GNSS基線成果可靠性分析與研究

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摘 要：GNSS測量是用接收機與天線組成的測量系統(tǒng)，接收GNSS衛(wèi)星信號實現(xiàn)空間定位的高新測量技術(shù)，它為定位測量提供了一種嶄新的手段。一般而言，GNSS具有全天后作業(yè)，觀測簡便，布網(wǎng)自由（無須站間通視），觀測與數(shù)據(jù)處理自動化程度高，同時提供三維坐標(biāo)，定位精度高等共性特點。該文從實際出發(fā)，根據(jù)我院多年來使用GNSS測量技術(shù)的經(jīng)驗，探討GNSS測量技術(shù)在施工測量控制網(wǎng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：GNSS測量 施工測量控制網(wǎng) 基線向量 可靠性

中圖分類號：P227 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（b）-0087-02

GNSS測量同樣存在各種誤差影響，除衛(wèi)星與接收機方面的時鐘誤差、軌道誤差外，衛(wèi)星信號在傳播過程中要受到電離層、對流層以及環(huán)境條件的影響。我國地域廣大，地區(qū)性環(huán)境條件差異也大。就云南高原山區(qū)而言，海拔高，地形起伏，相對高差大；立體型氣候、氣溫差異大，這對GNSS觀測有著不同程度的影響，因此，針對不同的環(huán)境條件作些研究和探討是有益的。

中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司引進(jìn)了1套（四臺）Trimble R7 GNSS測量系統(tǒng)，Trimble R7 GNSS系統(tǒng)把多通道、多頻帶的GNSS接收機與超高頻電臺集為一體，可實現(xiàn)最大靈活性、最佳精度和最高生產(chǎn)率。該單位分別在云南省祿勸縣甲巖水電站，昆明市牛欄江引水工程和云南省滇中引水工程布設(shè)了GNSS施工測量控制網(wǎng)。該文結(jié)合觀測情況，對GNSS基線成果的可靠性問題作些探討。

1 基線處理簡述

GNSS測量為載波信號、測距碼與導(dǎo)航數(shù)據(jù)。將各接收機同步觀測的信號匯集到計算機后，經(jīng)基線處理軟件解算，提供每兩測站之間的基線向量?；€向量在WGS-84坐標(biāo)下以dx，dy，dz三個分量表示，也可以轉(zhuǎn)換為基于橢球的斜距、方位角與大地高差三分量形式。

基線采用Trimble Business Center（TBC）軟件自動方式處理。其解算過程是：首先作三差處理，求取未知參數(shù)初始值；接著進(jìn)行周跳修復(fù)；求雙差浮動解；尋找整周未知數(shù)N并進(jìn)行探查解算。如果能找到可靠的整數(shù)N，便求出雙差固定解。

從理論上講，整周未知數(shù)N是一個整數(shù)，由于存在誤差影響，解得的整周未知數(shù)往往不是整數(shù)。以此直接求得的解稱作雙差實數(shù)解（浮動解），一般對于小于20km的短基線以固定解最好，對于大于20km的基線宜取用浮動解。此次布設(shè)的GNSS網(wǎng)是以工程應(yīng)用為目的，主要是滿足工程施工測量過程中的放樣工作，所以基線長均在3km以下。

2 GNSS基線成果可靠性檢測指標(biāo)與方法

鑒別基線優(yōu)劣，可以從單條基線質(zhì)量、同步環(huán)和異步環(huán)閉和差以及網(wǎng)平差三個不同層次予以檢核。

用Trimvec-plus軟件解算的基線，同時提供rms，RDOP，ratio和rejected等質(zhì)量指標(biāo)。其中rms是基線平差計算后的驗后中誤差，單位為載波波長（周），主要用于衡量觀測質(zhì)量，能反映出質(zhì)量觀測噪音、周跳修復(fù)程度、觀測改正模型誤差等綜合因素的影響，同時與基線長短也相關(guān)。其值越小越好。

RDOP稱作相對定位幾何精度因子，其定義式為：

RDOP=

分子為基線三個分量的方差之和，基線分母為方差。它類似于PDOP，主要表達(dá)在相對定位中，衛(wèi)星星座的幾何結(jié)構(gòu)與基線長短無關(guān)，構(gòu)成星座的衛(wèi)星數(shù)多，圖形強度又好，那么RDOP就小，測量誤差對基線成果的影響就越小。

ratio是一個比值，在作整周未知數(shù)N的探查中，采取舍入取整與加減一、二周的方法進(jìn)行探查性試算，從中選取殘差平方和最小的一組作為分母，次好的一組作為分子，此值越大，N的推測結(jié)果越好，經(jīng)驗證明當(dāng)ratio大于3.0時，固定雙差解的置信水平就高。就數(shù)據(jù)統(tǒng)計而言，這是類似于F檢驗的方法。

