摘 要：GNSS布設(shè)平面控制網(wǎng)已在工程項目中得到廣泛應用。獲得滿意的平差結(jié)果的前提條件為：①高質(zhì)量的基線數(shù)據(jù);②約束GNSS控制網(wǎng)的已知點精度足夠高，使得GNSS控制網(wǎng)的整體精度不受已知點約束而有明顯改變;③優(yōu)化的平差方案;④科學嚴密的平差模型。通過對某項目GNSS控制網(wǎng)的布設(shè)進行優(yōu)化設(shè)計，并利用不同軟件對觀測數(shù)據(jù)進行處理分析，總結(jié)了GNSS控制網(wǎng)方案優(yōu)化與數(shù)據(jù)處理的有效方法。

　　關(guān)鍵詞：GNSS控制網(wǎng);方案優(yōu)化;基線向量;數(shù)據(jù)處理

　　全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)建立的測量平差網(wǎng)，是以檢驗合格的基線值及其協(xié)方差值作為平差元素[1]，通過約束GNSS控制網(wǎng)中某一點或幾點的三維坐標或二維坐標進行嚴密的數(shù)學模型計算，以消除或合理配置各基線間或基線與已知坐標之間的不符值，最終給出GNSS各網(wǎng)點坐標及其精度的運算過程[2]。本文將根據(jù)上述平差思路展開，以期給出平差結(jié)果和有益的經(jīng)驗。

　　衛(wèi)星論文范例：多通道衛(wèi)星導航信號實時轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計

　　1已知點的啟用考慮

　　已知點的啟用至關(guān)重要，不僅直接關(guān)系到項目GNSS控制網(wǎng)坐標基準的建立，而且關(guān)系到GNSS控制網(wǎng)坐標在坐標系中的精度[3]。基于此，本次GNSS控制網(wǎng)布設(shè)時選用了項目附近的3個C級點進行聯(lián)測，并與8個D級GNSS點組成了項目平面控制網(wǎng)[4]。

　　2平差網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計

　　GNSS控制網(wǎng)必須為由獨立基線構(gòu)成的閉合圖形，本次GNSS控制網(wǎng)野外測量時采用4臺GNSS接收機同步觀測，一個時段觀測產(chǎn)生6條基線，其中只有3條是獨立基線，因此必須剔除多余的3條基線。

　　項目GNSS控制網(wǎng)有8個GNSS點，觀測了4個時段，共產(chǎn)生24條基線，從中選出獨立基線12條，根據(jù)這些條件可組成多種平差網(wǎng)形。由于不同的GNSS控制網(wǎng)進行平差時，其精度是不一樣的，得出的數(shù)值也不一樣，因此為使GNSS控制網(wǎng)獲得最好的精度[5]，在布設(shè)GNSS控制網(wǎng)時，必須對其進行優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計應遵循的原則為：①平差網(wǎng)應盡可能多地選取閉合圖形，以獲得最多的圖形閉合條件和多余觀測邊，并使閉合環(huán)的邊數(shù)小于或等于6;②平差網(wǎng)中相鄰點組成的基線應盡可能由最佳獨立基線組成，即從每個同步觀測時段的6條基線中選出3個具有最佳精度的獨立基線組成平差網(wǎng)，并使相鄰的同步環(huán)之間各條獨立基線的組網(wǎng)達到最佳;③構(gòu)成平差網(wǎng)的各閉合環(huán)的各坐標分量閉合差應最小。

　　在確定平差網(wǎng)時，本文采取的優(yōu)化措施為：①選用獨立基線時，一般選取長度較短的基線，避免數(shù)據(jù)處理時最弱點精度不符合規(guī)范要求;②整個平差網(wǎng)有4條重復基線，選用不同觀測時段中基線質(zhì)量最好的一條參與構(gòu)網(wǎng)，進行基線解算平差;③在一個同步環(huán)內(nèi)選取獨立基線，采用首尾相連的方式，一般不采用發(fā)散狀方式;④對于同步環(huán)選取獨立基線形成的缺口，下一同步環(huán)選取獨立基線時應將缺口封上，并使閉合環(huán)的邊數(shù)小于6;⑤網(wǎng)中外圍相鄰的GNSS點之間應有基線相連;⑥每個點位至少有兩條不同方向的基線與其相連。確定GPS觀測方案后，即可確定GPS控制網(wǎng)相關(guān)設(shè)計技術(shù)指標。

