畢業(yè)論文-11GPS定位測量質(zhì)量控制與分析

z§2.9GPS定位測量質(zhì)量控制與分析GPS定位技術(shù)由于其方便靈活，精確度和自動(dòng)化程度高、速度快，在測繪生產(chǎn)實(shí)踐中以得到廣泛的應(yīng)用。但就我國現(xiàn)階段看，因定位衛(wèi)星系統(tǒng)一般采用的是美國的GPS衛(wèi)星系統(tǒng)，接收設(shè)備和解算軟件多數(shù)也為美國的，而我國又是非協(xié)議國家，一般只能接受廣播星歷，無法接受精密歷，同時(shí)工作中還受制美國SA政策的影響，此外美國GPS衛(wèi)星系統(tǒng)采用的是WGS-84坐標(biāo)系為橫軸墨卡托坐標(biāo)與我國采用的高斯投影坐標(biāo)也是絕然不同，因此其出現(xiàn)了各種各樣的亟待解決的問題也是不言而愈。由于生產(chǎn)單位，可以看到的國內(nèi)外資料都很有限，尚且未見有對GPS測量的整個(gè)生產(chǎn)流程，從野外數(shù)據(jù)的采集到觀測數(shù)據(jù)的測后處理都進(jìn)行分析研究的規(guī)范資料。所以GPS測量中對質(zhì)量的控制，一般主要執(zhí)行現(xiàn)行規(guī)范的要求，我們這方面工作主要是按以下幾個(gè)要點(diǎn)來掌握，較好保證使用要求。2.外業(yè)質(zhì)量控制GPS控制網(wǎng)質(zhì)量控制，一般我們是按已知點(diǎn)、外業(yè)觀測成果和內(nèi)業(yè)處理三階段來進(jìn)行的，以下作具體分析。2.1GPS測量的網(wǎng)設(shè)計(jì)GPS測量的網(wǎng)設(shè)計(jì)雖然不像常規(guī)測量的網(wǎng)設(shè)計(jì)那樣，需要考慮點(diǎn)的通視、邊的相似、觀測角的大小等眾多因素，它的網(wǎng)設(shè)計(jì)很靈活方便，但這并不是說GPS測量的網(wǎng)不用設(shè)計(jì)、它可以隨意地連線成網(wǎng)，它同樣也需要考慮很多綜合因素。GPS測量的網(wǎng)設(shè)計(jì)，在嚴(yán)格遵守GPS測量規(guī)范的基礎(chǔ)上，要注意的是：采用單頻接收機(jī)觀測時(shí)，基線邊長最好不超過20KM；布網(wǎng)方式有邊連式、點(diǎn)連式、邊點(diǎn)結(jié)合形式、極坐標(biāo)形式、導(dǎo)線形式等，一般等級網(wǎng)應(yīng)采用邊連式全面網(wǎng)為佳，其次才是邊點(diǎn)結(jié)合形式，點(diǎn)連式和極坐標(biāo)形式等級網(wǎng)不宜采用；導(dǎo)線形式一般用在狹長地帶如路線勘察等；點(diǎn)連式和極坐標(biāo)形式一般用于圖根控制，則根據(jù)具體情況采用最佳形式。（3）異步環(huán)中相鄰兩很近的點(diǎn)要進(jìn)行同步觀測。例如圖1，圖中所示為一異步環(huán)。點(diǎn)4和點(diǎn)9相對其他基線邊相距很近，假設(shè)小于1KM，為了保證全網(wǎng)精度，點(diǎn)4和點(diǎn)9必須進(jìn)行同步觀測。因?yàn)槿酎c(diǎn)4和點(diǎn)9均有1cm的點(diǎn)位中誤差，則4-9邊長中誤差為cm。4-9的相對中誤差大于=14ppm×D，即3-8的相對精度很低。因此說，若點(diǎn)4和點(diǎn)9不進(jìn)行同步觀測，勢必影響整個(gè)GPS網(wǎng)的相對精度。（4）在已知成果中，有時(shí)會有天文方位角、電磁波測距等其他常規(guī)測量成果，布網(wǎng)時(shí)，如果已知點(diǎn)的數(shù)量和質(zhì)量都符合要求，不必強(qiáng)求使用這些成果；應(yīng)用常規(guī)測量成果時(shí)，因其精度相差很大，平差前先驗(yàn)權(quán)不容易準(zhǔn)確設(shè)定，平差時(shí)后驗(yàn)權(quán)即使給的很大，也是一種假象，不準(zhǔn)確，作固定值處理更不合理。因此應(yīng)用該類成果有可能破壞GPS精度，則必須認(rèn)真分析選用。2.2GPS測量的觀測GPS測量的觀測工作與常規(guī)測量相比，操作簡單，自動(dòng)化程度很高。但要求獲得良好的外業(yè)成果，必須在GPS測量規(guī)范的指導(dǎo)下，注意以下問題：（1）接收機(jī)、天線、電纜、電池能否正常工作。