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城市GPS控制網施測質量控制措施探討
【摘 要】 本文作者在深入研究全球定位系統（GPS）靜態定位原理的基礎上，結合多年生產實踐經驗，就城市GPS控制網的布網原則、等級劃分、作業方法及成果整理要求進行了探討。通過全面質量控制以確保城市GPS控制網測量成果符合現行測量規范的要求。
【關鍵詞】 GPS 基線向量 約束平差
全球定位系統（Global Positioning System，縮寫GPS）是美國第二代衛星導航定位系統。該系統以其全能性（陸地、海洋、航空和航天）、全球性、全天候、連續性和實時性的導航定位功能，已被廣泛地應用于各種等級精度的城市控制測量中。如何對城市GPS控制網施測進行有效的質量監控，將會直接影響到成果的測量精度。為此，筆者結合多年的生產實踐經驗，就如何有效保證城市GPS控制網測量精度制定了一套質量控制措施，以供城市測量GPS用戶參考。
一、技術標準
※ 中華人民共和國國家標準《全球定位系統（GPS）測量規范》GB/T 18314-2001
※ 中華人民共和國行業標準《全球定位系統城市測量技術規范》CJJ 73-97
※ 中華人民共和國測繪行業標準《全球定位系統（GPS）測量型接收機檢定規程》CH 8016-95
※ 中華人民共和國測繪行業標準《測繪產品檢查驗收規定》CH 1002-95
二、專業技術設計
（一）等級劃分
根據《全球定位系統（GPS）測量規范》和《全球定位系統城市測量技術規程》中規定的城市各級GPS控制網相鄰點間平均距離，要求在城市GPS控制網布設時，其相鄰點間平均距離應符合表1要求。同時，允許相鄰點的最小距離可為平均距離的1/3~1/2，最大距離可為平均距離的2~3倍。考慮到南方地區丘陵、山地地形復雜，因此，在南方地區布設C級GPS控制網時，其平均邊長限制可根據實際情況適當放寬到20~25公里，同時規定邊長超過25公里的同步環應增測一個時段，以確保GPS測量數據的質量。
城市各級GPS控制網平均邊長 表1（單位：km）
（二）精度設計
根據GPS控制網相鄰點間基線長度精度計算公式：
式中：σ為標準差，單位mm；
d為相鄰點間距離，單位mm。
計算得到各級GPS控制網最弱邊相對中誤差限差，同時規定了觀測相應等級GPS控制網時所選GPS接收機標稱精度不應低于表2的要求。布設一級、二級GPS控制網時，由于邊長通常都較短，如用最弱邊相對中誤差來評定控制網精度則很難達到要求，因此，《全球定位系統城市測量技術規程》中規定了當邊長小于200米時，則以其邊長中誤差應小于20毫米為限差要求。
城市各級GPS控制網最弱邊相對中誤差 表2
（三）編寫技術設計書
根據測量任務需要，收集測區范圍既有的測量資料、有關地形圖、圖、測區總體建設規劃和近期發展方面資料，進行資料分析研究，必要時進行實地勘察，按照最優化原則進行室內圖上設計。同時，根據控制網的精度設計要求編寫技術設計書，技術設計書應包含如下內容：
※ 項目來源：介紹項目的來源、性質。
※ 測區概況：介紹測區的位置、氣候、人文、發展狀況、交通條件、通訊條件等。
※ 工程概況：介紹工程目的、作用、要求、等級（精度）、完成時間等。
※ 技術依據：介紹作業所依據的測量規范、工程規范、行業標準等。
※ 施測方案：介紹測量所采用的儀器、采取的布網方法等。
※ 作業要求：介紹外業觀測時的具體操作規程、技術要求等，包括儀器參數的設置（如采樣率、截止高度角等）、對中精度、整平精度、天線高的量測方法及精度要求等。
※ 觀測質量控制：介紹外業觀測的質量要求，包括質量控制方法及各項限差要求等。
※ 數據處理方案：說明詳細的數據處理方案，包括基線解算方法、網平差處理方法等。
