程廣義 張海東 張英利 萬(wàn) 鑫 趙淑芬
(西安測(cè)繪總站,西安 710054)
利用高等級(jí)點(diǎn)加強(qiáng)三級(jí)GPS網(wǎng)的處理分析*
程廣義 張海東 張英利 萬(wàn) 鑫 趙淑芬
(西安測(cè)繪總站,西安 710054)
全國(guó)三級(jí)GPS大地控制網(wǎng)是基礎(chǔ)測(cè)繪長(zhǎng)期的建設(shè)項(xiàng)目,充分利用各類工程建設(shè)的高等級(jí)GPS控制點(diǎn),不僅可以提高三級(jí)GPS大地控制網(wǎng)布設(shè)精度,而且還可以加快三級(jí)GPS網(wǎng)的建設(shè)。提出了基于高等級(jí)GPS控制點(diǎn)的三級(jí)網(wǎng)計(jì)算方法,并針對(duì)某區(qū)域進(jìn)行了試驗(yàn)分析。
三級(jí)GPS大地控制網(wǎng);基準(zhǔn)站;高等級(jí);GPS;控制點(diǎn);工程建設(shè)
全國(guó)三級(jí)GPS大地控制網(wǎng)(簡(jiǎn)稱三級(jí)GPS網(wǎng)),是全國(guó)一、二級(jí)GPS網(wǎng)的加密和補(bǔ)充,并與高等級(jí)GPS控制點(diǎn)(簡(jiǎn)稱高等級(jí)點(diǎn))共同構(gòu)成三維基礎(chǔ)大地控制網(wǎng)[1-3]。三級(jí)GPS網(wǎng)可為相關(guān)用戶提供各種控制基礎(chǔ)和聯(lián)測(cè)起算,也可為地方所用。三級(jí)GPS網(wǎng)從2002年開始建設(shè),目前已經(jīng)完成了大約10多個(gè)省區(qū)的站點(diǎn)布設(shè)。已完成的三級(jí)網(wǎng)點(diǎn)滿足了設(shè)計(jì)要求,其水平方向點(diǎn)位中誤差精度優(yōu)于3 cm,垂直方向點(diǎn)位中誤差精度優(yōu)于5 cm[4]。
在三級(jí)網(wǎng)建設(shè)之初,高等級(jí)點(diǎn)約有2 000多個(gè),其主要包括:中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(簡(jiǎn)稱網(wǎng)絡(luò)工程)基準(zhǔn)站、基本站、區(qū)域站,全國(guó)一、二級(jí)GPS網(wǎng)以及國(guó)家A、B級(jí)網(wǎng)點(diǎn)[3]。以往科研和工程人員主要利用網(wǎng)絡(luò)工程的GPS基準(zhǔn)站觀測(cè)結(jié)果作為三級(jí)網(wǎng)的起算控制[4],其他高等級(jí)點(diǎn)由于點(diǎn)位分布和觀測(cè)精度等原因,在三級(jí)網(wǎng)布設(shè)和分析中實(shí)際應(yīng)用不多。目前已經(jīng)布設(shè)的全國(guó)高等級(jí)點(diǎn)大約有5 000多個(gè),隨著中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(簡(jiǎn)稱陸態(tài)網(wǎng)絡(luò))、區(qū)域地殼形變監(jiān)測(cè)網(wǎng)和全國(guó)水準(zhǔn)面精化等各類基礎(chǔ)測(cè)繪項(xiàng)目的實(shí)施和完成,高等級(jí)GPS控制點(diǎn)將會(huì)增加到10 000多個(gè)。通過(guò)對(duì)高等級(jí)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理和整網(wǎng)平差,在三級(jí)網(wǎng)布設(shè)時(shí)充分利用這些高等級(jí)點(diǎn)的成果,從而為提高三級(jí)網(wǎng)的建設(shè)速度和布網(wǎng)精度創(chuàng)造了良好的條件。本文通過(guò)對(duì)三級(jí)網(wǎng)布設(shè)過(guò)程中利用高等級(jí)GPS站點(diǎn)的成果進(jìn)行試驗(yàn)和分析,并對(duì)應(yīng)用這些成果的效果進(jìn)行評(píng)估,同時(shí)提出實(shí)際作業(yè)和數(shù)據(jù)處理方案的建議,為今后繼續(xù)布設(shè)軍控三級(jí)網(wǎng)提供借鑒。
三級(jí)GPS網(wǎng)的設(shè)計(jì)精度和國(guó)家C級(jí)網(wǎng)的精度基本相同,三級(jí)網(wǎng)除了滿足C級(jí)網(wǎng)用途外,還有其他特殊的應(yīng)用,所以三級(jí)網(wǎng)布網(wǎng)方法、觀測(cè)手段和作業(yè)模式與國(guó)家C級(jí)網(wǎng)有所不同。