溫差大的高溫高濕天氣，天線密封不好可能進(jìn)水。如果進(jìn)水，反映在觀測中信噪比變小，甚至小于3。因此一定注意清除潮氣，以免影響觀測精度。（2）當(dāng)GPS的精度要求較高時(shí)，觀測時(shí)段的分布盡可能日夜均勻，以減少電離層、對流層的折射影響。規(guī)范規(guī)定衛(wèi)星的地平高度角應(yīng)大于15°，這是普通規(guī)定應(yīng)根據(jù)地區(qū)的具體情況掌握，因?yàn)楫?dāng)高度角較小時(shí)衛(wèi)星的交會角度好了，但周圍若是山地則多路徑效應(yīng)變大反而影響成果精度，同樣高度角較大則多路徑效應(yīng)變小，但衛(wèi)星的交會角度又很差也影響成果精度。因此，應(yīng)根據(jù)具體地形條件掌握有利時(shí)間段進(jìn)行觀測，來獲得最佳觀測成果。（4）此外在水網(wǎng)地區(qū)和沿海作業(yè)時(shí)，應(yīng)特別注意避開大面積水域所產(chǎn)生的多路徑影響。3.內(nèi)業(yè)質(zhì)量控制3.1基線向量解算（1）在獲得外業(yè)原始數(shù)量數(shù)據(jù)后，就要進(jìn)行GPS網(wǎng)的基線向量解算。GPS觀測數(shù)據(jù)的基線向量解算，是內(nèi)業(yè)處理的第一步，影響基線解算結(jié)果的因素有觀測值的噪聲、觀測衛(wèi)星的數(shù)量及幾何位置分布、星歷誤差、大氣折射誤差等。（2）基線解算結(jié)果的檢核條件。對于單基線，基線解算結(jié)果的檢核條件為：①整周模精度接近于整數(shù)；②均方根誤差（RMS）較?。虎垭p差分固定解之質(zhì)量因子ratio應(yīng)大于3；④雙差分固定解的協(xié)因數(shù)陣沒有異常。對于整個(gè)基線向量網(wǎng)，同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差、利稅測基線較差遵守規(guī)范要求。（3）用GPS接收機(jī)的隨機(jī)軟件解算基線向量時(shí)，往往不能一次成功，中間會出現(xiàn)各種各樣的問題，對于這些問題，需要進(jìn)行一定的解算和分析，采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，才能最終獲得滿意的基線解算成果。通過對GPS觀測數(shù)據(jù)的基線向量解算，通常應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①通過殘差分析，刪除殘差大的數(shù)據(jù)。②根據(jù)有關(guān)資料，15km以內(nèi)的基線，同步觀測1h后，基線解算結(jié)果應(yīng)以雙差分固定解為最佳。但也可能因某些原因，如觀測時(shí)間不長，觀測期間星座變化，整周跳變探測未完全成功，整周模糊度求解不準(zhǔn)等等，使雙差分固定解差非最佳結(jié)果。當(dāng)雙差分固定解不理想時(shí)，可采用舍去某段觀測值的方法進(jìn)行基線處理。③同步環(huán)閉合差是檢驗(yàn)一個(gè)時(shí)段觀測質(zhì)量好環(huán)的標(biāo)志。同步環(huán)閉合差超限，可能是因?yàn)橥江h(huán)上各測站沒有完全同步，或者是各測站周跳修復(fù)不同，也可能是商業(yè)軟件本身的缺陷所造成。應(yīng)該根據(jù)具體情況，分析問題的原因。PS網(wǎng)中，若同步環(huán)閉合差均符合限差要求，一般情況下，異步環(huán)閉合差不會超限。但是，也是可能因?yàn)橛^測環(huán)境不好（如多路徑誤差的影響，強(qiáng)輻射源的干擾，電離層、對流層折射的影響等），商業(yè)軟件受SA技術(shù)的影響使基線解算結(jié)果不準(zhǔn)確，以及各基線所在的觀測時(shí)間區(qū)段不同（白天與夜間的成果有差異）等原因，異致異步環(huán)閉合差超限。異步環(huán)閉合差超限的檢核方法是：用異步環(huán)中的某一條基線與另外的基線組多個(gè)異步環(huán)進(jìn)行閉合差計(jì)算，若與其有關(guān)的異步環(huán)閉合差都超限，那么說明異步環(huán)中被檢核的這條基線有問題。3.2三維無約束平差在基線向量解算結(jié)果符合限差要求后，首先要進(jìn)行GPS基線向量網(wǎng)的無約束平差。