技術設計書經過總工程師審批后即生效，后續所有工作都必須按照技術設計書設計的要求進行生產實施。
三、外業施測
（一）選點埋石
GPS控制網點位選擇應符合技術設計的要求，點位基礎堅實穩定、易于長期保存、方便觀測，視野開闊、交通方便，并應遠離大功率無線電發射源。利用舊點時，應檢查舊點的穩定性、可靠性和完好性，符合技術設計要求的方可使用。
城市各級GPS控制網可參照下圖所示選用相應的標石類型。如C級、D級、E級選用Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類，一級、二級選用Ⅳ類。埋石時，各層標志中心嚴格在同一鉛垂線上，其偏差不得大于2毫米。強制對中裝置的對中精度不得大于1毫米。
選點、埋石結束后應繪制GPS點之記和GPS控制網選點圖。如點位周圍有高于10°障礙物時應繪制該點的點位環視圖。
（二）GPS外業觀測
GPS控制網外業觀測時，作業人員應參照表3靜態觀測基本作業技術要求來執行。天線對中誤差不應大于3毫米，基座圓水準氣泡必須居中，觀測前后在天線互為120°方向上量取天線斜高，互差應小于5毫米。開機后把測站相關信息輸入GPS接收機并做外業觀測記錄。
四、內業數據處理
（一）GPS基線向量解算
各級GPS控制網基線解算可采用隨機配備的商用軟件或經有關部門試驗鑒定過的基線解算軟件進行GPS基線向量解算。基線解算后應按以下指標進行質量檢核。
1、重復基線長度較差ds應滿足下式要求：
2、同步環坐標分量及環線全長閉合差應滿足下式要求：
3、異步環坐標閉合差應滿足下式要求：
式中：n：閉合環邊數；
б：相應級別規定的精度（按實際平均邊長計算）。
（二）GPS控制網平差計算
1、三維無約束平差
各級GPS網整體平差計算可采用隨機配備的商用軟件或經有關部門試驗鑒定的商用平差軟件進行平差計算。在基線向量檢核符合要求后，以三維基線向量及其相應方差——協方差陣作為觀測信息，以一個點的WGS-84系下三維坐標作為起算依據，進行GPS控制網三維無約束平差。三維無約束平差報表須提供各點在WGS-84系下的三維坐標、各基線向量及其改正數和其精度信息。基線分量的改正數絕對值應滿足下式：
否則，認為該基線或其附近的基線存在粗差，應在平差中采用軟件提供的自動方法或人工方法剔除，或者重新解算不合格的基線，直至上式滿足為止。
2、二維約束平差
利用三維無約束平差后可靠的觀測量，根據實際要求選擇在WGS-84坐標系、國家坐標系或地方獨立坐標系下進行三維約束平差或二維約束平差。在約束平差計算中，可以對已知點坐標、已知距離和已知方位進行強制約束或加權約束。約束平差成果報表中應輸出約束平差計算后的坐標、基線向量改正數、基線邊長、方位、轉換參數及其相應的精度信息。在約束平差計算中，基線分量的改正數與經過粗差剔除后無約束平差結果的同一基線其相應改正數的絕對差值應滿足下式：
否則，認為作為約束的已知坐標、已知距離、已知方位中可能存在一些誤差較大的值，因此，需要采用自動或人工的方法剔除這些誤差較大的約束值，直至上式滿足為止。
3、GPS高程擬合
在三維無約束平差計算后，根據軟件的功能和聯測已知水準數據的數量選擇適當的高程擬合模型進行高程擬合計算。
（三）成果整理及檢查驗收
GPS內業數據處理完成后應按技術設計書的要求進行項目成果整理。成果整理包括對平差計算手簿、成果表、GPS構網圖、點之記、技術等相關資料進行打印裝訂，刻錄數據光盤并標注內容。
成果整理完成后應送質量監督檢查部門進行產品檢查驗收，經質量監督檢查部門檢查驗收評定合格且經過作業中隊按照驗收意見進行徹底修改完善后，方可將測量成果上交用戶使用。
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