三級(jí)網(wǎng)的布設(shè)原則上均勻覆蓋,相鄰點(diǎn)間距離為20~50 km,一般約為35 km,特殊地區(qū)可根據(jù)實(shí)際情況而定。三級(jí)網(wǎng)點(diǎn)周圍一般布設(shè)2個(gè)GPS方位點(diǎn),構(gòu)成兩兩通視的GPS方位邊三角形,方位邊邊長(zhǎng)一般為1.5~4 km。在觀測(cè)作業(yè)時(shí),三級(jí)網(wǎng)點(diǎn)需要和GPS方位點(diǎn)同步觀測(cè),有效觀測(cè)時(shí)間應(yīng)不少于4小時(shí)。此外,三級(jí)網(wǎng)點(diǎn)均需聯(lián)測(cè)三等以上的水準(zhǔn)高程標(biāo)志。三級(jí)網(wǎng)測(cè)量既可采用基于連續(xù)運(yùn)行GPS基準(zhǔn)站的作業(yè)模式,也可以采用GPS靜態(tài)相對(duì)定位作業(yè)模式[3,4]。采用基于連續(xù)運(yùn)行的基準(zhǔn)站的GPS作業(yè)模式,應(yīng)保證測(cè)區(qū)周圍有4個(gè)基準(zhǔn)站正常運(yùn)行,并在測(cè)區(qū)設(shè)立臨時(shí)基準(zhǔn)站,保證基準(zhǔn)站的幾何分布合理[5]。
近年來(lái),隨著高等級(jí)點(diǎn)的數(shù)量大幅增加、精度的提高以及點(diǎn)位分布的更加合理,為提高三級(jí)網(wǎng)的建設(shè)速度和布網(wǎng)精度創(chuàng)造了條件。
基于連續(xù)運(yùn)行GPS基準(zhǔn)站的作業(yè)模式在全國(guó)發(fā)展很快,僅陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)GPS基準(zhǔn)站就增加了10倍,站間距離縮短到150~200 km。目前三級(jí)網(wǎng)布設(shè)作業(yè)時(shí),單個(gè)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)大多有2個(gè)以上GPS基準(zhǔn)站,今后基準(zhǔn)站的密度會(huì)更高,因此今后作業(yè)時(shí)就不需要設(shè)立臨時(shí)基準(zhǔn)站。
同時(shí),全國(guó)高等級(jí)點(diǎn)的數(shù)量也比三級(jí)網(wǎng)建設(shè)之初有大幅度的增加,且以后還將會(huì)增加。因此,在三級(jí)網(wǎng)布設(shè)時(shí)采用高等級(jí)點(diǎn)作為同步三角形GPS觀測(cè)的主點(diǎn),并在其周圍布設(shè)2個(gè)GPS方位點(diǎn),按照三級(jí)網(wǎng)的技術(shù)要求進(jìn)行同步觀測(cè)也成為可能。相應(yīng)地在GPS數(shù)據(jù)處理時(shí),可以把高等級(jí)點(diǎn)和測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的基準(zhǔn)站作為控制點(diǎn),同步解算出GPS方位點(diǎn)。這樣就可以大大減少三級(jí)網(wǎng)布設(shè)時(shí)的額外工作,提高布設(shè)的效率、降低布網(wǎng)的費(fèi)用。這樣一種作業(yè)方式是否可行?與之配套的數(shù)據(jù)處理方案應(yīng)該如何選取?其實(shí)際效果如何?需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。
在西南某區(qū)域選取了陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)7個(gè)基準(zhǔn)站作首級(jí)控制,同時(shí)采用了4個(gè)陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域網(wǎng)點(diǎn)、2個(gè)全國(guó)水準(zhǔn)面精化點(diǎn)作為三級(jí)網(wǎng)的主點(diǎn)。我們按照三級(jí)網(wǎng)的技術(shù)要求新設(shè)了6個(gè)三級(jí)網(wǎng)點(diǎn),在三級(jí)網(wǎng)主點(diǎn)周圍布設(shè)了兩個(gè)GPS方位點(diǎn)和主點(diǎn)構(gòu)成同步觀測(cè)三角形,采用上節(jié)提出的作業(yè)方式進(jìn)行了試驗(yàn)。相應(yīng)地在數(shù)據(jù)處理時(shí),采用兩種約束方案來(lái)確定三級(jí)點(diǎn)的坐標(biāo):一種是僅對(duì)網(wǎng)內(nèi)陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)GPS基準(zhǔn)站坐標(biāo)做強(qiáng)約束;另一種是對(duì)網(wǎng)內(nèi)全部高等級(jí)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行強(qiáng)約束,解算新設(shè)三級(jí)點(diǎn)的坐標(biāo)。同時(shí),方位點(diǎn)的解算也采用了兩種方法:第一種方法為同步解算基準(zhǔn)站、三級(jí)網(wǎng)的主點(diǎn)和方位點(diǎn)的坐標(biāo),第二種方法則直接利用三級(jí)網(wǎng)主點(diǎn)的已知坐標(biāo)同步解算方位點(diǎn)坐標(biāo)。
