GPS控制网在城市测量工程中的应用及精度分析

摘 要：文章主要探讨了GPS控制网在城市测量工程中的应用及精度

若干问题。

关键词：GPS控制网；城市测量；工程应用；精度分析

1 全球定位系统

全球定位系统（Global Positioning System， GPS）是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统，它具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能，而且具有良好的抗干扰性和保密性。在测量领域，GPS系统可以向全球任何用户全天候地连续提供高精度的三维坐标、三维速度和时间信息等技术参数

2 全球定位系统的组成

GPS主要由空间卫星星座、地面监控站及地面控制系统（用户设备）三部分构成。

GPS空间卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星群组成，记作（21+3）GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，各平面之间交角为60°，轨道平面和地球赤道的倾角为55°，卫星的平均高度为20200km，运行周期为11小时58分。这样可以保证在任何时间和任何地点地平线以上可以接收4到11颗GPS卫星发送出的信号。卫星用L波段的两个无线电载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号，导航定位信号中含有卫星的位置信息，使卫星成为一个动态的已知点。在地球的任何地点、任何时刻，在高度角15°以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达到9颗。

GPS的地面控制系统（用户设备）包括一个主控站、三个注入站和五个监测站，主控站的作用是根据各监控站对GPS的观测数据计算卫星的星历和卫星钟的改正参数等并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时还对卫星进行控制，向卫星指令，调度备用卫星等。监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星工作状态。注入站的作用是将主控站计算的数据注入到卫星中去。

GPS的用户设备部分由GPS接收机（其作用是接收GPS卫星发出的信号，利用信号进行导航定位）、数据处理软件及相应的用户终端设备（如计算机、气象仪器）等组成。GPS接收机可捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，跟踪卫星的运行，并对信号进行交换、放大和处理，再通过计算机和相应数据处理软件，经基线解算、网平差，求出GPS接收机中心（测站点）的三维坐标。

3 GPS基线解算的精化问题

所测得的数据的准确性并不一定保证得到好的GPS成果，因为后期的数据处理也是影响GPS成果质量的重要因素。而数据的处理中基线的解算质量又是重中之重，下面给出几点行之有效的建议，希望对于得到高质量的基线解算：

（1）所使用的固定点的坐标的精确性要高，并且在进行基线的解算时使用手工处理；

（2）如果出现了整周的未知数难以收敛的情况应该采取以下措施：放弃观测历元少的卫星重组数据链；增加卫星高度角；采用单频解算；截取GDOP值较为稳定的数据段。当然针对较为复杂的问题可以综合考虑几种解决问题的方法，但是必须保留足够的观测数据以备使用。

（3）在外业过程中应该及时的对于信噪比 、失锁情况以及信号质量进行记录，以便于基线的手工处理。同时要遵循信噪比低于35的卫星慎用以及低于30的弃用的原则。

（4）根据边长的具体情况采取不同的方法：当变长大于25km时，进行的观测时间要尽量的长些，至少保证一个小时；当边不长时选择双差固定解。

4 GPS基线成果可童性检测指标与方法

在使用计算机软件进行基线的解算过程会得到一系列的可靠性检测指标：REJECTED、RD0P、RATIO以及RMS。其中REJECTED是去掉的不合理观测值的个数，通过其与观测数的比值可以得到表征观测值优劣比例，实际的数据提出率控制在10%以内，过低会使得劣质观察影响计算，过高又使得多余观测值较少，同样影响解算基线；RMS是表征观测质量的验后中误差。可以对周调的修复程度、观测噪音以及观测改正模型误差等给出综合的反映，当然是取值越小越好；RATIO作为一个比值，这一比值的获得是通过加减1-2周以及舍入取整的方式进行探查式计算，实现对于整周未知数N的探查。从计算的结果中选择残差平方和最小的数值作为分母，次小的作为分子，得到的比值越大就表明结果越好；RD0P是相对定位几何因子，与基线的长度无关，只受卫星星座的结合图形结构的影响。如果构成此图形结构的卫星个数越多，图形的强度又好，那么测量的误差对于基线的成果的影响也就越小。

5 提高GPS控制网测量精度有效措施分析

（1）接收机内部噪声水平检验又包括两种情况，即超短基线检验与零基线检验。使用长度精确的超短基线或者基线网进行GPS接收机内部噪声水平的检测方法原理如下：在超短基线的两侧分别安装一台接收机天线，按照高精度静态相对定位的规范进行实时的检测。由此得到的数据与已知的基线长度差值就可以反映接收机的内部噪声水平；后者是通过功分器将接受到的GPS卫星信号分为功率及相位一样的两路信号，然后输入到两个接收机，理论上讲，利用相对定位的原理解算由观测数据得到的相应的基线向量应为零。

（2）GPS野外鉴定场检测是通过在野外分别测量长边、超长边以及短边、超短边进行静态的观测，从而可以获得基线值与已知长度的差值，也就获得了接收机的内部噪声水平。

（3）天线相位中心稳定性的检验所一般采用的方式为相对定位法。此方法需要在基线网的精确位置上安装GPS接收机，天线的定向标保持在正北方向，在此基础上观测一两个小时后，将天线中的一根设置为不动状态，其余的在原来的基础上每隔90度设置一根，并进行一个小时的观测；然后保持天线不动，将上面不动状态的天线再相对于其余的天线依次的每隔90度转动，并做相应的观测。

6笔者对于GPS控制网在城市测量工程体会分析

（1）GPS控制网选点灵活，布网方便，基本不受通视、网形的限制，特别是在地形复杂、通视困难的测区，更显其优越性。选点要保证有足够的卫星高度角，以免仪器接收的卫星数量不足或接收的卫星位置不理想，造成基线解算质量不高；同时选点不能太靠近如高压线和水面等环境，避免接收信号受到电磁和多路径效应的影响。当精度要求较高时，应避免短边，无法避免时，要谨慎观测。

（2）在城市测绘工程之前要做好卫星预报工作，择最佳时段观测，以早上和傍晚为宜，此时卫星信号比较理想。

（3）当选点位置和观测时段欠佳时，应适当延长观测时间，以便基线解算时有足够的数据参加解算，提高基线解算质量。

（4）GPS测量的数据传输和处理采用随机软件完成，只要保证接收卫星信号的质量和已知数据的数量、精度，即可方便地得到符合精度要求的控制点三维坐标。

（5）GPS测量可以极大地降低劳动作业强度，减少野外砍伐工作量，提高作业效率。一般GPS测量作业效率为常规测量方法的3倍以上。

（6）GPS高精度高程测量同高精度的平面测量一样，是GPS测量应用的重要领域。特别是在山岭重丘区，由于这些地区地形条件的限制，实施常规的水准测量有一定困难，采用GPS高程测量无疑是一种简单、便捷、高效、经济的手段，做为一种先进的3S测量技术，已在工程领域得到广泛应用。

参考文献

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[2]张建.GPS定位系统在城市测量工程中的应用及精度分析[J] 当代建设.2014（02）

[3]叶平林.GPS控制网在城市规划控制测量中的应用[J] 科技信息.2013（08）