城市GPS控制网测量的高精度方法

2022-09-11

1 观测卫星的几何分布对精度的影响

1.1 观测卫星的几何分布对绝对定位的影响

为了评价定位的结果, 在导航学中一般均采用有关精度因子DOP (Dilutionof Precision) 的概念。根据不同的要求可采用不同的精度评价模型和相应的精度因子, 通常有:平面位置精度因子HDOP (Horizontal DOP) ;高程精度因子VDOP (Vertical DOP) ;空间位置精度因子PDOP (Position DOP) ;接收机钟差精度因子TDOP (Time DOP) ;几何精度因子GDOP (Geometric DOP) , 是描述三维位置和时间误差综合影响的精度因子。利用以上各项精度因子, 便可以从不同方面, 对绝对定位的精度作出评价。GPS绝对定位的误差与精度因子DOP的大小成正比, 因此在伪距观测精度确定的情况下, 如何使精度因子的数值尽量减小, 便是提高定位精度的一个重要途径。

1.2 观测卫星的几何分布对相对定位的影响

RDOP (Relative DOP) 称为相对定位精度因子。相对定位精度因子 (RDOP) 与所测卫星的几何分布和观测时间密切相关。一般来说, RDOP是观测时间和反映所测卫星图形强度的PDOP (空间位置精度因子) 的函数, 它是从观测卫星的分布图形和观测时间两个方面, 综合表征相对定位精度的重要量。在动态相对定位中, RDOP仅与观测卫星的几何分布有关。为了保障相对定位的精度, 应限制RDOP的大小不超过一定的数值。

2 GPS基线成果可靠性检测指标

用GPS数据处理软件解算的基线, 同时提供有R M S、R D O P、R A T I O和R E J E C T E D等质量指标。其中RMS是基线平差计算后的验后中误差, 主要用于衡量观测质量, 能反映出观测噪音、周跳修复程度、观测改正模型误差等综合影响, 同时与基线长度也相关, 其值越小越好。RDOP称作相对定位几何精度因子, 主要表达在相对定位中, 卫星星座的几何图形结构, 与基线长度不相关。构成星座的卫星数多, 图形强度又好, 那么RDOP就小, 测量误差对基线成果的影响也就小。RATIO是一个比值, 在对整周未知数N的探查中, 采取舍入取整与加减1-2周的方法进行探查性试算, 从中选取残差平方和最小的一组作分母, 次好的一组作分子, 此比值越大, N的推测结果越好。经验证明当RATIO大于3.0时, 固定双差解的置信水平高。REJECTED是时段中剔除的劣质观测值数目, 一般取它与观测值总数的比值形成观测值剔除率, 反映观测值优劣比, 一般剔除率在10%以内。比值太高, 说明在有限的观测值中, 用于解算基线的多余观测少, 同样也会影响基线质量。

3 GPS基线解算的精化问题

GPS成果的好坏不仅取决于合理的组织实施, 还取决于数据处理。数据处理中, 基线解算质量直接影响到检验资料和平差计算, 所以基线向量解算是GPS数据处理中的重中之重。以下是获得良好基线的几点建议: (1) 固定点坐标精度必须保证。 (2) 基线解算以手工处理为好, 尤其当边长较长时。 (3) 为便于手工处理基线, 外业观测过程中应注意记录失锁情况、信噪比及信号质量。信噪比低于35的卫星应慎重使用, 低于30时应放弃使用。信号质量低于80%的观测数据不宜采用。 (4) 当整周未知数难以收敛时, 可采取:适当增加卫星高度角;删除观测历元少的卫星重组数据链;截取GDOP值较为稳定的数据段;采用单频解算;当观测时间不少于30min, 可考虑适当增大先验单位权中误差。有时, 一种方法尚不能解决问题, 可几种手段同时使用, 但应该注意保留足够的观测数据。 (5) 当边长不长时, 尽可能采取双差固定解。而且对于25km以上的边长, 电离层延迟、对流层折射和气象改正等影响在差分解中已难以完全消除, 其残余影响的噪声与先验单位权中误差相当, 整周未条数的确定显然已失去意义。所以, 当边长大于2 5 k m时, 观测时间需要多一些才好, 一般不少于1h。

4 提高GPS网精度的有效措施

4.1 对G P S接收机进行检验, 保证接收设备运转良好

(1) 接收机内部噪声水平检验:a、零基线检验。将同一天线接收的GPS卫星信号, 通过功分器分成相位、功率相同的两路信号, 分别输入两台接收机。根据两台接收机的观测数据, 利用相对定位的原理解算相应的基线向量, 在理论上, 所解算的基线向量应为0;b、超短基线检验。在无功分器的情况下, GPS接收机的内部噪声水平也可用长度精确的超短基线或基线网进行检验。将两台接收机天线, 分别安置在超短基线的两端, 并按高精度静态相对定位的要求进同步观测, 其测量结果与已知的基线长度之差, 主要反映了接收机的内部噪声水平。 (2) 天线相位中心稳定性的检验:通常采用相对定位法, 将GPS接收机分别精确地安置在基线网的端点上, 并将天线的定向标志指向正北, 观测一个时段1-2h后, 固定一个天线不动, 将其余天线依次同向旋转90度, 180度和270度, 并各观测一个时段, 最后再将固定不动的天线, 相对其余任意一天线, 依次转动90度, 180度和270度, 并分别观测一个时段, 求解各时段基线值, 其互差一般不超过GPS接收机标称固定误差的两倍。 (3) GPS野外鉴定场检验:在野外固定边长的超短边、短边、长边和超长边上进行静态观测, 并比较基线值与已知长度的差值, 即可知道接收机内部噪声水平。

4.2 实地仔细踏勘, 以保证测站点的观测条件

(1) 点位周围应便于安置天线和GPS接收机, 视野开阔, 视场内周围障碍物的高度角一般应小于巧度。 (2) 点位应远离大功率无线发射源及高压线, 以避免周围磁场对信号的干扰。 (3) 点位周围不应有对电磁波反射或吸收强烈的物体, 以减弱多路径效应的影响。

4.3 制订外业观测计划, 保证野外观测时有好的信号和卫星几何构图

(1) 编制GPS卫星可见性预报图, 输入高度角、测区中心概略坐标、日期及观测时间段, 即可得到相应卫星信息。在观测时段内, 可测的卫星数越多越好。 (2) 选择卫星的几何图形强度, 所观测的卫星与观测站构成的几何图形, 其强度因子GDOP必须小于8. (3) 选择最佳观测时段, 在天空出现的卫星数大于4, GDOP值小于6的时段就是最佳观测时段。

4.4 做好外业观测工作, 确保观测成果的质量

(1) 定向标志应指向正北, 并顾及当地磁偏角的影响, 定向误差绝对值不应超过5度。 (2) 各接收机的观测员应按观测计划规定的时间作业, 确保同步观测同一组卫星。 (3) 接收机开始记录数据后, 观测员应注意看并记录测站信息, 接收卫星数量、卫星号、各通道信噪比、相位测量残差, 实时定位的结果及其变化等情况。