1、GPS技術在城市控制網建立中的應用摘要：本文闡述了衛星定位的基本原理和數據處理的基本流程，以某城市三等控制網為例，采用對起算點進行精度檢測和保留三維無約束平差中精度較低的短基線的數據處理策略完成了數據的處理，得出一種最優的數據處理方案，對具體工程有指導價值。關鍵詞：GPS;數據處理;起算點;三維無約束平差;基線1 引言全球定位系統GPS是美國國防部在總結了NNSS的優劣之后，于上世紀70年代批準研制的新一代衛星導航系統1。至上世紀90年代，GPS技術已廣泛用于大地測量、精密工程測量、地殼形變測量等高精度的精密測量領域。GPS技術具有定位精度高、速度快、布網靈活、點間不必通視和可全天候采集數據等

2、優勢，不但大大降低了成本和作業人員的勞動強度，而且工作效率比傳統方法可提高35倍2。GPS控制網按精度和規模分為全球性或全國性的高精度GPS控制網和區域性的GPS控制網兩類，其中第二類包括各城市控制網、工程控制網和具有特定用途的獨立GPS控制網等。第二類GPS網一般用商業軟件來進行解算。目前，比較流行的商用軟件當屬美國天寶(Trimble)公司新推出的用于GPS靜態和動態測量數據處理的Trimble Business Center(TBC)系列軟件。TBC軟件操作簡單、解算精度高和可靠性強，深受我國廣大測繪工作者青睞。2 GPS定位原理GPS的定位原理就是把衛星視為“飛行”的控制點，在已知其瞬

3、間坐標（可根據衛星軌道參數計算）的條件下，以GPS衛星和用戶接收機天線之間的距離或距離差為觀測量，進行空間距離后方交會，從而確定用戶接收機天線所處的位置。設想在地面待定點上安置GPS接收機，同一時刻接收4顆以上GPS衛星發射的信號。通過一定的方法測定這4顆以上衛星在此瞬間的位置以及它們分別至該接收機的距離，據此可以解算出待定點的位置及接收機鐘差3。圖1 GPS定位原理如圖1，設時刻在測站點用GPS接收機同時測得點至四顆GPS衛星、的距離、4，通過GPS導航電文可以求出四顆GPS衛星的三維坐標，為光速，則點的三維坐標的觀測方程為：(1-1)3 GPS數據處理GPS測量數據處理可以分為觀測值的粗加

4、工、預處理、基線向量解算（相對定位處理）和GPS基線向量與地面網數據的聯合處理等基本步驟。3 1 GPS數據粗加工和預處理粗加工包括將接收機采集的數據通過傳輸、分流，解譯成相應的數據文件，并通過預處理將各類接收機的數據文件標準化，形成平差計算所需的文件。預處理目意在對數據進行平滑濾波，剔除粗差，刪除無效無用數據；統一數據文件格式，將各類接收機的數據文件加工成彼此兼容的標準化文件；GPS衛星軌道方程的標準化，一般用一多項式擬合觀測時段內的星歷數據（廣播星歷或精密星歷）；診斷整周跳變點，發現并恢復整周跳變，使觀測值復原；對觀測值進行各種模型改正，最常見的是大氣折射模型改正，凈化觀測值，提高觀測值的

5、“精度”。3 2 基線向量解算利用預處理后的數據求解接收機所在測站之間的相對關系量（坐標差），提供GPS基線向量網平差的觀測值。基線解算可分為單基線解和多基線解兩種。單基線解，就是在基線解算時不顧及同步觀測基線間誤差相關性，對每條基線單獨進行解算，一般只用在普通等級GPS網的測設中。而多基線解則顧及了同步觀測基線間的誤差相關性，在基線解算時對所有同步觀測的獨立基線一并解算，在理論上是嚴密的。其中單基線解算的過程見圖2。圖2 單基線解算的過程基線解算完成后還需作結果的質量評定，主要包括單位權方差因子、RMS（均方根誤差）、數據刪除率、RATIO、同步環閉合差、異步環閉合差、重復基線較(互)差4。

6、3 3 基線向量網平差首先在WGS-84坐標系下進行三維無約束平差，以評定GPS網的內部符合精度，發現和剔除GPS觀測值中可能存在的粗差，同時得到GPS網中各個點的三維空間直角坐標；然后再實用基準下進行三維或二維的約束平差，確定各個網點在所需坐標系下的坐標。有時也可作聯合平差。平差后要作質量評定，包括相鄰點距離中誤差、單位權方差的檢驗、基線改正數的檢驗、已知坐標的檢驗。4 實例分析4.1 工程概況某市屬于山地和丘陵地，網點總數96個，新布設GPS控制點80個，其中包括31個保存完好的原有平面控制點，網中最長邊7.632，最短邊1.201，平均邊長2.95，控制面積約620。起算數據為1980西

