西北油区GPS控制网布设方法探讨

摘要：首先简单介绍了GPS定位技术在油区内控制测量中的应用，接着叙述了GPS控制网的设计与布设，进一步论述GPS控制网的基线解算、平差过程和误差分析，最后提出了在工程测量中如何合理地利用GPS技术布设控制网，以期今后对类似工作有一定的参考意义。

关键词：控制测量GPS控制网CQG2000

0 引言

GPS（Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System）是利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统。GPS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，并且速度快、精度高、成本低等特点。基于以上优势，GPS技术可广泛应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测量等测绘领域。

文章根据2007年以来在塔里木盆地和准噶尔盆地油区内所进行的GPS控制网测量，简要说明其控制网的布设方法，以供参考。

1 主要技术标准及依据

本控制网布设方案依据的技术标准主要有：《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T18314-2009）、其它各种测绘的通用规范以及石油行业内部使用的《钻井井位勘定实施细则》）应参照上述标准，严格按照施工设计标准，进行控制网的布设。但在控制网的基线长度、观测时间、解算精度、约束条件以及能否发展次一级网等方面，不同的标准会有不同的要求。

2 GPS控制网设计

如何保证和检核GPS数据质量是进行GPS控制网的图形设计时的重点，它主要是根据网的用途和所要达到的要求，在以上基础上对接收机类型、数量和经费、时间、人力及后勤保障条件等各个方面进行综合考虑，满足以上前提后，再考虑最佳效益的获取。

根据GPS测量的不同用途，GPS网的几何图形结构可分为：三角形网、环形网、星形网和附和线路。为保证精度和质量，针对西北油区实际地形、地貌等条件，gps控制网采用三角形网法进行布设（如下图1）。

由非同步观测的独立边所组成的各三角形边是图1中GPS三角形网的主要特点。这种网所具备的优点是，几何图形结构强，自检能力良好，观测成果的粗差可以有效发现，该网的可靠性有所保证。经平差后网中相邻点间基线向量的精度分布均匀。

根据有关资料文献与相关技术要求分析可知，在布网时应尽可能地选择国家高等级三角点，且最好是同边邻点。尽可能地少选用低等级等点，可以避免因为低等级控制点所造成的，在GPS控制网的约束平差时难以得到理想精度。而选择同边邻点的优势是，点位精度基本相同，能够很好的将WGS-84坐标较严密地转换到BJ-54系统。这些因素都要在收集起算约束点的成果时进行考虑。

3 控制网的计算平差

3.1 基线解算

各《规范》规定等级网相邻点弦长精度按下式表示；

σ=±■

式中：σ――标准差，mm；a――固定误差，mm；b――比例误差系数；D――相邻点的距离，km。

《全球定位系统GPS测量规范》中规定在进行C级以下各级GPS网解算中，15km内的基线，须采用双差固定解。15km以上的基线允许在双差固定解和双差浮点解中选择最优结果。

通常GPS商用软件在对基线处理进行设置后才能进行基线处理。双差固定解是GPS处理软件所默认的，一般来说在基线10km以内，线方差比(ratio)大于3.0，可被认为是符合《规范》中等级网的测量要求。误差会随着基线长度的增加而相对增加。对于在基线解算中失败的观测数据，应通过以下四种方法进行调整后解算，像调节卫星高度截止角，调整采样间隔，删除周跳太多的历元，更换参考卫星等，如果解算结果仍不理想，则应考虑野外返工。在适当条件下也可放宽条件，如仅作为加密控制，或者要求较低等。确保平差精度要求，外业质量检核是极为重要的一环：①重复基线边检核。重复基线的长度较差ds≤2■σ。其中σ在不同的《规范》内表达意义不一样，《全球定位系统（GPS）测量规范》指相应级别规定的精度（按实际平均边长计算）。对于有复测基线互查超限的，要对方差比值进行重新检查，对于接近临界值的，要对参数进行重新设置后解算，即使仍然超限也不能立即剔除返工，而应该在异步环和同步环中做进一步的分析，最终确定出含有粗差的基线。②同步环闭合差检核。《全球定位系统（GPS）测量规范》中对同步闭合环的要求为：Wx，Wy，Wz≤■σ。对于闭合差超限的同步环应仔细分析原因：为了取得最小的闭合差避免超限，在一个同步环中的基线解算组合方案应相同；用以上四种方法调整后重新解算，取得最小闭合差；如果解算结果仍不理想，则应进一步在独立环中继续分析。③独立环（异步环）闭合差检核。《全球定位系统（GPS）测量规范》中对独立闭合环的要求为：Wx，Wy，Wz≤3■σ，Ws≤3■σ（σ为相应级别规定的精度）。对于闭合差超限的独立环也应仔细分析原因：如果独立环中包含有同步环超限的基线，则应对基线观测段的星历预报进行重新审查，对卫星分布状况、PDOP、以及当时的野外观测条件进行重新检查；如独立环中不包含同步环超限的基线，则将环中基线置于别的独立环中观察是否残差太大，或利用重复基线进行判定，最终判断出可能存粗差的基线。

