身精度不足, 还是起算点精度不足。只有准确判断精度不达标的原因, 才能确定下一步的数据处理方案。若GPS网本身精度不足, 应该重新处理相关基线, 重新组网。若起算点精度不足, 应该找出精度不足的一个或多个点删除或更换。
摘要：结合静态GPS测量的基本原理和相关测量规范, 使用中海达HDS2003数据处理软件, 探讨静态GPS控制测量数据处理的过程。对于一些常见的问题, 提出解决的方法。
关键词：静态GPS控制网,基线向量,二维平差,高程拟合
[1] CJJ73-97, 全球定位系统城市测量技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社, 1 99 7.
[2] GB/T18314-2009, 全球定位系统 (GPS) 测量规范[S].北京:中国标准出版社, 2009.
[3] HDS2003GPS数据处理软件使用手册[S].广州:中海达测绘仪器有限公司.
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