所属栏目：应用电子技术论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:271
副标题#e#摘 要：利用全球定位系统（GPS）施测测区的首级平面控制网得到了广泛的应用，本文对三、四、五等工程GPS控制网平差成果实际精度与各行业GPS技术规范规程要求比较，进行内部符合精度检查。内部符合检查从基线解算（基线处理），无约束网平差到约束平差等主要环节对照各规范规程要求，提出具体的主要检验项目和精度指标，只要满足了这些要求，提供的产品才是合格。
关键词：GPS；控制网；精度；指标；检查
绪 论
全球定位系统（GPS）作为测区的首级平面控制网得到了广泛的应用，如何检验评价GPS控制网的质量？网的精度能否满足规范规程要求的精度指标？现根据城市、交通、水电、地矿等行业的规范规程结合本人数年来参与做的控制网，即GPS三、四、五等控制网成果资料进行精度评定和比较。
我院通常以静态单频GPS接收机4台套布设工程三、四、五等GPS控制网作为测区首级控制或控制网复测。野外严格按规范要求作业，室内采用随机软件在微形计算机上进行数据通信，基线解算，三维无约束平差，约束平差和坐标转换，最后打印输出。
GPS数据处理的精度主要在基线解算、三维无约束平差和约束平差三个环节进行控制。
1. 基线解算
野外GPS接收机内存的观测成果在微机上通信后首先进行基线解算，解算所需单点起算坐标（称种子参考点）按公路GPS测量规范起算坐标按下列顺序选取（见参考文献[1]）：
（1）国家或其它等级高的GPS控制网WGS—84坐标；
（2）国家或其它等级高的控制点转换至WGS—84坐标；
（3）GPS单点定位观测2小时以上（城市GPS规程为30分钟以上）平差值提供的WGS—84坐标。我院常采用GPS单点定位平差结果处理基线。
基线解算过程中查看最少接收卫星数规定为≥4颗，实际上为4—9颗。任一时间卫星分布状况的三维点位几何强度因子PDOP应不大于规范限值（如城市GPS四等要求PDOP≤6），同一时段不合格的数据列率应小于10%。处理基线中，解算整周模糊度的能力与基线的长度有关，获得全部模糊度参数整数解的结果称为双差固定解，只获得双差模糊度参数整数解的结果称为双差浮点解，对于较长的基线，浮点解也不能得到较好的结果，只能用三差解。同一级别的GPS 网，根据基线长度的不同，可采用不同的基线解算类型。根据相应的国家GPS 测量规范，在8 公里以内的基线必须采用双差固定解。
检验项目如下：
1.1 方差比（RATIO）
方差比是次最小基线解算均方根差RMSsec与最小均方根差RMSmin比值，即：
据文献[3]，基线向量长在5km内，要求方差比＞3。例如青田各流域GPS四等网，共解算186条基线，其中最小方差比4.86，大部分方差比99.99，全部达到要求。
这项指标是衡量基线解算的关键值。方差比的大小与确定合适的卫星信号质量历元间隔和合适的卫星高度截止角有关，方差比偏小要适当调整。通过设置卫星高度角、采样间隔、有效历元等参数可以对基线进行优化。如果经以上处理仍然达不到要求，在不影响网强度情况下可剃除，不然就重测一个时段。
1.2 基线中误差
基线解算后的基线中误差要满足设置值（先验值），即QA检验。先验值常根据相应GPS网的等级边长而定，工程控制网先验中误差一般设置为±4～5cm。
1.3 重复基线较差
重复基线测量较差△d允许值，按公路GPS规范为： 
式中 △d：复测基线较差允许值，单位mm；
б：基线中误差，单位mm；
a：固定误差，单位mm；
b：比例误差，单位ppm；
d：基线长，#p#副标题#e#单位km。
根据公路GPS规范：a、b采用接收机标称精度。我院设备标称精度a=5mm，b=1ppm×D按此计算举例计算△d有：
当 d=0.3km ，△d=14.2mm
d=1.2km ，△d=14.5mm
d=2.3km ，△d=5.5mm
d=5.0km ，△d=20.0mm
1.4 同步环闭合差
由同步观测基线向量构成的环称同步环，其闭合差允许值以城市测量规程为例（见参考文献[4]）GPS四等为：
全长分量相对闭合差≤6.0ppm
全长相对闭合差≤10.0ppm
GPS一级为：
全长分量相对闭合差≤9.0ppm
全长相对闭合差≤15.0ppm
1.5 异步环闭合差
由非同步观测获得的基线向量构成的独立观测环（异步环）闭合差允许值，如以城市GPS规范四等网为例要求为： 
式中：n：独立环边数
：规范规定相应级别基线中误差（见式（2）），以四等网为例，a=10mm，b=10ppm，d为环的平均向量长，以km为单位。
以上各项如有超限，要查找原因处理，处理结果要合限。
2. 三维无约束平差
