王海峰 李雪瑞 赵久奋 牛国华

GPS具有全天候、精度高、自动化、易操作、高效益等优点,在实际工程中得到了广泛的应用[1].近些年,GPS技术发展迅猛,不仅广泛应用于国民经济建设,在军事方面也得到了较快的发展.

传统的GPS控制网平差方法主要有整体基线全时段平差、整体基线分时段平差等,这些方法要么需要处理的数据量很大,作业效率不高,要么抛弃某些观测时段中的有效数据,给平差结果造成不良影响.为了解决这些问题,在要求的前提下缩短解算时间,提高作业效率,本文提出了多时段有效基线解算的平差方法.

1 GPS定位原理与网形选择

1.1 GPS定位原理

1.1.1 定位方法和误差来源

GPS定位方法主要有动态定位、静态定位、绝对定位和相对定位[2].GPS测量中的误差主要有与卫星有关的误差、卫星信号的传播误差和与接收机有关的误差.其中,轨道误差和多路径效应是误差的主要来源.

1.1.2 静态相对定位原理

静态相对定位是目前GPS测量中精度最高的一种定位方法.假设在某一坐标系中测站A的位置向量R R RA,对于未知测站B,只要求出基线向量∆R R RAB,即可求得未知测站B的位置向量.

其中:

1.2 GPS控制网图形的选择

GPS控制网的图形布设通常有点连式、边连式和边点混合连接3种基本方式,组网的方式主要有三角形网、环形网和星形网[4],为了保证观测精度和图形的结构稳定性,在此采用边连式三角形网,如图1所示[5].

图1 边连式和三角形网示意图

2 GPS数据采集与预处理

2.1 室外作业

在室外作业之前,首先在测区进行点位选择和网形设计.根据实际情况,选取了9个点组成了GPS控制网,如图2所示.

图2 GPS控制网图形

根据观测计划,采用静态相对定位方法,用3台Trimble 5700接收机进行同步环观测,每个三角形网观测两个时段,每个时段有效时长为1h.

2.2 GPS源数据的处理

在观测完成后,须在测区对观测数据的质量进行检核和评价,根据情况采取淘汰、重测或补测措施[6].数据合格后,要对数据进行平滑滤波检验,剔除粗差,并加工成标准化文件,找出整周跳变点并修复观测值,并对观测值进行大气折射改正、电离层折射改正、对流层折射改正等一系列模型改正.

3 GPS控制网平差方案

3.1 平差原理

假设观测值个数为n,必要观测数为t,若在该平差中选取u个未知参数,包含s个不独立的未知参数,则该平差问题的函数模型为[7]:

在V V VTPVPVPV=min的原则下[8],得方程式:

3.2 基线解算

基线向量的解算过程实际上是平差的过程,基线向量解算的基本流程如图3所示[9].

图3 基线向量解算流程

把预处理后的数据导入到TBC软件后,通过上述操作,可以得到基线处理结果,如表1所示.

表1 GPS基线解算结果

基线解算完成后,要对基线解算结果进行质量检查,主要包括:短基线的模糊度、单位权中误差(RMS)、整周模糊度检验值(RATIO)等.

3.3 GPS控制网平差方案比较

3.3.1 平差方案介绍

这里主要将两种传统平差方法和多时段有效基线解算方法进行比较.

方案1.整体解算基线向量.将观测GPS控制网得到的两个时段的数据进行整体基线处理,并将基线向量整体拖至网平差栏进行自由网平差[10].该方法利用每一组观测数据,大大增加了多余观测量,虽然提高了解算精度,但数据处理量很大,特别对于复杂的大范围GPS控制网而言,需要花费更多的时间和人力物力进行基线解算和控制网平差.

方案2.分时段解算基线向量.将某一时段的观测数据进行整体基线处理,并把该时段基线向量整体拖至平差栏进行自由网平差.该方法虽然较方案1节省了一半时间,但却丢弃了另一时段有效的观测数据,对解算和平差结果造成影响.

方案3.多时段有效基线解算.通过设置基线解算精度指标,剔除超限的基线向量,把剩下的基线向量整体拖至平差栏进行自由网平差.该方案解决了方案1需处理大量数据的问题和方案2中不能充分利用有效数据的问题,根据预设精度选取有效基线进行整体平差,在保证精度的前提下,大大提高了作业效率.

3.3.2 TBC软件仿真及结果分析

对这3种平差方案分别进行网平差,得到点的误差椭圆分布图,如图4∼图6所示.

表2∼表4为各方案的误差椭圆分量,表5∼表7为自由网平差后的协方差.

图4 方案1自由网平差误差椭圆

图5 方案2自由网平差误差椭圆分布

图6 方案3自由网平差误差椭圆分布

表2 方案1误差椭圆分量

表3 方案2误差椭圆分量

表4 方案3误差椭圆分量

表5 方案1自由网平差协方差

从误差椭圆分量[11]和自由网平差中协方差项的比较来看,方案1的精度最高,方案3的精度比较差,但方案3的方位角后验误差和椭球距离后验误差都在规定的误差范围之内,能满足导弹发射的要求.下面我们来比较在TBC软件[12]中3种方案解算GPS控制网所需时间,如表8所示.

从表8中明显可以看出,方案3所需时间最少,处理效率最高.这是因为在处理前对基线进行了预处理,舍弃了部分不符合系统预设精度的基线向量,降低了数据处理量.

综上所述,方案3在满足导弹发射精度要求条件下,缩短了解算时间,提高了工作效率,符合现代信息化条件下快速作战的战场态势[13].

表6 方案2自由网平差协方差

表7 方案3自由网平差协方差

表8 3种方案仿真所需时间

4 结论

通过在某高校设点布网、采集数据,采用TBC软件进行基线处理,比较了传统的平差方法和多时段有效基线解算方法.仿真结果显示,多时段有效基线解算方法在满足工程实践精度要求的前提下,缩短了处理时间,提高了工作效率.

根据对前面3种平差方案的分析,结合战时导弹阵地测绘保留需求,提出了阵地快速测量系统设想,如图7所示.通过模块预设实施阵地联测,快速获取发射点坐标和方位,提高导弹的快速反应能力和作战效率.

图7 阵地快速测量系统工作流程

在科技高速发展的今天,导弹等精确打击武器已经成为信息化条件下战争的重要作战力量.除了要导弹打得准、打得远、打得狠之外,还要缩短导弹的发射时间,提高快速反应能力.当然,我们不能仅仅局限在导弹发射技术的提升上,同时也应注重导弹防御体系的建设.导弹防御体系的建设,不仅需要在关键技术和关键武器装备上有所突破,还需要从整体上优化论证[14].