三級(jí)GPS控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理基本流程如圖1所示。
圖1 三級(jí)GPS控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理基本流程圖Fig.1 Flow chart of the third-order GPS geodetic network data processing
由于高等級(jí)點(diǎn)的觀測(cè)年代、觀測(cè)儀器不同,高等級(jí)點(diǎn)之間的精度有所差異,為了得到統(tǒng)一的高等級(jí)點(diǎn)成果,提高聯(lián)合處理的精度,可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)高等級(jí)點(diǎn)分區(qū)、分子網(wǎng)進(jìn)行先期處理[6,7]。分區(qū)、分子網(wǎng)處理時(shí),首先用最小二乘原理對(duì)子網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)平差,診斷并剔除明顯的異?;€數(shù)據(jù),根據(jù)GPS的觀測(cè)精度情況,設(shè)置粗差的最大限差,剔除粗差數(shù)據(jù),保留完好的觀測(cè)數(shù)據(jù)[8]。
在先期處理的基礎(chǔ)上把聯(lián)測(cè)數(shù)據(jù)分為4~5個(gè)區(qū)聯(lián)合平差。高等級(jí)點(diǎn)的數(shù)據(jù)先用GAMIT軟件進(jìn)行處理,然后用GLOBK進(jìn)行網(wǎng)平差,得到點(diǎn)位坐標(biāo)及其方差、協(xié)方差。整網(wǎng)平差使用“VECADJ”GPS網(wǎng)平差等軟件,并用相關(guān)軟件進(jìn)行比較檢核。高等級(jí)點(diǎn)整體處理基本過(guò)程見圖2。
圖2 高等級(jí)點(diǎn)整體處理基本過(guò)程Fig.2 Flow chart of global data processing of advanced GPS points
1)三級(jí)網(wǎng)主點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理
三級(jí)網(wǎng)布網(wǎng)時(shí)盡可能利用測(cè)區(qū)內(nèi)的高等級(jí)點(diǎn)作為主點(diǎn),根據(jù)三級(jí)網(wǎng)的技術(shù)要求,這些主點(diǎn)相鄰間距一般為20~50 km,平均間距約35 km,此外還需要新埋設(shè)一定比例的三級(jí)網(wǎng)主點(diǎn)。
數(shù)據(jù)處理時(shí)選取測(cè)區(qū)附近的GPS基準(zhǔn)站和高等級(jí)點(diǎn)作為起算控制,同步解算新埋設(shè)的三級(jí)網(wǎng)點(diǎn)。處理同步觀測(cè)時(shí)段的基準(zhǔn)站、高等級(jí)點(diǎn)和三級(jí)網(wǎng)點(diǎn)的GPS數(shù)據(jù)時(shí),使用GAMIT等高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行基線解算和平差。其中基線解算時(shí),基準(zhǔn)站、同步時(shí)間大于2小時(shí)的高等級(jí)點(diǎn)以及新設(shè)的三級(jí)網(wǎng)主點(diǎn)坐標(biāo)三分量的約束值分別為0.005 m、0.005 m、0.005 m;平差計(jì)算時(shí)坐標(biāo)三分量的約束值為0.000 1 m、0.000 1 m、0.000 1 m,同步觀測(cè)時(shí)間小于2小時(shí)的高等級(jí)點(diǎn)只在平差計(jì)算時(shí)給予1σ的約束。
2)三級(jí)網(wǎng)方位點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理
