城市GPS网的布设及精度分析

摘要：本文是作者根据实际施工操作经验介绍城市GPS网的布设及精度分析。

关键词: 技术设计的一般原则；图形设计控制；精度分析

中图分类号：P228.4文献标识码：A文章编号：

前言：

为了满足城市建设和发展的需要，提出了应用全球定位系统（ＧＰＳ）技术分级布设城市控制网的方法和相应的数据处理手段，通过对实例的计算，充分说明了在大中城市中ＧＰＳ控制网分级布设的优越性和必要性，同时还探讨了分级布网对点位精度的影响，通过对不同布网方案的比较、分析，得出分级布网不但能保证全网的精度均匀、一致性，而且能明显地改善点位精度，特别是当首级网布设均匀、合理时，效果尤其显著。GPS技术的发展为大地测量提供了一种新的高精度的测量手段。GPS测量不需要两点间通视、不受天气影响、能直接获得三维坐标，精度高，速度快，费用省，操作简便，GPS技术已成为大地测量的重要手段。

1.工程概述

某城市某地区GPS网的野外布设，这个地区共34平方公里，地势较为平坦。

2.技术设计的一般原则

2.1 充分考虑建立GPS控制网的应用范围

对于工程建设的GPS网，应该既考虑勘测设计阶段的需要，又要考虑施工放样等阶段的需要。对于城市GPS控制，既要考虑近期建设和规划的需要；又要考虑远期发展的需要；还可以根据具体情况扩展GPS控制网的功能，充分发挥GPS网和测绘工作在城市建设中的作用。

2.2 采用分级布网的方案

适当地分级布设GPS网，有利于根据测区的近期需要和远期发展分阶段布设，而且可以使全网的结构呈长短边相结合的形式。与全网均由短边构成的全面网相比，可以减少网的边缘处误差的积累，也便于GPS网的数据处理和成果检核分阶段进行。分级布网是建立常规测量控制网的基本方法，因为GPS测量有许多优越性，所以并不要求GPS网按常规控制网分很多等级布设。例如，大城市的GPS控制网可以为三级：首级网中相邻点的平均距离大于5km；次级网中相邻点平均距离为1~5km；三级网相邻点平均距离可小于1km，且可采用GPS与全站仪相结合的方法布设。对于小城市，分两级布设GPS网即可。为提高GPS网的可靠性，各级GPS网必须布设成由独立的GPS基线向量边（或简称为GPS边）构成的闭合图形网，闭合图形可以是三边形、四边形或多边形，也可以包含一些附和路线，GPS网中不允许存在支线。

2.2.1本项目要在34平方公里单位内布设约170个GPS点,点与点之间的平均边长约为300m。

2.2.2每幅1:500图上布设4个以上GPS E级控制点。

2.2.3为了提高本GPS控制网的利用效率，须保证任意一个GPS点与一个(含一个)以上的GPS点通视。

2.2.4GPS控制点在满足基本要求的前提下，应尽量均匀分布，以提高网的图形强度，必要时可增设若干一级GPS点。

2.2.5应联测测区内所有的D级GPS控制网及等外以上级水准点。确保每个平差区内有3个(含3个)以上的约束点,约束点在不同的平差分区内可重复利用。

2.2.6如果联测的已知高程点数量或分布均匀度不能满足高程拟合的不同，选择不同数量的点，按四等水准的要求进行水准联测，以确保高程拟合达到要求。

2.3精度和密度设计

GPS控制网的精度取决于网的用途。精度设计时，根据任务要求和具体的服务对象，以充分满足工程要求为前提，用于工程及城市的GPS控制网可根据相邻点的平均距离和精度进行设计。

2.4 坐标系统与起算数据

GPS网的坐标系统应尽量与测区过去采用的坐标系统一致，如果采用的是地方独立坐标系，一般应该了解以下几个参数：

a、所采用的参考椭球体，一般是以国家坐标系的参考椭球为基础；

b、坐标系的中央子午线的精度值；

c、纵、横坐标的加常数；

d、坐标系的投影面高程及测区平均高程异常值；

e、起算点的坐标GPS网的位置基准，通常都是由给定的起算点坐标确定。方位基准可以通过给定起算方位角值确定，也可以由GPS基线向量的方位作为方位基准，尺度基准可以由地面的电磁波测距边确定，或由两个以上的起算点之间的距离确定，也可以由GPS基线向量的距离确定。