由独立合格的基线（8km以下的基线采用双差固定解）组成网在世界大地坐标系—84（WGS—84）系下进行三维无约束平差，平差所需一个种子参考点作为唯一的约束条件，因此三维无约束平差也称最小约束平差。种子参考点来源已在基线解算中确定，网的向量总体精度受此基准影响。
GPS接收机随机软件自动搜寻合格基线解组成网进行三维无约束平差，平差结果输出WGS—84系下的直角坐标XYZ，经度、纬度及大地高（椭球高），基线向量长、分量长、分量改正数和精度评定等。
无约束网平差成主要精度评定项目如下：
2.1 网的整体性检查
GPS网为若干闭合环组成的整体网，网中不能出现孤点或从一点引出的孤立图形（如三边形、四边形），这些孤立图形不能纳入整体网内。如有必要野外补测为整体图。
2.2 x2检验
x2检验是指设置置信度（一般取a=95%）后，无约网经平差后方差等于期望值，x2值落在设定值的上、下限内。如平差后方差小于期望值，反映观测误差不真实，平差后方差大于期望值，说明观测值可能存在粗差。x2值落在设定值的上、下限外，检验失败。需根据参考因子修改方差比例系数（调整尺度因子）重新平差，使验后方差与先验方差一致。
2.3 Tau检验（τ检验）
x2通过后接着进行Tau检验，即检验基线向量残差（向量改正数）有否超限，如超限了，说明存在粗差基线。τ分布置信度水平可设置为99.7%（可画直方图）时进行检验。
根据GPS规范，基线改正数应满足下式要求：
式中 、 、 为基线分量改正数， 为相应等级规定的向量中误差（见式（2））。
2.4 QA检验
由三维无约束平差后计算的基线向量中误差应满足平差前预先设置值。如参考文献[2]设置值：平面精度20mm+1ppm×D，高程精度30mm+2ppm×D，D为向量长，以km为单位。
QA检验通过，表示基线向量中误差满足期望值。
上述4项检验均为粗差探测工具，满足要求说明该网为无粗差基线的整体网。
2.5 基线中误差检验
三维无约束网平差成果的精度：基线中误差（即弦长精度），是GPS网质量的真实代表，无论基线长短，按式（2）计算的中误差 应满足规范要求。以城市GPS三四等网为例，中误差 允许值要求如下表： 
3. 约束平差
经无约束平差合格的网内输入国家平面坐标（如1954年北京坐标系或1980西安坐标系坐标）或自定义坐标系坐标或输入已知边长、方位角进行二维约束平差。输入若干已知高程后也可进行三维约束平差和高程拟合。平差前需进行坐标系设置，如椭球面设置中央子午线设置、投影参数设置等。随机软件在进行约束平差的同时也完成了坐标转换。平差后输出坐标、高程、平面边长、方位角等平差值、边长改正数和精度评定。
当网中仅有一个坐标起#p#副标题#e#算点、一条起算边长和一个起算方位角时称独立网。如网中有二个（或二个以上）已知点时称附合网。附合网约束平差时要检查已知点的兼容性。参照城市GPS规程，兼容性检查三等基线边长相对中误差应≥1∶8万，四等基线边应≥1∶4.5万。
约束网精度评定项目：
3.1 平面边长相对中误差
以城市GPS规程为例，三等边≤1/8万，四等边≤1/4.5万（200m以下短边仅评定弦长精度即可）。点位中误差按规定要求。
3.2 已知点兼容性
当网内一般有三个（或三个以上）已知点时，应检核已知点成果兼容性，及约束平差基线向量改正数与无约束平差向量改正数较差（ 
）应满足下式要求：
式中： 为规范规定的相应等级弦长中误差（见式（2））。
顺便指出，经GPS接收机随机GPS后处理软件处理打印所显示的成果对照各行业规范精度指标要求，很难面面俱到，需借助程序型计算器编程计算补充评定精度。
3.3 高程拟合
GPS网中均匀布设6点（或6点以上）高等级水准点进行曲面拟合，推算各点高程精度高，如只有3—5点，则进行平面拟合，高程精度次之。如只有二点，称直线拟合，精度更差。如只有一个起算点，称平推。为解决此难点，常用水准测量（或测距三角高程代替）联测部分GPS点高程。GPS点拟合高程常不采用，不作精度评定。
结论
以上所述GPS控制网质量检验仅限于室内，即内部符合检验。外部检验包括GPS网复测、全站仪测边、测角、附合导线等方法检核，外部检验的控制等级、作业要求要优于或等同于原先控制网的等级。
GPS控制网内部符合检查从基线解算（基线处理），无约束网平差到约束平差等主要环节对照各规范规程要求，提出具体的主要检验项目和精度指标，只要满足了这些要求，方可提供符合规范要求的产品。
参考文献
[1]交通部 公路全球定位系统（GPS）测量规范 1999年
[2]美国阿什泰克（Ashtech）公司 GPS数据后处理软件使用手册 2001年
[3]南方测绘仪器有限公司 GPS数据处理软件操作手册 2006年
[4]建设部 全球定位系统城市测量技术规程 1997年
[5]中海达测绘仪器有限公司 GPS数据处理软件操作手册 2006年