至于rejected是時段中被剔除的劣質(zhì)觀測值數(shù)目，一般取它與觀測值總數(shù)的比值（%）形成觀測值剔除率。反映觀測值優(yōu)劣比，一般剔除率在10%以內(nèi)。比值太高，說明在有限的觀測值中，用于解算基線的多余觀測數(shù)目就越少，同樣也會影響基線解的質(zhì)量。此外，比較一下基線雙差固定解與雙差浮動解之間的坐標(biāo)差亦可進(jìn)一步確認(rèn)固定解的質(zhì)量。當(dāng)二者相差在幾厘米之內(nèi)，固定解優(yōu)于浮動解；若相差較大，則成果可能有疑，應(yīng)進(jìn)一步分析。

根據(jù)理論分析與實踐經(jīng)驗，主要質(zhì)量指數(shù)推算值如表1所示。

一般而言，浮動雙差解的RDOP值比固定雙差解大，若RDOP小于0.4米/周，說明固定雙差解較好。以上是就單條基線質(zhì)量而言。當(dāng)GNSS網(wǎng)觀測到能構(gòu)成閉合環(huán)路線時，閉合環(huán)檢核是基線成果可靠性的最有效的方法。同步環(huán)閉合差可以檢測時段中基線的內(nèi)附和狀況，但其中可能存在誤差互補性掩蓋現(xiàn)象。不同時段之間組成的異步環(huán)對檢測基線可靠性最為有效。隨機軟件中的TCLOSE程序?qū)Ｓ糜谧鏖]合差計算，同時可提供分量閉合差值，閉合環(huán)全長及全長相對閉合差（PPM）供分析評價。當(dāng)GNSS網(wǎng)基線觀測到一定數(shù)量時，便可將基線成果掛在項目名下，用隨機平差軟件Trimnet進(jìn)行自動構(gòu)網(wǎng)和平差試算，次工作可以逐日將基線成果加入，在構(gòu)網(wǎng)中能提供多路徑閉合環(huán)檢測，對基線作取舍編輯處理。逐日試算，可以從平差結(jié)果的點位指標(biāo)，點位誤差橢圓，觀測直方圖中進(jìn)行整體判斷，進(jìn)一步作出基線質(zhì)量評價。單條基線質(zhì)量檢核，閉合差檢測，網(wǎng)平差結(jié)果評價，三重關(guān)口檢測保證了構(gòu)網(wǎng)基線的質(zhì)量。

3 施工測量控制網(wǎng)環(huán)境條件及基線成果可靠性統(tǒng)計

所做的三個施工測量控制網(wǎng)分布在不同的海拔、地理環(huán)境、氣象條件下。其中K網(wǎng)位于滇中引水中段，平均海拔2300m，邊長由幾百米到幾公里不等，一般均在2公里以下，分布在有森林、水域、稻田的郊野，主要用于不同季節(jié)多次重復(fù)觀測對比試驗。X網(wǎng)較小，控制面積約四個平方公里，平均海拔800m，邊長在500米至1200米左右，整網(wǎng)位于峽谷地區(qū)，落差較大，觀測時間為八月份，平均氣溫在30℃左右，主要用于與原有膨脹土地變形監(jiān)測網(wǎng)的對比試驗。Y網(wǎng)位于牛欄江靠近曲靖地區(qū)，沿河邊右岸有一條公路通過測區(qū)，點位布在海拔1700～1800米左右，原有控制點分布在海拔2300米以上的高山上。分別于8月份（平均氣溫29℃）和12月份（平均氣溫8℃）觀測。邊長最短的有300米，最長的有4500米，一般1500米左右的居多。主要用于探察低海拔河谷區(qū)、高差大，氣象條件差異大的環(huán)境下GNSS觀測效果。

施工測量控制網(wǎng)多數(shù)采用四站同步時段觀測，少量為雙測站單基線，取截止高度角≥15°，時段平均為90分鐘，PDOP≤6。三個施工測量控制網(wǎng)共觀測了56個同步時段（包括重復(fù)設(shè)站，重復(fù)邊）共計166條基線，同步基線存在如下情況。

