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城市GPS控制網(wǎng)施測質(zhì)量控制措施探討
【摘 要】 本文作者在深入研究全球定位系統(tǒng)（GPS）靜態(tài)定位原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合多年生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，就城市GPS控制網(wǎng)的布網(wǎng)原則、等級劃分、作業(yè)方法及成果整理要求進(jìn)行了探討。通過全面質(zhì)量控制以確保城市GPS控制網(wǎng)測量成果符合現(xiàn)行測量規(guī)范的要求。
【關(guān)鍵詞】 GPS 基線向量 約束平差
全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，縮寫GPS）是美國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)以其全能性（陸地、海洋、航空和航天）、全球性、全天候、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的導(dǎo)航定位功能，已被廣泛地應(yīng)用于各種等級精度的城市控制測量中。如何對城市GPS控制網(wǎng)施測進(jìn)行有效的質(zhì)量監(jiān)控，將會直接影響到成果的測量精度。為此，筆者結(jié)合多年的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，就如何有效保證城市GPS控制網(wǎng)測量精度制定了一套質(zhì)量控制措施，以供城市測量GPS用戶參考。
一、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
※ 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》GB/T 18314-2001
※ 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)范》CJJ 73-97
※ 中華人民共和國測繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量型接收機(jī)檢定規(guī)程》CH 8016-95
※ 中華人民共和國測繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《測繪產(chǎn)品檢查驗(yàn)收規(guī)定》CH 1002-95
二、專業(yè)技術(shù)設(shè)計(jì)
（一）等級劃分
根據(jù)《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》和《全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定的城市各級GPS控制網(wǎng)相鄰點(diǎn)間平均距離，要求在城市GPS控制網(wǎng)布設(shè)時(shí)，其相鄰點(diǎn)間平均距離應(yīng)符合表1要求。同時(shí)，允許相鄰點(diǎn)的最小距離可為平均距離的1/3~1/2，最大距離可為平均距離的2~3倍。考慮到南方地區(qū)丘陵、山地地形復(fù)雜，因此，在南方地區(qū)布設(shè)C級GPS控制網(wǎng)時(shí)，其平均邊長限制可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)放寬到20~25公里，同時(shí)規(guī)定邊長超過25公里的同步環(huán)應(yīng)增測一個(gè)時(shí)段，以確保GPS測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量。
城市各級GPS控制網(wǎng)平均邊長 表1（單位：km）
（二）精度設(shè)計(jì)
根據(jù)GPS控制網(wǎng)相鄰點(diǎn)間基線長度精度計(jì)算公式：
式中：σ為標(biāo)準(zhǔn)差，單位mm；
d為相鄰點(diǎn)間距離，單位mm。
計(jì)算得到各級GPS控制網(wǎng)最弱邊相對中誤差限差，同時(shí)規(guī)定了觀測相應(yīng)等級GPS控制網(wǎng)時(shí)所選GPS接收機(jī)標(biāo)稱精度不應(yīng)低于表2的要求。布設(shè)一級、二級GPS控制網(wǎng)時(shí)，由于邊長通常都較短，如用最弱邊相對中誤差來評定控制網(wǎng)精度則很難達(dá)到要求，因此，《全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定了當(dāng)邊長小于200米時(shí)，則以其邊長中誤差應(yīng)小于20毫米為限差要求。
城市各級GPS控制網(wǎng)最弱邊相對中誤差 表2
（三）編寫技術(shù)設(shè)計(jì)書
根據(jù)測量任務(wù)需要，收集測區(qū)范圍既有的測量資料、有關(guān)地形圖、圖、測區(qū)總體建設(shè)規(guī)劃和近期發(fā)展方面資料，進(jìn)行資料分析研究，必要時(shí)進(jìn)行實(shí)地勘察，按照最優(yōu)化原則進(jìn)行室內(nèi)圖上設(shè)計(jì)。同時(shí)，根據(jù)控制網(wǎng)的精度設(shè)計(jì)要求編寫技術(shù)設(shè)計(jì)書，技術(shù)設(shè)計(jì)書應(yīng)包含如下內(nèi)容：
※ 項(xiàng)目來源：介紹項(xiàng)目的來源、性質(zhì)。
※ 測區(qū)概況：介紹測區(qū)的位置、氣候、人文、發(fā)展?fàn)顩r、交通條件、通訊條件等。
※ 工程概況：介紹工程目的、作用、要求、等級（精度）、完成時(shí)間等。
※ 技術(shù)依據(jù)：介紹作業(yè)所依據(jù)的測量規(guī)范、工程規(guī)范、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。
※ 施測方案：介紹測量所采用的儀器、采取的布網(wǎng)方法等。
※ 作業(yè)要求：介紹外業(yè)觀測時(shí)的具體操作規(guī)程、技術(shù)要求等，包括儀器參數(shù)的設(shè)置（如采樣率、截止高度角等）、對中精度、整平精度、天線高的量測方法及精度要求等。