7、安坐標系下的國家二等三角點GPS01、GPS02、GPS03和GPS04，中央子午線為120°。采用四臺Trimble 5700 GPS接收機進行靜態相對定位，時段長60min5,PDOP6，GDOP8，平均重復設站數為2.5，2013年7月15-7月29日完成數據采集。采用TBC軟件觀測數據進行處理。4.2 基線成果分析基線解算精度統計：(1)最小同步環閉合差為0，環號為GPS96-94-93-96；最大步環閉合差為號為GPS12-GPS11-GPS16-GPS12，滿足5的精度要求。(1)最小閉合差為0，閉合差為0的有3個異步環；最大閉合差為5.58，環號為GPS22-GPS32

8、-GPS33-GPS22，該環平均邊長為，相對閉合差允許值為10.96。(3)最小復測基線較差為-0.293；最大復測基線較差為8.147，基線號為GPS05-GPS06，該基線邊長，較差允許值為，相對閉合差允許值為22.99。4.3 三維無約束平差成果分析網中總基線數為230條，基線向量改正數詳見表1，基線相對精度統計詳見表2。表1 基線向量改正數精度統計表基線向量改正數誤差區間()0-11-22-33-4 個數，百分比225，97.7%5，2.3%0，0.0%0，0.0% 個數，百分比215，92.1%12，5.6%4，1.8%1，0.5% 個數，百分比209，89.3%18，8.4%5，

9、2.3%0，0.0%表2 基線相對精度統計統計表誤差區間()1/10萬-1/20萬1/20萬-1/50萬1/50萬-個數，百分比4，1.9%25，11.6%201，86.5%最弱邊為，其相對精度為1/129400，完全滿足精度要求。最弱點為GPS13點，其點位中誤差為1.58cm；最優點為GPS76號點，其點位中誤差為0.69cm。剔除GPS43-GPS42和GPS30-28兩條最弱(短邊)基線后，最弱邊變為GPS52-GPS55，其相對精度為l/192678；最弱點仍為GPS13點，其點位中誤差為1.57cm；最優點仍為76號點，其點位0.67cm。由此可見，剔除兩條最弱基線后，最弱邊和最弱

10、點的精度均有所提高。4.4 二維約束平差(1)平差方案方案1：以GPS01、GPS02、GPS03、GPS04為起算點，采用230條基線成果，在1980西安坐標系下進行二維約束平差計算。方案2：對國家二等三角點進行精度檢驗后，發現GPS04精度較低，故將其舍掉。以GPS01、GPS02、GPS03為起算點，采用230條基線成果，在1980西安坐標系下進行二維約束平差計算。方案3：以GPS01、GPS02、GPS03為起算點，采用剔除GPS43-GPS42和GPS30-GPS28兩條在三維無約束平差中的最弱基線后剩余的228條基線成果，在1980西安坐標系下進行二維約束平差計算。（2）精度分析二

11、維約束平差后各種精度統計詳見表3表3 二維約束平差后各種精度統計表分類統計方案1方案2方案3單位權中誤差（cm）1.001.041.04最弱點點位中誤差（cm）1.361.111.11最弱點點號646464最弱邊相對中誤差1/1680301/2146591/214224最弱邊邊號GPS12-GPS07GPS12-GPS07GPS12-GPS07本次GPS控制網的坐標成果與2005年施測的GPS控制網成果進行比較，重合點的坐標差值95%都在1cm之內，最大差值的絕對值為4.2cm，最大差值點為GPS85，是一個雙錐標控制點，觀測時必須將標石中心投影到鋼標基板上，投影誤差和鋼標的晃動會對精度產生一些影響。最終選用方案2計算1980西安坐標系成果。5 結論通過某市三等GPS控制網的建立和數據處理得到如下結論：(1)與傳統的大地測量方法相比，GPS技術在建立控制網方面具有極大的挑戰性。隨著GPS和GLONASS系統的現代化、GALILEO計劃的不斷實施以及我國北斗系統由亞太地區逐步擴展到全球，GPS技術有望淘汰傳統的測量方法。(2)GPS控制網中剔除最弱基線后，最弱邊和最弱點的精度均有不同程度的提高。(3)起算數據的兼容性分析，是GPS數據必不可少的環節，必須嚴格執行，否則會對成果的造成一