区域地面沉降GPS监测中起算点的精度控制

摘 要：起算点精度对GPS数据处理中基线解算有较大影响。本文以长三角地区地面沉降GPS监测为例，首先介绍GPS区域地面沉降中高精度起算点坐标的获取方法，然后对坐标进行精度评定，并对高程偏差较大的起算点作进一步检核。

中图分类号：P228 文献标识码： A

Control of the Known Points Precision in GPS Monitoring of Regional Land Subsidence

Yang Huihui 1）

1） Institute of Geo-Spatial Information， Nanjing University of Technology， Nanjing 210009

Abstract：The precision of known points have a greater impact on the solutions of the baselines.In this paper，based on the GPS monitoring of regional land subsidence in ChangJiang Delta，firstly introducting the high precision coordinate acquisition in GPS monitoring of regional land subsidence，then judging accuracy of the coordinates，and correcting altitude of known points of some coordinates.

Keywords： known points precision；GPS； first order leveling

关键字：起算点精度；GPS；一等水准测量

1 引言

随着GPS技术的发展与完善，加之其具有工作效率高，人工劳动力少，受天气影响小，自动化程度高等优点，GPS技术在大地测量中的应用日渐广泛。但获得高精度、具有实用意义的GPS定位结果，必须先进行基线向量解算，控制基线精度后平差得到定位结果。起算点坐标偏差是影响基线精度的因素之一，保证起算点精度是GPS数据处理的重要环节之一。本文以长三角地区地面沉降监测为例，探讨区域地面沉降GPS监测中起算点的精度控制问题。

2 起算点精度对GPS基线解的影响

高精度基线向量解算是GPS控制网精度的重要保障，基线处理时需在已知起算点的基础上根据卫星位置和观测精度计算出基线向量，所以起算点精度直接影响基线解算精度。假设、为基线的两端点，其中作为起算点，在WGS-84坐标系中的坐标向量分别为、，起算点坐标偏差与基线分量存在如下关系式：

（1）

式中：为起算点的坐标偏差， 为对基线的影响，为卫星变化与几何分布的影响，用站心坐标系表达可写成：

（2）

式中：；

；

。

以上公式表明，起算点坐标偏差对基线解算精度的影响因素与测站同卫星之间方向的余弦值有关；起算点坐标偏差尺度及不同方向上的坐标偏差也会对GPS基线向量产生影响。

3 参考基准的精度校核

精确的起算点是基线解精度的重要保障，区域地面沉降GPS监测网中3个起算点为A020、BTRD和BTRG，通过同中国及其周边地区均匀分布的6个IGS国际跟踪站进行连续同步观测，且观测以连续24h为一个观测时段，并且采用GAMIT软件和IGS精密星历一同解算，平差后得到起算点坐标。

已知2010-2013年间起算点A020、BTRD和BTRG坐标，并以2010年坐标为基准，用x坐标的数值差来表示2011-2013年间起算点A020、BTRD和BTRG在x方向上的变化，如图1所示；同理用y、h坐标的数值差表示出2011-2013年间起算点在y方向和高程h上的变化，如图2、3所示。

图1 起算点x坐标偏差

图2 起算点y坐标偏差

图3 起算点高程h坐标偏差

比较2010-2013年起算点A020、BTRD和BTRG在x、y和h上的变化量，不难发现2013年起算点BTRD和BTRG高程起伏较大，其偏移量大于1cm，超出区域地面沉降中起算点的误差允许范围。为排除系统误差及人为操作失误等因素的影响，检核起算点高程确保GPS区域地面沉降工作的正常运行，需对2013年起算点BTRD和BTRG高程h作进一步测量。

4 起算点的高程检核

4.1 水准测量的可行性分析

在同一参考基准框架下，由两期GPS测量平差结果，即可获得各监测点相应于监测周期的大地高变化量：

（3）

式中下标Ⅰ、Ⅱ表示观测周期编号，表示监测点的大地高 。

在应用精密水准测量方法研究地面沉降时，地面沉降被定义为两期监测结果所获得的正常高之差，或者说是两期监测结果所获得的正常高变化量：

（4）

众所周知，大地高与正常高之间成立如下关系式：

（5）

式中，称为高程异常。式（5）代入式（4）有：

（6）

式（6）说明，应用两期GPS测量所获得的大地高变化量表示地面沉降，与应用两期精密水准测量方法所获得的正常高变化量表示地面沉降，在数值上相等，即表示可用一等水准测量的方法检核起算点高程。

4.2 水准测量方案布置

A020、BTRG和BTRD是区域地面沉降GPS监测网中的起算点，根据2010-2013年间所测坐标结果发现，2013年起算点BTRG和BTRD存在高程异常。起算点及周边基岩标JZ01位置分布如图4所示：

图4 起算点及基岩标分布

且通过一等水准测量等测量手段获得基岩标JZ01多期高程，其各期高程数据如表1所示：

表1 2008-2013年基岩标高程

通过一等水准测量，我们用BTRD与A020的高差判断起算点BTRD的高程；BTRG与JZ01的高差、BTRG与A020的高差判断起算点BTRG 的高程变化；

4.3 一等水准测量起算点高程变化质量控制方法

1）电子水准仪的i角检验

作业期间要求每天检测仪器i角并记录更新。新测定角值与原有i角值比较相差以上时，须再次进行i角测定，以确保i角值的正确性。当仪器i角值超过时应停止使用。

2）水准标尺的改正系数

表1为某一天水准尺校核改正系数，作业期间要求每天对水准标尺校核。

表2 水准尺改正系数

3）水准测量的精度

每公里水准测量高差的偶然中误差和每公里水准测量高差的权中误差，不得超过表2规定值：

表3 每公里水准测量高差的偶然中误差和权中误差

水准测量等级

一等

4）测站观测限差及路线闭合差限差按表3、表4规定执行：

表4 测站观测限差

表5 测站观测路线闭合差

5）观测方法的选择

后视标尺在一次测量任务中一直作为后尺测量，且在一整个水准路线上采用“后-前-前-后”的观测顺序，奇数测站为“后-前-前-后”、偶数站为“前-后-后-前”的观测顺序，且避开地面倾斜角较大的水准路线。

5总结

起算点坐标偏差对基线精度产生影响，也直接影响着区域地面GPS沉降监测的精度，我们通过6个IGS国际跟踪站进行连续同步观测测出起算点A020、BTRD和BTRG坐标，并且采用一等水准测量检核其高程。因2013年期数据由于系统误差导致起算点BTRD和BTRG高程偏差较大，我们舍弃当期数据，并以2010-2012年数据资料，为区域地面GPS沉降监测提供精确的起算点坐标。

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作者简介：杨辉辉（1989年―）、男、江苏省南通人、南京工业大学硕士研究生在读、研究方向为GPS测量原理及应用