三級(jí)網(wǎng)方位點(diǎn)的作用是為其他觀測(cè)手段提供方位起算和檢核的依據(jù),方位點(diǎn)與主點(diǎn)之間距離在1.5~4 km,并構(gòu)成同步環(huán)??紤]到方位點(diǎn)與主點(diǎn)一般距離較近,主要要求方位點(diǎn)與主點(diǎn)的內(nèi)符合精度具有較好的一致性。在處理三級(jí)網(wǎng)方位點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí),可采用GAMIT軟件同步解算基準(zhǔn)站、三級(jí)網(wǎng)主點(diǎn)和方位點(diǎn),也可選擇合適的商用軟件來(lái)約束三級(jí)網(wǎng)主點(diǎn)以獲得整體性、一致性較好的三級(jí)網(wǎng)點(diǎn)成果。
另外,為了保證三級(jí)網(wǎng)坐標(biāo)成果的精度,采用GAMIT軟件同步解算基準(zhǔn)站、三級(jí)網(wǎng)主點(diǎn)和方位點(diǎn)。對(duì)不同方法和不同軟件解算的方位點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行比較檢核,如果相差較大需精化數(shù)據(jù)重新解算;相鄰點(diǎn)方位角換算精度優(yōu)于1.5″。
在基準(zhǔn)站和高等級(jí)點(diǎn)聯(lián)合處理的基礎(chǔ)上,采用兩種解算方法對(duì)試驗(yàn)區(qū)的三級(jí)網(wǎng)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算、比較和分析。方法一:強(qiáng)約束基準(zhǔn)站,解算其他三級(jí)網(wǎng)點(diǎn);方法二:強(qiáng)約束基準(zhǔn)站和高等級(jí)點(diǎn),解算其他三級(jí)網(wǎng)點(diǎn)。表1對(duì)兩種方法解算的三級(jí)GPS點(diǎn)的坐標(biāo)結(jié)果進(jìn)行了點(diǎn)位中誤差比較(Mn、Me、Mu為北、東、垂向中誤差)。結(jié)果表明,在三級(jí)GPS網(wǎng)解算時(shí)強(qiáng)約束基準(zhǔn)站和高等級(jí)點(diǎn)的結(jié)果好于僅約束基準(zhǔn)站坐標(biāo)的結(jié)果,因此可以提高三級(jí)網(wǎng)的布網(wǎng)精度。
表1 高等級(jí)點(diǎn)強(qiáng)約束的結(jié)果(單位:cm)Tab.1 Results of tight constraint for advanced GPS point (unit:cm)
采用兩種方法解算三級(jí)網(wǎng)點(diǎn),其比較結(jié)果見表2。方法一:強(qiáng)約束基準(zhǔn)站,解算其他三級(jí)網(wǎng)點(diǎn);方法二:強(qiáng)約束基準(zhǔn)站和1σ約束高等級(jí)點(diǎn),解算其他三級(jí)網(wǎng)點(diǎn)。表2的結(jié)果表明,在解算三級(jí)網(wǎng)時(shí),強(qiáng)約束基準(zhǔn)站和1σ約束高等級(jí)點(diǎn)獲得的點(diǎn)位平均中誤差結(jié)果略優(yōu)于僅強(qiáng)約束基準(zhǔn)站的結(jié)果,但該結(jié)果比強(qiáng)約束基準(zhǔn)站和高等級(jí)點(diǎn)的結(jié)果要差。
表2 高等級(jí)點(diǎn)1σ約束的結(jié)果(單位:cm)Tab.2 Results of 1σconstraint for advanced GPS point(unit:cm)
采用兩種方法計(jì)算方位點(diǎn)的坐標(biāo),方法一:采用GAMIT軟件同步解算基準(zhǔn)站、三級(jí)網(wǎng)主點(diǎn)和方位點(diǎn)(即目前三級(jí)網(wǎng)解算采用的方法);方法二:對(duì)方位點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算時(shí),選擇商用軟件約束三級(jí)網(wǎng)主點(diǎn),即直接利用三級(jí)網(wǎng)主點(diǎn)的已知坐標(biāo)同步解算方位點(diǎn)坐標(biāo)。兩種方法得到的結(jié)果見表3。由于兩種方法所獲得的方位點(diǎn)坐標(biāo)結(jié)果互差較小,因此在對(duì)三級(jí)網(wǎng)方位點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行解算時(shí),選擇商用軟件約束三級(jí)網(wǎng)主點(diǎn)的方法可以獲得與目前三級(jí)網(wǎng)解算所采用的方法整體性、一致性較好的成果。
表3 方位點(diǎn)不同解算結(jié)果比較(單位:cm)Tab.3 Contrast of different calculating methods of orientation point(unit:cm)