　　3基線處理

　　3.1基線處理中采用的技術(shù)措施

　　在處理GNSS控制網(wǎng)基線時，TBC軟件提供了功能強大的工具菜單，充分利用其功能，可適當改善基線質(zhì)量，減少基線處理時的工作量。①利用時間線工具條可看到各衛(wèi)星觀測時間的長短、觀測到的衛(wèi)星個數(shù)、觀測過程中是否存在周跳等信息;②充分利用殘差圖，可隨時發(fā)現(xiàn)健康狀況不好的衛(wèi)星或觀測質(zhì)量不理想的觀測時段，再通過時間線工具欄將該衛(wèi)星或時間段刪除;③對于測站間距超過5km的基線，處理時應進行電離層改正;④在確保觀測時段的條件下，適當提高或降低衛(wèi)星觀測截止角，可減小噪聲對GNSS信號的影響，也是提高基線質(zhì)量的有效途徑之一。

　　3.2基線解算的質(zhì)量檢核

　　本項目GNSS控制網(wǎng)所有邊長都不超過25km，基線解算類型均采用雙差固定解或無電離層(偏差)固定解。對于單基線來說，一般采用Ratio值、參考變量、RMS和數(shù)據(jù)剔除率4項指標來檢查基線質(zhì)量，具體要求為：Ratio值≥3.5，參考變量F≤10.0，RMS≤0.02，數(shù)據(jù)剔除率≤10%。由于4個以上點組成的同步環(huán)、異步環(huán)都可由3個點組成的環(huán)組合而成，因此僅需檢測由3個點形成的同步環(huán)、異步環(huán)即可。本項目GPS控制網(wǎng)觀測后形成16個同步環(huán)，環(huán)全長平均值為34668.543m;16個異步環(huán)，環(huán)全長平均值為34668.543m;復測基線4條，平均邊長為5684.043m。

　　4GNSS控制網(wǎng)三維無約束平差

　　本次GNSS控制網(wǎng)平差分別采用GNSS后處理軟件TBC(美國Trimble公司研發(fā))和COSAGNSS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(武漢大學研發(fā))兩種軟件，并互相驗證平差結(jié)果，以TBCGNSS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)平差結(jié)果為主。優(yōu)化確定平差控制網(wǎng)后，利用所選定的平差網(wǎng)形和獨立基線在WGS84坐標系內(nèi)進行三維無約束平差。為保證本次GNSS控制網(wǎng)成果與國家GNSS成果相統(tǒng)一，本次三維無約束平差以C3坐標為起算數(shù)據(jù)，通過約束該點空間直角坐標，利用12條獨立基線向量及其相應的協(xié)方差陣，在WGS84坐標系下進行平差，得到各點的大地坐標(B,L,H)[6]、空間直角坐標(X,Y,Z)、獨立基線的邊長和它們的中誤差。

　　三維無約束平差后基線向量改正數(shù)的正、負號個數(shù)大致相等，絕大多數(shù)都在±4mm以內(nèi)，平均值也接近0，觀測量改正數(shù)最大值為0.0086m，且呈正態(tài)分布，說明所測基線精度較好;由表3可知，基線分量的|Vx|均小于1/10限差，|Vy|均小于1/9限差，|Vz|均小于1/18限差，說明所選獨立基線構(gòu)成的GNSS控制網(wǎng)具有較高的內(nèi)部符合精度，觀測值均不含粗差[8];給出了GNSS控制網(wǎng)三維無約束平差后基線弦長相對精度和點位精度指標，三維無約束平差結(jié)果邊長最弱相對精度為1/60萬，最弱點點位中誤差為1.53cm，說明基線向量中無粗差觀測量，由各基線向量解所確定的協(xié)方差陣的相互關(guān)系較合理。表明GNSS控制網(wǎng)三維無約束平差成果中各項精度指標均優(yōu)于有關(guān)規(guī)定，總體精度很高。

