西江四等GPS平面控制网的布测

潘新树
(南宁航务工程处工程测绘队)

【摘 要】 简要介绍了西江津圩河道GPS四等平面控制网的优化设计方案与施测结果,并得出使用GPS建网比使用全站仪建网具有效率高、费用省的结论。
【关键词】 GPS四等平面控制网 优化设计 观测数据 基线向量 网平差

  西津至刘公圩河道(以下简称津圩河道)属西江上游河段,地处广西横县境内,位于西津水力发电厂至贵港市界首刘公圩村,全长约60公里。随着贵港航运枢纽工程的竣工,津圩河道将成为库区未端回水变幅区,受该区水流速度变化的影响,容易引起河水泥沙沉积,这将严重影响津圩河段航道的正常使用与维护。为便于津圩河道布设二级导线控制网和航道浅滩演变测量,我队受托承担了西江津圩河道四等控制网和一级导线控制网布测的任务。
  1 测区概况
  
津圩河道流经横县农业最发达的地区,河道缓延曲折。河岸多为含沙泥,间有风化半风化岩石。两岸大量种植甘蔗、玉米、黄豆、茶叶及各种经济果林,植被茂盛,通视不良。资料表明,测区Ⅱ等以上国家控制点大部份已遭毁坏,仅存Ⅱ等以上控制点两点,Ⅰ级军事控制点一点,而且现存控制点的分布并不理想。其中“红泥岭”位于河道中段偏下游北岸4公里开外的土岭顶上。“三架岭”位于河道中段南岸1公里开外的山岭上。其中“三架岭”为Ⅱ等国家控制点,“红泥岭”为Ⅲ等国家控制点。另一个Ⅰ级军控点位于河道下游南岸边的站仔山顶上。如图1所示:

  2 控制网的优化布设
  根据任务要求,四等和一级导线控制网均沿河岸布设。很明显,一级导线网沿河布设成附合导线最为经济合理,而且能保证精度,关键在于四等网的布设,首先考虑一级网对四等网的要求。根据交通部《水运工程测量规范》的要求,一级导线总长限制在10公里以内。因此,对于四等点来说,沿河布设间隔不能超过10公里。其次,考虑附合导线与起算边至少有一头需测连接角(一级导线边长较短,数量较多,拟采用全站仪施测)。故沿河四等点的边长也不能太长,否则观测连接角时通视将成问题。经以上分析,四等控制网的网形设计按测边网进行,布设时有如下3种方案:
  1)各短边与S1-S2(Ⅲ等己知边)组成独立的大地四边形;
  2)各短边与两个Ⅲ等点S1、S2组成一大一小的两个三边形,各三边形之间联测一条边;
  3)前两种方案的结合。
  第一种方案中,控制网图形强度好,有利于精度条件的满足。但由于各短边被分成若干个独立网,各网间缺少联系,不利于整个四等网各控制点之间点位精度的一致。容易造成一级附合导线网出现较大的方位角闭合差和坐标闭合差。
  第二种方案中,整个控制网连成一体,点位精度均匀。但因为短边与已知边之间缺少一条加强边,使得每一条短边产生一个图形极差的三边形,严重影响了整体精度的提高。
  第三种方案则优于前两种方案。
  控制网的优化设计采用计算机辅助分析计算。按照NGD-60LS型GPS接收机静态测距精度5mm+2ppm作为估算依据。计算测边网各控制点点位误差。三种网形估算的精度如表1:

  从以上估算的结果来看,三种网形的点位误差均满足设计精度要求。第三种方案估算明显较高,第二种方案稍差。而第一种方案并没有出现前面分析的精度明显不均匀的情况,原因在于图形较好。该方案比第三方案测站数少,而比第二方案设站集中,综合各种因素,决定按第一种方案,多形布设测量。
  3 外业观测
  外业采用NGD—60LS型GPS接收机测量。该机为广州南方测绘仪器公司生产,主机采用美国摩托罗拉公司接收板,数据采集器为马来西亚组装的惠普HP200型掌上电脑。技术指标为并行8通道,L1载波相位C/A码伪距,静态测距精度为5mm+2ppm。由于接收机只有两台套,故全部为异步环观测,单边同步观测时间为90~120分钟。观测时连接好电源、接收机天线和数据传输电缆,然后打开主机电源,接着打开采集器,进入DOS状态,按提示输入接收机的产品序号,确定后随即进入监控状态。注意观察监控窗口中的信息,包括空间位置精度因子HDOP或PDOP、各通道的信噪比和跟踪状态(模式)。各种观测指标符合条件后,按F2键进入数据采集状态,输入测站名、当天同步观测时段(注意不能重复,否则覆盖上个时段数据)和天线高度,回车进入采集状态。数据采集完毕时,按ESC键退出,先关闭采集器电源、再关闭主机电源,整理现场记录,撤站。
  4 观测数据的后处理
  4.1 观测数据的传输
  由于HP—200容量不足,无法在采集器上安装处理软件进行数据处理。需要把观测数据传输到微机上处理。将采集器与微机联接好,建立工程项目任务(子目录)后,打开采集器,进入文件管理界面、设好通信接口、服务器模式和波特率等通信参数。在微机“HP200通讯软件”文件下打开“Serial Communions”,按对话框提示选择好与采集器相配的通讯参数,点击“ok”传输数据。传输完成后按下Fl0切断两机联系,以“ALT+Q”退出。
  4.2 基线向量处理
  GPS接收机所接收的信息(观测量)为伪距、载波相位差及星历数据。要得到两测站间的基线向量(相当于两站天线间的直线距离),必须对GPS接收机信息进行计算处理。基线解算的过程如下:首先作三差解算,求未知数的初始值;接着进行周跳修复,求取双差浮动解;寻找整周固定未知数(模糊度)并进行探查修复;最后求出双差固定解(若未找到可靠模糊度,则求出双差浮动解)。由于受GPS接收机本身的限制,存在卫星与接收机之间的时钟误差和卫星轨道误差。另外,卫星信号的传播也受到电离层、对流层及多路径等环境影响,致使观测的质量降低。因此,在基线向量解算时,需要对观测数据有针对性地进行取舍,以满足具体条件下基线向量解算成果的质量。如修改历元间隔、起始历元、历元总数、卫星高度角、方差因子、有效历元等。
  基线向量处理是GPS数据当中重要的一环,基线向量成果的好坏直接影响后续网平差成果质量,需要认真对待。南方测绘仪器公司的基线解算软件具有较强的解算能力,界面也相当友好,GPS四等平面控制网基线解算成果如表2:

  4.3 网平差处理
  基线向量解算后即可进行网平差处理。首先对基线进行组网,即选择参加平差的基线向量,然后定义坐标系统,输入中央经线值,输入已知固定点坐标,选定起算基准点,运行平差程序。程序提供了自由网平差、三维约束平差、二维约束平差和高程拟合几种功能。考虑GPS对高程的观测精度尚不能满足四等以上技术要求,我们选择了二维约束平差,运行程序结果如表3:

  在GPS网布设以后,沿河布设了六条一级附和导线,各导线坐标闭合差、测距相对误差和测角中误差平差结果如表4:

  从平差结果及一级导线闭合差精度估算表中可看出,GPS网观测精度完全符合规范规定的四等精度,并且满足一级导线坐标闭合差的要求。
  5 GPS与常规导线布测方法功能比较
  GPS定位系统采用微波建立与卫星的空间关系,从而达到测距目的,因而不受通视及气象因素的影响。观测距离可达30km甚至更远,与全站仪相比,GPS的这些优势可免去大量的中间地面观测。以本次测量为例,由于测区已知控制点少,以全站仪沿河布置60km一级导线并与已知点构成足够的导线网,中间至少需多测近100km长导线,多花时间20天。经初步估算,本次测量中GPS与全站仪相比,效率高2~3偌,费用仅占全站仪的1/5左右。
  6 一些体会
  通过GPS网的布设和测量,我们有如下体会:
  1)选点要保证有足够的卫星高度角,以免仪器接收的卫星数量不足或接收的卫星位置不理想,造成基线解算质量不高;同时选点不能太靠近如高压线和水面等环境,避免接收信号受到电磁和多路径效应的影响。
  2)观测时段以早上和傍晚为宜,此时卫星信号比较理想。
  3)当选点位置和观测时段不够理想时,应适当延长观测时间,以便基线解算时有足够的数据参加解算,提高基线解算质量。

参考文献
[1] 鲁林成 於宗俦 测量平差基础 测绘出版社 1982
[2] 孔祥元 梅是义 控制测量学 测绘出版社 1991
[3] 交通部 水运工程测量规范 人民交通出版社 1995

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