無約束平差的主要目的是全面考核GPS網(wǎng)的內(nèi)部符合精度，以及衡量已知點(diǎn)的坐標(biāo)是否含有粗差。如某測區(qū)GPS網(wǎng)平差（圖2），平差軟件采用武漢大學(xué)測繪工程學(xué)院CosaGPS軟件。此測區(qū)共有30個(gè)點(diǎn)，其中1，6，19和30點(diǎn)為已知點(diǎn)。圖2中雙線為復(fù)測基線。該測區(qū)GPS定位測量，采用3臺套的Trimble4600LS接收機(jī)觀測。.2三維無約束平差在基線向量解算結(jié)果符合限差要求后，首先要進(jìn)行GPS基線向量網(wǎng)的無約束平差。無約束平差的主要目的是全面考核GPS網(wǎng)的內(nèi)部符合精度，以及衡量已知點(diǎn)的坐標(biāo)是否含有粗差。如某測區(qū)GPS網(wǎng)平差（圖2），平差軟件采用武漢大學(xué)測繪工程學(xué)院CosaGPS軟件。此測區(qū)共有30個(gè)點(diǎn)，其中1，6，19和30點(diǎn)為已知點(diǎn)。圖2中雙線為復(fù)測基線。該測區(qū)GPS定位測量，采用3臺套的Trimble4600LS接收機(jī)觀測。表1為測區(qū)GPS網(wǎng)圖形結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)指標(biāo)。總點(diǎn)數(shù)同步環(huán)基線總數(shù)獨(dú)立基線必要基線多余基線復(fù)測基線30288456292716由表1可見，多余觀測基線數(shù)與獨(dú)立基線數(shù)之比約為1：1，復(fù)測基線占必要基線數(shù)的55%。因此說，該網(wǎng)肯有較強(qiáng)的可靠性。經(jīng)過反復(fù)的選擇和檢驗(yàn)，最終選定了參加平差的56條獨(dú)立基線向量。此測區(qū)的3維無約束平差采用19號點(diǎn)為固定點(diǎn)。3.3無約束平差結(jié)果的分析（1）平差后各點(diǎn)的坐標(biāo)中誤差和點(diǎn)位中誤差是否符合要求。由于此測區(qū)是C級GPS基線向量網(wǎng)，所以GPS基線向量網(wǎng)的點(diǎn)位中誤差是否符合要求，應(yīng)該與城市測量的四等網(wǎng)的點(diǎn)位中誤差相比較。《城市測量規(guī)范》規(guī)定，四等網(wǎng)中最弱相鄰邦點(diǎn)的相對點(diǎn)位中誤差不得超過5cm。即無約束平差后各點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不得大于5cm。由于差結(jié)果及精度估算可知，最弱點(diǎn)（點(diǎn)30）的點(diǎn)位中誤差為2.03cm，也遠(yuǎn)小于5cm。因此說，無約束平差后各點(diǎn)的坐標(biāo)誤差和點(diǎn)位中誤差符合要求。（2）GPS基線向量邊的邊長相對精度是否符合要求。由基線邊長相對精度計(jì)算結(jié)果可知，最弱邊（25-23）的邊長相對中誤差為4.61×10-6D,最弱邊(25-23)的邊長中誤差小于允許值9.34×10-6D。顯然GPS基線向量邊的邊長相對精度符合要求。（3）基線向量觀測值改正數(shù)分布是否正常。由基線向觀測值改正數(shù)計(jì)算結(jié)果，用極大似然法估計(jì)參數(shù)2。于是得理論分布（0.00008,0.000086），將所有的基線向量觀測值改正數(shù)分為9個(gè)區(qū)間，算得理論頻數(shù)列于表2表2組數(shù)區(qū)間1-0.05～0.04213.42-0.04～-0.0303-0.03～0.0224-0.02～0.0165-0.01～0.007461.5060.00～0.017459.4270.01～0.02612.5080.02～～0.03390.03～0.041的值為：用檢驗(yàn)法，自由度等于4-2-1=1，α=0.05，查表得，則顯然＞3.841故可認(rèn)為基線向量觀測值改正數(shù)分布不屬于正態(tài)分布，即基線向量觀測值改正數(shù)有系統(tǒng)誤差。但由于很小，而且基線向量觀測值改正數(shù)最大為4.94cm,所以仍認(rèn)為,基線向量觀測值改正數(shù)分布屬于正常。(4)衡量已知點(diǎn)的坐標(biāo)是否含有粗差，無約束平差的另一個(gè)作用，是衡地面網(wǎng)中已知點(diǎn)的坐標(biāo)是否含有粗差。