　　5GNSS控制網(wǎng)二維約束平差

　　本次GNSS控制網(wǎng)采用雙頻接收機，按科學的連接推進方式作業(yè)，經(jīng)人工干預等處理給出了GNSS基線結(jié)果，并進行了環(huán)閉合差、復測基線和三維無約束平差等檢驗;然后選取獨立基線、優(yōu)化平差網(wǎng)形，完成了GNSS二維約束平差前的各項工作，具備了優(yōu)化平差計算的各項條件。通過約束C1、C2和C3點的CGCS2000坐標[9]，將GNSS三維基線向量網(wǎng)轉(zhuǎn)化為CGCS2000坐標系中的二維基線向量網(wǎng);同時將GNSS基線向量的三維方差協(xié)方差陣轉(zhuǎn)換為二維方差協(xié)方差陣，并對選定的優(yōu)化平差網(wǎng)形進行了二維約束平差。

　　6兩種軟件平差結(jié)果的比較

　　本文分別利用TBC和COSAGNSS兩種平差軟件對獨立基線所構(gòu)成的GNSS控制網(wǎng)進行二維約束平差。 采用相同的基線、相同的起算點，TBC軟件與COSAGNSS軟件的平差結(jié)果并不完全一致，但相差不大，分析其原因可能是由于TBC軟件中基線向量由WGS84坐標向CGCS2000坐標轉(zhuǎn)換時，轉(zhuǎn)換參數(shù)不精確或平差模型不嚴密所致;y方向上的差值比x方向要大一些，這與GNSS控制網(wǎng)呈東西向分布有關(guān);D1點二維約束平差結(jié)果相差較大，但最大坐標分量差值也僅有3mm。

　　從約束平差后的精度指標來看，由于TBC軟件使用的是概率誤差，而我國使用的是中誤差，二者存在差異是肯定的。TBC平差計算時已按設(shè)計書要求選擇置信度為95%，因此其平差后的精度指標約為2倍(嚴格為1.96倍)的中誤差，考慮到這一因素，則兩種軟件平差后各項精度指標基本相符。綜上所述，GNSS控制網(wǎng)布設(shè)方案很靈活，想要得到最佳方案，必須因地制宜，具體問題具體分析。對于重大型項目布網(wǎng)，無論是在布網(wǎng)還是在平差數(shù)學模型和平差軟件的選取方面都會得出不同的差值，因此研究優(yōu)化GNSS布網(wǎng)、GNSS數(shù)據(jù)平差處理分析以及平差軟件選取的方法將對測量成果的質(zhì)量至關(guān)重要。

　　參考文獻

　　[1]劉大杰,施一民,過靜珺.全球定位系統(tǒng)(GPS)的原理與數(shù)據(jù)處理[M].上海:同濟大學出版社,2003

　　[2]徐紹銓,張華海,楊志強,等.GPS測量原理及應用[M].武漢:武漢測繪科技大學出版社,1998

　　[3]吳浩,楊劍,黎華.GPS原理及工程安全監(jiān)測應用[M].武漢:武漢理工大學出版社,2014:95-98

　　[4]張鳳舉,張華海.控制測量學[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1999:182-192

　　[5]羅柳鎮(zhèn).高精度衛(wèi)星測距技術(shù)研究與實現(xiàn)[D].南京:南京理工大學,2016:37-43

　　[6]孔祥元,郭際明,劉宗泉.大地測量學基礎(chǔ)[M].武漢:武漢大學出版社,2006

　　作者：劉平利1，喬天榮1，張永杰2，張鴻祥1