全國(guó)三級(jí)GPS大地控制網(wǎng)是基礎(chǔ)測(cè)繪長(zhǎng)期的建設(shè)項(xiàng)目,已在我國(guó)不同省市進(jìn)行了布設(shè)。通過(guò)對(duì)已有高等級(jí)GPS點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理和整網(wǎng)平差,在三級(jí)網(wǎng)布設(shè)時(shí)可以充分利用這些高等級(jí)點(diǎn)的成果。本文在所選擇的試驗(yàn)區(qū)內(nèi)對(duì)三級(jí)網(wǎng)布設(shè)過(guò)程中利用高等級(jí)GPS站點(diǎn)的成果進(jìn)行分析,得到了以下結(jié)論:
1)全國(guó)高等級(jí)點(diǎn)進(jìn)行整體平差,不僅可以提高高等級(jí)點(diǎn)的整體精度,而且還可以統(tǒng)一高等級(jí)點(diǎn)的坐標(biāo)框架(如 2000國(guó)家大地坐標(biāo)系,即CGCS2000),提高三級(jí)網(wǎng)布設(shè)的控制精度。
2)利用三級(jí)網(wǎng)布設(shè)時(shí)所用到的高等級(jí)點(diǎn)作為三級(jí)網(wǎng)主點(diǎn),在三級(jí)網(wǎng)解算時(shí)強(qiáng)約束基準(zhǔn)站和高等級(jí)點(diǎn),比僅對(duì)基準(zhǔn)站坐標(biāo)進(jìn)行強(qiáng)約束為佳,因此可以提高三級(jí)網(wǎng)的布網(wǎng)精度。
3)目前解算三級(jí)網(wǎng)方位點(diǎn)時(shí)主要使用GAMIT軟件同步解算基準(zhǔn)站、三級(jí)網(wǎng)主點(diǎn)和方位點(diǎn)。本文試驗(yàn)中選擇商用軟件約束三級(jí)網(wǎng)主點(diǎn)獲取了三級(jí)網(wǎng)方位點(diǎn)的坐標(biāo)成果。由于兩種方法所獲得的方位點(diǎn)坐標(biāo)結(jié)果互差較小,因此在對(duì)三級(jí)網(wǎng)方位點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行解算時(shí),選擇商用軟件約束三級(jí)網(wǎng)主點(diǎn)可以獲得與目前采用的方法整體上較為一致的成果。
4)利用高等級(jí)點(diǎn)作為三級(jí)網(wǎng)主點(diǎn),可以減少三級(jí)網(wǎng)點(diǎn)位選埋的工作量,節(jié)約建設(shè)成本,提高三級(jí)網(wǎng)的建設(shè)速度。
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DATA ANALYSIS OF THIRD-ORDER GPS GEODETIC NETWORK BY ADVANCED GPS REFERENCE POINT
Cheng Guangyi,Zhang Haidong,Zhang Yingli,Wan Xin and Zhao Shufen
(Xi’an Division of Surveying and Mapping,Xi’an 710054)
The third-order GPS geodetic network is a long-term construction project of national basic surveying.Making full use of advanced GPS reference points of all kind of project can not only improve the accuracy but also accelerate the construction of the third-order GPS geodetic network.The calculating method based on advanced GPS reference points for the third-order GPS geodetic network is introduced and the data of an area is used as an example.
the third-order GPS geodetic network;fiducial stations;advanced;GPS;reference point;project construction
1671-5942(2012)02-0096-04
2011-10-24
程廣義,男,1964年生,碩士,高級(jí)工程師,主要從事衛(wèi)星定位技術(shù)及應(yīng)用研究.E-mail:chenggy_64@163.com
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