张彪，刘浩

(铁道第三勘察设计院航遥测绘分院，天津 300251)

GPS精密测量研究实验

张彪∗，刘浩

(铁道第三勘察设计院航遥测绘分院，天津 300251)

结合GPS和全站仪测量数据，分析影响GPS测量精度的相关因素，并提出了相应的处理措施。同时就GPS测量内符合精度、外符合精度以及观测时段长度对GPS精度的影响，提出了作者自己的观点供大家参考。

GPS测量；精度统计；误差分析

1 引 言

全球定位系统(GPS)是美国于1994年全面建成。GPS系统的建立为测量工作提供了一个崭新的定位测量手段。由于GPS测量技术具有高精度、速度快、成本低的显著优点，因而目前GPS在工程中的应用已越来越广泛，利用GPS建立工程控制网已普遍展开，对于绝对精度达到毫米级的GPS工程变形监测也有不少成功实践。但这一精度是否可靠以及它是在怎样的观测环境、观测方案和具体设备下实现，成了目前研究的主要方向，针对这一问题，我们做了以下的实验验证。

2 实验验证

2.1 GPS监测点的选择

GPS监测点的选择，为了方便实验数据的外业采集，保证观测工作的顺利进行和获取可靠的观测结果，收集了现有GPS点的分布及保存情况，最终选取了4个强制归心观测墩作为本实验的GPS点，其站点及仪器设置如图1所示。

图1 站点及仪器设置示意图

2.2 GPS测量技术方案及设备

(1)GPS网的设计

本次实验采用网连式的布网形式，这样构网便于组成较多的同步环、异步环及复测基线，具有较强的几何强度和多余观测，网中最长边为450 m左右，最短边为20 m左右，属于超短基线网，在WGS－84下作无约束平差(基准由软件自定)检验其精度。

(2)外业采集仪器设备

此次实验我们选用TOPCON Legacy－E双频接收机(简称LE型)并配有TOPCON CR－3扼流圈天线。

2.3 GPS数据获取

(1)数据获取工作安排两天完成，每天观测两个时段，每个时段长6 h，仪器不搬站，观测人员要严格按照调度指令，按照规定时间进行作业，检查接收机和天线连接无误后，方可开机测量，每时段最少同时跟踪4颗卫星方可记录，数据采集间隔为30 s。

(2)在原有的GPS天线基座上，利用强制归心装置架设莱卡TS30全站仪(测距精度:0.6 mm＋1 ppm，测角精度0.5″，满足实验要求毫米级精度)和配套的莱卡圆棱镜，通过6测回往返观测法取平均值分别获取各基线长度，作为检测GPS测量外符合精度的参考数据。

全站仪观测数据 表1

2.4 GPS数据处理

此次GPS测量实验的数据处理工作采用随机附带的TOPCON Pinnacle软件。在布设GPS网时，数据处理工作是随着外业工作的展开分阶段进行的。从算法角度分析，根据本实验的具体情况，可将GPS网的数据处理流程分为数据传输、基线解算和网平差三个阶段，流程如图2所示。

(1)GPS基线处理

①基线解算采用的是静态解算模型。

②在初步设置好处理参数后进行解算，发现6日第一时段的残差图的残差有超过正负0.4周现象，而要求最好是在正负0.25周以内。基于此，我们删除了该时段的S1、S3、S4测站的30＃卫星，S2测站的24＃、30＃的两颗卫星。

图2 GPS数据处理流程

(2)GPS基线检核

①重复观测边的检核

计算不同时段观测结果的互差，该差值应小于相应级别规定精度的2倍；

同一条边若有三个时段以上的观测结果，则应计算各时段结果的平均值。其中任意时段的结果，与其平均值之差，应不超过相应级别的规定精度。

②严格进行基线重复性检验、同步环和异步环检验，同一基线在不同时段的△X、△Y、△Z分量及边长S的较差，应满足:

式中:n为同一基线的总观测时段数；Ci为一个时段的基线某一分量或边长；为该时段相应于Ci分量的方差；Cm为各时段的加权平均值。

基线精处理后，独立闭合环或符合路线坐标分量闭合差应满足:

式中:r为环中的基线数，C(i)＝△X(i)，△Y(i)，△Z(i)。

环线全长闭合差应满足:

Dbi为环线中第i条基线的方差－协方差阵

③基线解算成果

通过对6小时的观测时段进行的基线处理结果分析，得出各条基线解算成果表，如表2所示。

基线解算成果表 表2

(3)GPS网平差

在本实验中，由于我们的目的是为了查看处理精度，并进行相关量的比较与分析，在这里我们采用WGS－84大地坐标系下无约束网平差。为了全面考核GPS测量网的内部附合精度，发现并剔除粗差。以每时段6小时的4个时段的观测量为数据，基线选取方式见图1，利用方位角中误差及边长距离等相关分量数据，通过点位中误差和边长中误差计算公式，最终得出WGS－84坐标系下相应的精度指标，具体精度统计如表3所示。

表3的数据表明，本GPS网内附合精度已达到了亚毫米级。

GPS网平差后内符合精度表 表3

2.5 精度分析

为了比较该实验的外符合精度，我们将在WGS－84坐标系下无约束网平差得出的基线结果与全站仪观测的基线结果进行比较，如表4所示。

精度分析结果 表4

对比结果表明:检测较差在0.1 mm～3.0 mm之间，边长相对误差在1/138328～1/490463之间，从单基线距离较差的相对精度来看，均不低于1/10万，因此可以判断此次GPS观测点之间的相对关系好，GPS网精度高，成果可靠。

2.6 观测时段长度对精度的影响

在实际工程测量中，人们不仅仅考虑精度因素而且还注重经济成本以及工作效率，为了既提高测量效率，降低作业成本又保证GPS观测精度，我们做了缩短时段的GPS数据处理实验，以验证不同的观测时段的测量精度。具体时段的数据处理精度对比如表5所示。

分时段数据处理精度对比表 表5

从表5可以看出，在处理时段数不变的情况下，通过缩短观测时段进行的数据处理精度，总体上是随时段长度的缩短而递减，但在2 h～6 h之间，其GPS观测精度基本相同，并无明显变化，精度随时段明显发生变化的是在20 min～2 h之间。这样，我们可以从中得到一种启示:为获取不同的GPS观测精度，在观测时段上我们应在2 h之内进行相应的调整。

3 实验结论

(1)利用本实验的设计方案、数据处理步骤以及控制GPS技术的各种误差对测量精度的影响的方法等，可以得到达到亚毫米级内符合精度以及毫米级的外符合精度。

(2)在处理时段数不变的情况下，通过逐步缩短观测时段的数据处理实验，得出了一个启示:GPS测量精度总体上是随时段长度的缩短而递减，但在2 h～6 h之间，其GPS观测精度基本相同，并无明显变化，精度随时段明显发生变化的是在20 min～2 h之间。这样，为获取不同的GPS观测精度，在观测时段上我们应在2 h之内进行相应的调整。

[1] 周忠谟，易杰军，周琪编著.GPS卫星测量原理与应用[M].北京:测绘出版社，2004

[2] 李征航，黄劲松编著.GPS测量与数据处理[M].武汉:武汉大学出版社，2005

[3] 许其凤.GPS卫星导航与精密定位[M].北京:解放军出版社，1980

[4] 孔祥元，梅是义主编.控制测量学[M].武汉:武汉大学出版社，2003

[5] 刘基余编著.GPS卫星导航定位原理与方法[M].北京:科学出版社，2008

[6] 居向明，徐忠阳，李俊玲.GPS在工程控制测量中应注意的几个问题[J].测绘学院学报，2003，20(1)

[7] 林和忠.RTK技术的误差分析与处理[J].北京测绘，2005(4)

[8] TOPCON Pinnacle软件中文操作手册.

GPS Precision Survey Research Experiment

Zhang Biao，Liu Hao
(Aero Geophysical Survey＆Remote Sensing Branch Institute，The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300251，China)

This paper analyzes correlation factors that influence GPS survey precision by combining GPS and total station survey data and puts forward corresponding handling measurements.The authors give their own points of view in regard to GPS survey internal precision and external precision，and the influence that the length of observation period of time has on GPS precision.

GPS survey；precision statistics；error analysis

1672－8262(2011)02－68－03

P228

B

2010—10—28

张彪(1983—)，男，助理工程师，主要从事精密工程测量研究工作。