方法是將無約束平時(shí)非固定的已知點(diǎn)在面網(wǎng)中的坐標(biāo)經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)與非固定的已知的無約束平差坐標(biāo)進(jìn)行比較，來檢驗(yàn)已知點(diǎn)的坐標(biāo)是否含有粗差。由計(jì)算結(jié)果表明，已知點(diǎn)1，6，30的點(diǎn)位中誤差均小于5cm，說明該測區(qū)GPS網(wǎng)中的4個(gè)已知點(diǎn)均不含有粗差。無約束平差實(shí)質(zhì)上是約束平差的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，是約束平差的一個(gè)準(zhǔn)備工作，我們最終需要的成果是在國家大地坐標(biāo)系中進(jìn)行的GPS基線向量網(wǎng)的3維約束平差結(jié)果。3.4三約束平差無約束平差后，又用TGPPS軟件進(jìn)行了4種方案的3維約束平差，限于篇幅，平差結(jié)果不再羅列。與無約束平差結(jié)果分析方法相同，經(jīng)過分析，4種方案約束平差結(jié)果中的平差結(jié)果后各點(diǎn)的坐標(biāo)中誤差和點(diǎn)位中誤差、基線向量邊的邊長相對精度以及基線向量觀測值改正數(shù)分布符合限差要求。3.5四種平差方案的精度比較約束平差時(shí)，所采用的4種方案的平差結(jié)果，表面上看都滿足要求，至于采用何種方案的平差結(jié)果作為最終的平差成果，可以通過比較尺度比K的估值，選擇出最佳的平差成果。尺度比K的值的主要受已知點(diǎn)的坐標(biāo)精度和測區(qū)54坐標(biāo)系的高程異常值的影響，如果忽略已知點(diǎn)的坐標(biāo)誤差的影響，而又已知測區(qū)54坐標(biāo)系的高程異常值，可用高程異常值與橢球長半徑的比值，估算出K值。在我國，54坐標(biāo)系的最大高程異常值達(dá)60M，尺度比K大約為10。此測區(qū)的高程異常值大約為60M，可算得K的估值大約為9.8，以點(diǎn)19和點(diǎn)30為約束條件的平差方案的K值9.8323與K的估值最接近，所以應(yīng)該選擇點(diǎn)19和點(diǎn)30為約束條件的平差結(jié)果作為最終的成果。4.已知點(diǎn)的可靠性檢驗(yàn)GPS網(wǎng)中已知點(diǎn)的可靠性直接影響GPS定位成果的精度。在實(shí)際生產(chǎn)中，若不分析已知點(diǎn)的坐標(biāo)是否含有粗差，則很容易引起的返工。因此，在GPS控制網(wǎng)設(shè)計(jì)中，一定要進(jìn)行知點(diǎn)可靠性分析或必要檢驗(yàn)以便發(fā)現(xiàn)并剔除含有粗差的已知點(diǎn)，從而保證工作順利進(jìn)行和成果精度。關(guān)于已知點(diǎn)的可靠性檢驗(yàn)，本文提出了兩種簡單易行的方法：回歸分析法和約束平差法。回歸分析法在無約束平差時(shí)已提到，在此不再說明?；貧w分析法適用于GPS網(wǎng)中含有4個(gè)或4個(gè)以上的已知點(diǎn)在無約束平差后進(jìn)行已知點(diǎn)的可靠性檢驗(yàn)。它的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算量小，可以檢驗(yàn)出多個(gè)含有粗差的已知點(diǎn)。約束平差法是在GPS網(wǎng)的n(n≥4)個(gè)已知點(diǎn)中，選其中2個(gè)已知點(diǎn)約束條件進(jìn)行約束平差，根據(jù)非約束已知點(diǎn)的約束平差坐標(biāo)異常值，按照狄克松異常探測法，即可檢驗(yàn)出含有粗差的已知點(diǎn)。約束平差法適用于GPS網(wǎng)中含有4個(gè)或4個(gè)以上的已知點(diǎn)的可靠性檢驗(yàn)。此法簡單易行，可靠性好。5.結(jié)束語由以上分析可知，GPS測量從野外數(shù)據(jù)的采集到GPS基線向量網(wǎng)的整個(gè)體平差，是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。在我國現(xiàn)階段要獲得高精度的GPS定位成果，首先要有可靠的已知點(diǎn)，并且要保證