3.2无约束平差（经典自由网平差） 在基线向量和各项质量检核符合要求后，用所有的独立基线组成的GPS空间向量网，在WGS-84坐标系内进行无约束平差，它只需引入位置基准信息，不会引起观测值的变形和改正。在无约束平差中，基线向量的改正数绝对值应符合下式规定：VX，VY，VZ≤3σ

无约束平差的重点在于考察GPS网本身的内部符合精度，GPS网布设及观测质量的情况都由无约束平差的结果来反映，最后对网中是否有粗差基线进行判定，如果有，则给予剔除补测。到此，自由网平差结果的精度反映了GPS测量的真实质量。

3.3 约束平差 如造成约束点精度不均匀的原因在于国家BJ-54控制网是分级观测，分区平差的，GPS控制网会因为约束点不够好，强制约束差而发生扭曲或者变形，即使自由网精度很高，约束平差后的精度也可能不理想。

而已知点的精度不够高，或者不是整体网，点位资料或者位置不正确等是造成约束平差达不到要求的几个原因。

需要注意的是，在无约束平差后，得到的相对精度是1:100000；而约束平差后得到的相对精度仅为1:50000，那么最高的使用精度结果也就是1:50000。如果该次测量项目要求精度不低于1:100000的话，那么要重新设计观测平差GPS网；如果该次测量项目要求的精度在1:100000与1:50000之间，则要重新选择高精度约束点。

3.4高程拟合 油区内工程测量区域通常是在国家等级GPS点和水准点分布较少的地带作业，很难得到GPS点的正常高与经平差后的GPS大地高之间的高程异常值，因此经三维平差后的大地高要想转换到1985国家高程基准系统会有一定难度。

通过收集国家高精度的CQG2000，可对GPS大地高做一次性转换。CQG2000精度为±0.3～±0.5m。

而更高精度（点位内插精度可达厘米级）的大地水准面精化已在部分省份进行，但收集费用较高，如果要求高于上述《规范》，可采用该方法高精度转换。

4 结论

针对不同的施工项目和技术要求，在保证质量的基础上，考虑工期及费用，从而制定出最合理的GPS控制网，这就要求在外业施工前，必须对已有控制资料做外业踏勘与内业分析；完成观测后，对于基线解算及网平差不理想的，应仔细分析以缩小怀疑问题范围。因为在西部盆地内控制网点之间都比较远，地形不好，交通不便利，补测工作较为费工费时。

在西部盆地油区中工程测量的GPS控制网，无论是平面网或是高程网都必须有外检核，才能够进行最可靠的精度评定。

参考文献：

[1]张凤举.控制测量学[M].煤炭工业出版社，1999.8：6-5.

[2]国家质量技术监督局.网的技术设计、选点与数据处理[M].中国标准出版社，2001：3-5.

[3]国家质量技术监督局.平面控制测量、高程控制测量和地形测量[M].中国标准出版社，2001：3-28.

[4]陈国平，张光宇.广昆铁路公山长大隧道洞内控制测量方案设计[J].昆明冶金高等专科学校学报，2011，27（5）：14-17.