（1）同步時段中，基線均為固定雙差解，閉合差滿足設(shè)計要求的占基線總數(shù)的65%。（2）同步環(huán)中提供有固定解和浮動解兩種基線，或三條基線均為浮動解，且閉合差合格的采用基線占總數(shù)的14%。（3）在閉合差不合格的同步環(huán)中取用的合格基線占基線總數(shù)的10%。（4）廢棄基線占總數(shù)的11%。

由以上的試驗數(shù)據(jù)可以看出：（1）三種環(huán)境條件綜合統(tǒng)計的平均水平，獲得固定雙差解的比率約為75%左右，可采用的浮動解的比率為15%左右。（2）同樣的儀器，基線觀測成功率與環(huán)境條件關(guān)系較大。在環(huán)境條件較差的情況下，對多路徑現(xiàn)象，微波干擾，同步衛(wèi)星數(shù)，氣象條件等可采取計劃觀測時間，加測氣溫氣壓，加設(shè)多路徑屏蔽措施，適當(dāng)延長同步觀測時間，可望得到改善。

4 施工測量控制網(wǎng)基線可靠性分析

施工測量控制網(wǎng)中凡是ratio值大于3.0者，rms又在上述推算指數(shù)以內(nèi)，經(jīng)閉合差、構(gòu)網(wǎng)檢測采用率達(dá)100%，這說明不管同步環(huán)是否閉合經(jīng)ratio檢驗合格的固定雙差解單基線的置信水平很高，是檢驗基線可靠性最簡便、最有效的方法，在構(gòu)網(wǎng)中可以大膽取用。個別情況伴以rsm偏大，多數(shù)觀測噪音偏高或基線太長所致，應(yīng)以閉合差進(jìn)一步檢核。如果得不出基線固定解，但rsm較小，RDOP值又適合，經(jīng)閉合差檢測也合格，這可能屬基線太長，觀測數(shù)據(jù)不足或可測衛(wèi)星數(shù)目不多所致，此時取用浮動解是可信的。當(dāng)rsm較大，說明數(shù)據(jù)噪音大或基線太長，同時伴以RDOP值偏高，同步環(huán)閉合差檢核多數(shù)要失敗，偶有合格者，務(wù)必再作異步環(huán)閉合檢查，防止粗差互補性掩蓋現(xiàn)象。當(dāng)觀測時段較長（一般在120分鐘以上），有時基線三差解優(yōu)于雙差浮動解，三差解成果必須經(jīng)閉合差檢核方可采用。對閉合差檢核失敗的同步環(huán)，經(jīng)rsm、RDOP分析有可能存在單條基線的浮動解可取情況，此時最有效的檢測方法仍然是異步環(huán)閉合差檢核。

5 結(jié)語

GNSS外業(yè)觀測經(jīng)解算后的成果是基線向量，它是構(gòu)成GNSS網(wǎng)的基礎(chǔ)。GNSS網(wǎng)的優(yōu)劣主要賴于基線質(zhì)量與提供多余基線的數(shù)量，它與網(wǎng)的幾何形狀無關(guān)。因此，GNSS網(wǎng)的質(zhì)量與基線質(zhì)量關(guān)系緊密相關(guān)。由于觀測要受到各種環(huán)境條件的影響，基線出現(xiàn)劣質(zhì)解是難免的，不能期望GNSS觀測完美無缺。觀測條件不同，基線成功率也有差異。構(gòu)成同步環(huán)的基線，凡是ratio值檢測成功的固定雙差解，置信度高，可大膽取用。經(jīng)異步環(huán)閉合差檢核合格的浮動雙差解也是可信的。根據(jù)工作進(jìn)程，對當(dāng)天觀測的解算結(jié)果按單條基線的ratio、rms、RDOP分析、同步環(huán)閉合差檢核可基本判定基線的可靠度。異步環(huán)閉合差是基線可靠性檢測的最有效的方法。在整網(wǎng)GNSS構(gòu)網(wǎng)中還可以根據(jù)網(wǎng)平差的統(tǒng)計檢驗來剔除個別誤差較大的基線。單條基線判斷、閉合差檢核、平差網(wǎng)檢驗構(gòu)成了基線可靠性的檢驗體系。在環(huán)境條件較差的情況下，要特別注意多路徑現(xiàn)象、強電場干擾、同步衛(wèi)星數(shù)量。加測氣溫氣壓，適當(dāng)增加同步觀測時間，必要時對劣質(zhì)解實施手動精化處理，有可能提高基線的成功率。

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