高精度GPS网布设技术研究

2022-09-11

高精度GPS控制网一般指范围较大、精度较高的那类控制网, 它可以是局部网、国家基础网、地震监测网、甚至全球网, 这类网一般点数较多、点间距较长 (几百公里或上千公里) , 例如总参测绘局布设的GPS一、二级网, 国家测绘局布设的A、B级, 用于地震预报的地震监测网等。

GPS控制网按其精度分为一、二、三、四级, 采用高级控制低级的原则布测。一、二级应布设均匀覆盖全国的连续网, 构成我国高精度三维大地控制网基础框架;对于区域性的地球动力学研究、各种地壳形变测量、各种精密工程测量等精度要求较高的可视其要求的精度, 采用一、二级GPS测量。三、四级可视需要灵活布设, 主要用于一般工程定位、军控测量、海洋控制测量、城市控制测量和测图、地籍、物探、建筑等控制测量。另外在这四级之上还有GPS连续观测站、VLBI站和SLR站, 它们构成了我国最高等级的大地控制网, 是我们布设GPS大地控制网时的坐标系参考基准。

一个全新的GPS大地控制网的建立分三步完成, 由于全部工作都由GPS来完成, 故首先选择一个与WGS84坐标系相匹配的地心框架, 而ITRF坐标系统既与WGS84相似, 又比WGS84精度高, 故是最好的选择。其次网的设计与数据采集, 网的设计根据精度要求不同分为不同等级, 数据采集时根据不同的等级要求, 确定观测时间的长短。第三是数据处理与建立控制网信息库。

自80年代末, 随着全球定位系统 (GPS) 的广泛应用, 世界各发达国家和地区都相继建立了区域性的、高精度GPS网。美国自80年代起先后建立了国家大地测量 (NGS) 的跟踪网、美国海岸防护队 (USCG) 的差分网、联邦航空管理 (FAA) 的WAAS网以及美国工程兵 (USACE) 的跟踪网等局部网, 这些网由美国大地测量局统一负责, 称为“连续运行参考站”系统, 它由137个基准站组成, 该系统计划发展到250个基准站, 平均站距为100～200公里, 覆盖全美, 构成新一代动态国家参考系统。该系统的数据和信息包括每个观测站接收到的卫星伪距、相位信息、站坐标、站移动矢量、GPS星历、站四周的气象数据等, 用户可以很方便地通过信息网络得到。它的主要目的是:使全美领域内的用户更方便地利用该系统实现厘米级的水平定位和导航;促进用户利用空间参考系统来发展GIS;监测地壳形变:支持遥感的应用;求定大气中的水汽分布;监测电离层中自由电子浓度和分布;通过与水准测量结合, 实时确定点位的正常高。

英国于1992年建立了由700个站组成的国家GPS网, 并建立了近30个GPS连续观测站;加拿大大地测量局在本土建立了由10几个永久站组成的GPS跟踪网;德国也在全国范围内建立了由100个永久GPS跟踪站组成的卫星定位网, 平均站距为40公里;日本在全国建成了由近1200个GPS站组成的综合服务系统, 该系统的永久跟踪站平均距离30公里, 构成了一个网格式的GPS永久站排列, 是日本国家的重要基础设施。

上述国家的GPS网应用于许多方面, 如地震的监测和预报、控制测量、工程控制和监测、测图和地理信息系统的更新、气象监测和预报、研究地球动力等等, 为军事、工农业各方面提供服务。

目前, 利用高精度、连续运行的GPS网站建立和维持全球统一的地心大地测量坐标系, 已成为大地测量发展的新趋势。

1 技术设计

GPS网布设前首先根据任务的目的、要求、技术指标做出详细的技术规定, 技术规定包括布网原则、点位分布要求、点间距、点间相对精度等。

1.1 技术设计准备

(1) 根据任务需要, 搜集与测区范围有关的国家三角网、导线网、天文重力水准网、水准网、人卫站、甚长基线干涉测量站、天文台、航天测控站和GPS网点等已知资料。 (2) 搜集测区范围内有关的地形图、交通图、地质图及地质、地震资料等。 (3) 搜集测区范围内的气候、气象资料、冻土层资料, 社会治安情况、流行病情况等。图上设计前, 对上述资料分析研究, 必要时进行实地勘察, 然后进行图上设计。

1.2 图上设计

图上设计一般结合收集的资料在地形图上进行, 按照高级控制低级的原则, 根据所布控制网的精度要求和点距要求, 在图上标出新设计的GPS点的点位、点名、点号和级别;并在图上标出有关的三角、导线网点以及有关的水准路线。为了便于实地选点, 每点应设计2～3个选址方案。

若建立一个全新的GPS控制网, 必须首先需要选择一个地心参考基准。目前, ITRF框架与WGS84基本上是一致的, 而且精度比WGS84要高, ITRF测站在全球己布设了200多个, 而且还在逐年增多。因此在布高等级控制网时, 要以工TRF或IGS站为基准站, 站间距离按相应等级的控制网要求进行布设。使用双频接收机, 要有足够长的观测时间, 以保证测站坐标必须达到相应等级的精度要求。

