浅谈GPS控制网的技术设计

吴远平
（广西国土测绘院，广西 南宁 530023）

【摘　要】　讨论GPS控制网技术设计的一般原则和图形设计，结论认为：传统的控制测量方法将被GPS技术所取代。
【关键词】　GPS 控制网 技术设计原则 图形设计

　　1 引言
　　GPS是英文Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System的字头缩写词NAVSTAR/GPS的简称。它的含义是：利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统。GPS具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能，而且具有良好的抗干扰性和保密性。因此，GPS技术在大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测量、城市测量等测绘领域得到了广泛的应用，本文根据多年的实践经验介绍GPS控制网在工程测量中的布设方法，以供大家参考。
　　2 技术设计的一般原则
　　建立城市或其它局部性GPS控制网是一项重要的基础性工作，而技术设计则是建立GPS网的第一步，是保证GPS网能够满足经济建设需要，并保证GPS成果质量可靠的关键性工作。因此，必须科学地、严谨地作好这一工作。GPS网设计设计的一般原则包括以下几个方面。
　　2.1 充分考虑建立GPS控制网的应用范围
　　对于工程建设的GPS网，应该既考虑勘测设计阶段的需要，又要考虑施工放样等阶段的需要。对于城市GPS控制，既要考虑近期建设和规划的需要；又要考虑远期发展的需要；还可以根据具体情况扩展GPS控制网的功能，充分发挥GPS网和测绘工作在城市建设中的作用。
　　2.2 采用分级布网的方案
　　适当地分级布设GPS网，有利于根据测区的近期需要和远期发展分阶段布设，而且可以使全网的结构呈长短边相结合的形式。与全网均由短边构成的全面网相比，可以减少网的边缘处误差的积累，也便于GPS网的数据处理和成果检核分阶段进行。分级布网是建立常规测量控制网的基本方法，因为GPS测量有许多优越性，所以并不要求GPS网按常规控制网分很多等级布设。例如，大城市的GPS控制网可以为三级：首级网中相邻点的平均距离大于5km；次级网中相邻点平均距离为1~5km；三级网相邻点平均距离可小于1km，且可采用GPS与全站仪相结合的方法布设。对于小城市，分两级布设GPS网即可。
　　为提高GPS网的可靠性，各级GPS网必须布设成由独立的GPS基线向量边（或简称为GPS边）构成的闭合图形网，闭合图形可以是三边形、四边形或多边形，也可以包含一些附和路线，GPS网中不允许存在支线。
　　2.3 GPS测量的精度标准
　　GPS测量的精度标准通常用网中相邻点之间的距离中误差表示，其形式为：
　　
　　式中：σ——距离中误差（mm）；
　　　　　a——固定误差（mm）；
　　　　　b——比例误差系数（ppm）；
　　　　　d——相邻点的距离（km）。
　　2001年实施的“全球定位系统（GPS）测量规范”将GPS的测量精度分为AA~E六级（见表1）。其中AA、A、B三级是国家GPS控制网，C级主要用于大、中城市及工程测量的基本控制网，D、E级主要用于中、小城市、城镇及测图、勘测、建筑施工等控制测量。

表1

　　在GPS网的技术设计中，应根据测区大小，GPS网的用途，来设计网的等级和精度标准。
　　2.4 坐标系统与起算数据
　　GPS测量得到的是GPS基线向量，是属于WGS84坐标系的三维坐标差，而我们需要得到的是属于国家坐标系或地方独立坐标系的坐标。为此，在GPS网的技术设计中，必须说明GPS网的成果所采用的坐标系统和起算数据，也就是说明GPS网所采用的基准。
　　GPS网的基准与常规控制网的基准类似，包括位置基准、方位基准和尺度基准。
　　当测区有旧的地面控制点成果时，应既考虑充分利用旧资料，又要使新建的高精度GPS控制网不受旧资料精度较低的影响。为此，应将新的GPS网与旧控制点进行联测，联测点一般不应少于2个。
　　GPS望的坐标系统应尽量与测区过去采用的坐标系统一致，如果采用的是地方独立坐标系，一般应该了解以下几个参数：
　　a.所采用的参考椭球体，一般是以国家坐标系的参考椭球为基础；
　　b.坐标系的中央子午线的精度值；
　　c.纵、横坐标的加常数；
　　d.坐标系的投影面高程及测区平均高程异常值；
　　e.起算点的坐标。
　　GPS网的位置基准，通常都是由给定的起算点坐标确定。方位基准可以通过给定起算方位角值确定，也可以由GPS基线向量的方位作为方位基准，尺度基准可以由地面的电磁波测距边确定，或由两个以上的起算点之间的距离确定，也可以由GPS基线向量的距离确定。
　　2.5 GPS点的高程
　　为了得到GPS点的正常高，应使一定数量的GPS点与水准点重合，或者对部分GPS点联测水准。为了便于进行水准联测，且便于进行GPS观测，提高GPS作业效率，GPS点一般应设在交通方便的地方。
　　3 GPS控制网的图形设计
　　网的图形设计主要是根据网的用途和用户要求，侧重考虑如何保证和检核GPS数据质量；同时还要考虑接收机类型、数量和经费、时间、人力及后勤保障条件等因素，以期在满足要求的前提条件下，取得最佳的效益。
　　3.1 设计的一般原则
　　（1）GPS网一般应采用由独立观测边构成的闭合图形。例如三角形、多边形或附和线路，以构成检核条件，提高网的可靠性。
　　（2）GPS网点尽量与原有的地面控制网点相重合。重合点数应多于3个，以便可靠地确定GPS网与地面网之间的转换参数。
　　（3）GPS网点应考虑与水准点相重合，而非重合点一般应根据要求以水准测量方法进行联测。
　　（4）为便于观测和水准联测，GPS网点一般应设在视野开阔和交通方便的地方。
　　（5）为了便于用常规方法联测或扩展，C、D、E级控制网点应有1~2个方向通视。
　　3.2 GPS网的基本形式
　　根据GPS测量的不同用途，GPS网的几何图形结构，有以下三种形式。
　　（1）三角形网
　　如图1所示。图中各三角形边是由非同步观测的独立边所组成。这种网的几何图形结构强，具有良好的自检能力，能有效地发现观测成果的粗差，确保网的可靠性。经平差后网中相邻点间基线向量的精度分布均匀。

图1 GPS三角网

　　这种网的主要缺点是观测工作量较大，尤其当接收机的数量较少时，将使观测工作的时间大为延长。因此，通常只有当网的可靠性和精度要求较高时，才单独采用这种图形结构的网。
　　（2）环形网
　　由若干个含有多条独立观测边的闭合环所组成的网，称为环形网，如图2所示。这种网的图形结构强度较三角网差，其优点是观测工作量较小，具有较好的自检性和可靠性。其缺点主要是非直接观测的基线边（或称间接边）精度较直接观测边低，相邻点间的基线精度分布不均匀。由于环形网的自检能力和可靠性与闭合环中所含基线边的数量有关，所以，一般根据网的精度要求，规定闭合环中包含的基线边的数量。表2是相应于表1所列精度要求所提出的规定。