※ 觀測質(zhì)量控制：介紹外業(yè)觀測的質(zhì)量要求，包括質(zhì)量控制方法及各項(xiàng)限差要求等。
※ 數(shù)據(jù)處理方案：說明詳細(xì)的數(shù)據(jù)處理方案，包括基線解算方法、網(wǎng)平差處理方法等。
技術(shù)設(shè)計(jì)書經(jīng)過總工程師審批后即生效，后續(xù)所有工作都必須按照技術(shù)設(shè)計(jì)書設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)施。
三、外業(yè)施測
（一）選點(diǎn)埋石
GPS控制網(wǎng)點(diǎn)位選擇應(yīng)符合技術(shù)設(shè)計(jì)的要求，點(diǎn)位基礎(chǔ)堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定、易于長期保存、方便觀測，視野開闊、交通方便，并應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源。利用舊點(diǎn)時(shí)，應(yīng)檢查舊點(diǎn)的穩(wěn)定性、可靠性和完好性，符合技術(shù)設(shè)計(jì)要求的方可使用。
城市各級GPS控制網(wǎng)可參照下圖所示選用相應(yīng)的標(biāo)石類型。如C級、D級、E級選用Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類，一級、二級選用Ⅳ類。埋石時(shí)，各層標(biāo)志中心嚴(yán)格在同一鉛垂線上，其偏差不得大于2毫米。強(qiáng)制對中裝置的對中精度不得大于1毫米。
選點(diǎn)、埋石結(jié)束后應(yīng)繪制GPS點(diǎn)之記和GPS控制網(wǎng)選點(diǎn)圖。如點(diǎn)位周圍有高于10°障礙物時(shí)應(yīng)繪制該點(diǎn)的點(diǎn)位環(huán)視圖。
（二）GPS外業(yè)觀測
GPS控制網(wǎng)外業(yè)觀測時(shí)，作業(yè)人員應(yīng)參照表3靜態(tài)觀測基本作業(yè)技術(shù)要求來執(zhí)行。天線對中誤差不應(yīng)大于3毫米，基座圓水準(zhǔn)氣泡必須居中，觀測前后在天線互為120°方向上量取天線斜高，互差應(yīng)小于5毫米。開機(jī)后把測站相關(guān)信息輸入GPS接收機(jī)并做外業(yè)觀測記錄。
四、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理
（一）GPS基線向量解算
各級GPS控制網(wǎng)基線解算可采用隨機(jī)配備的商用軟件或經(jīng)有關(guān)部門試驗(yàn)鑒定過的基線解算軟件進(jìn)行GPS基線向量解算。基線解算后應(yīng)按以下指標(biāo)進(jìn)行質(zhì)量檢核。
1、重復(fù)基線長度較差ds應(yīng)滿足下式要求：
2、同步環(huán)坐標(biāo)分量及環(huán)線全長閉合差應(yīng)滿足下式要求：
3、異步環(huán)坐標(biāo)閉合差應(yīng)滿足下式要求：
式中：n：閉合環(huán)邊數(shù)；
б：相應(yīng)級別規(guī)定的精度（按實(shí)際平均邊長計(jì)算）。
（二）GPS控制網(wǎng)平差計(jì)算
1、三維無約束平差
各級GPS網(wǎng)整體平差計(jì)算可采用隨機(jī)配備的商用軟件或經(jīng)有關(guān)部門試驗(yàn)鑒定的商用平差軟件進(jìn)行平差計(jì)算。在基線向量檢核符合要求后，以三維基線向量及其相應(yīng)方差——協(xié)方差陣作為觀測信息，以一個(gè)點(diǎn)的WGS-84系下三維坐標(biāo)作為起算依據(jù)，進(jìn)行GPS控制網(wǎng)三維無約束平差。三維無約束平差報(bào)表須提供各點(diǎn)在WGS-84系下的三維坐標(biāo)、各基線向量及其改正數(shù)和其精度信息。基線分量的改正數(shù)絕對值應(yīng)滿足下式：
否則，認(rèn)為該基線或其附近的基線存在粗差，應(yīng)在平差中采用軟件提供的自動方法或人工方法剔除，或者重新解算不合格的基線，直至上式滿足為止。
2、二維約束平差
利用三維無約束平差后可靠的觀測量，根據(jù)實(shí)際要求選擇在WGS-84坐標(biāo)系、國家坐標(biāo)系或地方獨(dú)立坐標(biāo)系下進(jìn)行三維約束平差或二維約束平差。在約束平差計(jì)算中，可以對已知點(diǎn)坐標(biāo)、已知距離和已知方位進(jìn)行強(qiáng)制約束或加權(quán)約束。約束平差成果報(bào)表中應(yīng)輸出約束平差計(jì)算后的坐標(biāo)、基線向量改正數(shù)、基線邊長、方位、轉(zhuǎn)換參數(shù)及其相應(yīng)的精度信息。在約束平差計(jì)算中，基線分量的改正數(shù)與經(jīng)過粗差剔除后無約束平差結(jié)果的同一基線其相應(yīng)改正數(shù)的絕對差值應(yīng)滿足下式：
否則，認(rèn)為作為約束的已知坐標(biāo)、已知距離、已知方位中可能存在一些誤差較大的值，因此，需要采用自動或人工的方法剔除這些誤差較大的約束值，直至上式滿足為止。
3、GPS高程擬合
在三維無約束平差計(jì)算后，根據(jù)軟件的功能和聯(lián)測已知水準(zhǔn)數(shù)據(jù)的數(shù)量選擇適當(dāng)?shù)母叱虜M合模型進(jìn)行高程擬合計(jì)算。
（三）成果整理及檢查驗(yàn)收
GPS內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理完成后應(yīng)按技術(shù)設(shè)計(jì)書的要求進(jìn)行項(xiàng)目成果整理。成果整理包括對平差計(jì)算手簿、成果表、GPS構(gòu)網(wǎng)圖、點(diǎn)之記、技術(shù)等相關(guān)資料進(jìn)行打印裝訂，刻錄數(shù)據(jù)光盤并標(biāo)注內(nèi)容。
成果整理完成后應(yīng)送質(zhì)量監(jiān)督檢查部門進(jìn)行產(chǎn)品檢查驗(yàn)收，經(jīng)質(zhì)量監(jiān)督檢查部門檢查驗(yàn)收評定合格且經(jīng)過作業(yè)中隊(duì)按照驗(yàn)收意見進(jìn)行徹底修改完善后，方可將測量成果上交用戶使用。
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