3.GPS控制网的图形设计控制

网的图形设计主要是根据网的用途和用户要求，侧重考虑如何保证和检核GPS数据质量，同时还要考虑接收机类型、数量和经费、时间、人力及后勤保障条件等因素，以期在满足要求的前提条件下，取得最佳的效益。

3.1 设计的一般原则

3.1.1GPS网一般应采用由独立观测边构成的闭合图形。例如三角形、多边形或附和线路，以构成检核条件，提高网的可靠性。

3.1.2GPS网点尽量与原有的地面控制网点相重合。重合点数应多于3个，以便可靠地确定GPS网与地面网之间的转换参数。

3.1.3GPS网点应考虑与水准点相重合，而非重合点一般应根据要求以水准测量方法进行联测。

3.1.4为便于观测和水准联测，GPS网点一般应设在视野开阔和交通方便的地方。

3.1.5为了便于用常规方法联测或扩展，C、D、E级控制网点应有1~2个方向通视。

3.2 GPS网的基本形式 根据GPS测量的不同用途，GPS网的几何图形结构，有以下三种形式。

3.2.1三角形网

各三角形边是由非同步观测的独立边所组成。这种网的几何图形结构强，具有良好的自检能力，能有效地发现观测成果的粗差，确保网的可靠性。经平差后网中相邻点间基线向量的精度分布均匀。

这种网的主要缺点是观测工作量较大，尤其当接收机的数量较少时，将使观测工作的时间大为延长。因此，通常只有当网的可靠性和精度要求较高时，才单独采用这种图形结构的网。

3.2.2环形网

由若干个含有多条独立观测边的闭合环所组成的网，称为环形网，这种网的图形结构强度较三角网差，其优点是观测工作量较小，具有较好的自检性和可靠性。其缺点主要是非直接观测的基线边（或称间接边）精度较直接观测边低，相邻点间的基线精度分布不均匀。

3.2.3附和线路和星形网

（1）在GPS高级网中需进一步加密控制点时，可采用附和线路，为保证可靠性和精度，附和线路所包含的边数也不能超过一定限制。

（2）星形网的几何图形。其图形简单，直接观测边之间不构成任何闭合图形，所以检验和发现粗差的能力差。这种图形的主要优点是观测中只需要两台GPS接收机，作业简单。它广泛地应用于工程测量、边界测量、地籍测量和碎部测量等方面，定位中采用快速定位的作业模式。

4.精度分析

4.1为保证GPS定位测量的高精度，除保证必要的外业精度外还应考虑GPS网的构网质量。GPS网的精度和可靠性是网优化设计主要内容，在此前提下，需采用合理适用全网的效率指标，优化观测方案才能达到高精度，高可靠和高效率的目的。本文根据城市D级控制网的精度和密度要求进行网形设计和观测方案设计，既达到了相应的精度，又保证了布设的控制网的质量，并且较传统方法快速，节省人力物力。

4.2保证GPS网的高精度的另一重要因素，即已知高级控制点必须兼容，目前对已知数据兼容性进行判别的方法有多种，本文仅采用尺度参数分析法进行了初步尝试，通过检验保证了网的精度达到了预期目的。

4.3GPS测量时要保证有足够的观测时间，时间至少需要40分钟，测量时当捕捉到的卫星较少时，可采用延长测量时间的方法，也可满足观测精度。

4.4网型设计布网时，应根据实际的情况，综合精度、费用、可靠性等因素进行选择网形，本文通过构造优化设计的目标函数来分别进行了费用最低、精度最高的网形设计，最后确定费用与精度的最佳配合，在布网时尽量采用正三角形布网，这样不仅可以保证布网的精度较高，还可以保证密度分布较均匀，边有足够的强度，为以后进行其他低等级测绘提供良好的基础。在实际工作中，由于不同地区地形条件不同，应根据实际情况进行布网，不必严格采用正三角形，有的地形无法布设正三角形时，可以灵活一些，地形复杂地区多加密些点，多布设些短边三角形，形状尽量接近正三角形，以保证网的整体精度和密度。

5.结束语

随着科学技术的发展，传统的测量方法正被日益发展的GPS技术所取代，控制网的布设方法越来越灵活、简单。控制网布设方法应根据网的不同用途选择采用，同时还要考虑接收机类型、数量和经费、时间等，这样才能扬长避短，取得最佳的经济效益。

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