目前, 我国已建立了25个高精度的GPS连续观测站, 今后几年内将增加到260个, 它们属于ITRF框架, 因此布设控制网时, 可充分利用这些站作为基准站。

2 实地选址与埋石

GPS网点的选择和埋石在整个网的布设中是关键的一步, 也是非常重要的, 不仅关系整个网的精度, 也关系到控制网完成后的利用效率和产生的经济效益。

2.1 选点

GPS控制网点位选择涉及的因素很多, 也比较灵活。基本遵循以下原则。

(1) 站点周围的地理环境。GPS点位间虽然不要求直接通视, 但需要一个相对开阔的地带, 点位周围仰角10度以上应无障碍物。 (2) 点位的地质条件。实地选点也要结合大比例尺地质图;建立高等级控制网, 要确保点位的相对稳定。在实地选点时, 首先要避开断裂带, 避开地质不稳定的地方, 这些地方不能确定其运动的方向和速率, 在数据处理时无法进行地壳运动改正:因此选址时, 要选在地质相对稳定的地方, 如岩石上、基岩上:在没有基岩的地方, 建立土层点时, 也要考虑当地土质的稳定性, 如避开松软的土层等。 (3) 点位的交通条件。点位应选在交通方便的地方, 一是在观测时上点方便;二是节约搬站时间, 同时也节约了测量费用;三是方便利用, 能充分发挥点位的效率。 (4) 长期保存。了解站位所在地的规划情况、社会情况、风土人情, 根据实际情况确定点位的位置。为了点位的长久保存, 要征求当地政府和规划部门的意见, 避开即开发的地区。 (5) 点位应避开大型金属物体、大面积水域和其它易反射电磁波等物体, 以避免产生多路径效应误差。多路径效应在观测过程中不能发现, 只有在测后数据处理时才能知道, 如果在观测时不注意, 事后发现再补测, 不仅影响工作而且造成不必要的浪费。在GPS一级网测量时, 上海佘山天文台就出现了这种情况, 由于距点位5米远有一座高于点位的铁皮房, 观测时天线略低于房顶, 测量过程中未出现异常, 事后数据处理时误差较大。后来观测时天线架设高于房顶, 解算结果有了明显的好转。 (6) 在点位上方无高压输电线, 距点位100米范围内不能有变电站;远离大功率的电台、微波中继站等辐射电源。GPS二级观测中, 湛江一点位在92年观测时正常, 94年测量时由于附近新建了电视台, 接收机无信号, 直到离开电视台1 0 k m才重新收到信号, 98年在三网联测中, 在福建94年测的GPS二级网点上, 由于附近新建呼机台, 接收机信号不连续, 测量结果不能使用;点位避免选在两强微波站之间, 在96年某基地网观测中, 由于点位在两微波站之间, L2没有信号, 偏离这个方向Ikm左右, 接收机则恢复正常。

2.2 埋石

高精度GPS控制网一般是国家的基础网, 要求精度高、长期保存、长期利用。因此埋石时要考虑点位的安全、标石对精度的影响。

(1) 埋石前, 首先对选定的位置进行实地考查, 以确定点位位置的地质条件是否符合埋石要求。 (2) 为防止标石下沉与倾斜, 埋设标石前应在坑底填以砂石并夯实和整平, 在冻土地区标石的坑深应在冻土层以下。 (3) 为避免观测时的对中误差, 标石的标志要求为强制对中, 因此标石应建成观测墩, 观测墩为钢筋混凝土浇筑, 其高应为1.0～1.2米, 并且在墩的侧面刻上点位的点号、等级及施工的年月, 点位还要方便于水准联测和其它常规测量的使用。

3 GPS网的野外布设

在实施观测前, 要做出观测实施方案, 一个方案的好坏不仅关系到整个控制网的精度, 也决定了施测时间的长短、费用的多少和参测人员的辛苦程度。

做实施方案前, 需要首先详细了解以下几点。

(1) 投入的力量。包括参测的仪器数量、人员、车辆、生活保障情况、油料供应情况。 (2) 测区的点位分布情况, 根据测区调查及埋石资料, 将点位展在一张小比例尺地形图或交通图上, 为做调度命令做好准备。 (3) 测区内交通情况, 根据参加观测的接收机数量、观测点的分布情况, 进行分区:调度时, 根据测区的交通情况、每个点位的难易程度, 安排每台仪器迁站时的路线和搬迁的时间, 确保每台仪器搬迁时间大致相同, 基本上能保证同时上点观测, 提高工作效率。 (4) 气候情况。根据整个测区的气候情况, 安排观测的前后, 避开测区内最不易行走的时间。 (5) 社会情况。了解测区内的民族风俗、风土人情、社会治安、流行病及测区内对人有危险的虫兽。出发前做好准备必要的药品及有关器材, 防止施测过程中出现意外事故而影响工作进度。

GPS观测中的测区分区。在大面积GPS控制网作业中, 往往点很多, 分布又很广, 不可能每台仪器上一个点, 这时就不得不进行分区观测, 同一区的观测同步进行, 区与区之间有一定数量的连接点, 分区时应考虑以下几点。

(1) 控制网的整体性。即不能产生局部扭曲。 (2) 误差传播。连接作为不同分区的公共点, 也是区与区之间误差传播的枢纽, 在控制网平差中, 公共点的定位误差将影响分区的精度, 并且带都一定的系统性。 (3) 网的多余观测。一定数量的多余观测可以通过平差提高网的精度和可靠性, 在解算过程中剔出不合格的数据后, 还能满足规范要求的测段数量。 (4) 方便检核。在基线解算完成后, 平差前, 要对观测质量进行检核, 一般通过网点组成的图形来进行, 因此分区时要考虑相邻点的联接。 (5) 布网时的费用。在分区时不同的方法其工作效率不同, 在保证构图的同时, 还要考虑作业人员观测与迁站的时间、迁站的路程等。

摘要：本文基于笔者多年从事工程测量的相关工作经验, 以工程测量中常用到的高精度GPS网布设为研究对象, 在充分研究我国GPS网布设方式方法的基础上, 给出了我国高精度GPS网布设时技术设计, 实地选址与埋石注意事项及野外布设的相关思路和方法, 全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华, 相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词：GPS网,高精度,选址,埋石,布设