浅谈GPS控制网的优化设计

　　摘要：GPS控制网优化设计是GPS控制网设计的重要过程，是实施GPS测量的基础性工作。它是在寻求GPS控制网在精确性、可靠性和经济性等方面中的最佳方案。本文根据多年的实践，对GPS布网方案的优化进行探讨。
　　关键词：GPS；控制网；优化设计
　　一、引言
　　近年来，GPS技术被广泛应用于控制测量，虽然相对于传统的控制测量而言，GPS具有定位点位精度高、观测时间短、操作简便、全球全天候作业的优点，但也需优化设计，原因是：一是在布设控制网时,希望在现有的人力、物力和财产条件下,使控制网具有最高的精度、灵敏度和可靠性;二是控制网在满足精度、灵敏度和可靠性要求的前提下,使控制网的成本(费用)最低。
　　二、布设GPS控制网的原则
　　根据《全球定位系统（GPS）测量规范》(GB/T18314--2009)的要求，布设GPS控制网应遵循如下原则：
　　1.布设要求：各级GPS网的布设应根据其布设目的、精度要求、卫星状况、接收机类型和数量、测区已有的资料、测区地形和交通状况以及作业效率等因素综合考虑，按照优化设计原则进行。
　　2.闭合环或附合路线边数的要求：《全球定位系统（GPS）测量规范》要求各级GPS网最简异步观测环或附合路线的边数应符合下表的要求：

　　3.相邻点间距离的要求：各级GPS网点应均匀分布，相邻点间距离最大不宜超过该网平均点间距的2倍。
　　4.联测点数的要求：新布设的GPS网应与附近已有的国家高等级GPS点进行联测，联测点数不应少于3点。
　　5.高程联测要求：C级网点的高程联测精度应不低于三等水准测量精度，D、E级网点按四等水准测量或与其精度相当的方法进行高程联测。
　　三、GPS控制网的优化设计
　　GPS控制网与常规控制网的优化存在很大差异，主要表现在其观测量为基线向量，它不受网本身几何图形的制约，GPS网的整体精度主要受到基线向量协因数阵和网的图形结构的影响，主要侧重于图形结构的设计，即独立基线向量的选取以及异步闭合环的设计。
　　1、 精度设计
　　GPS控制网的精度设计主要取决于网的用途，如果确定了用途及相应的网的级别后，应满足《全球定位系统（GPS）测量规范》(GB/T18314--2009)的下列要求：

　　在具体实施过程中，为了提高GPS网的精度，主要应从以下几个方面进行考虑：
　　（1）为保证GPS网中各相邻点具有较高的相对精度，对网中距离较近的点一定要进行同步观测，以获得它们间的直接观测基线；
　　（2）在布网时要使网中所有最小异步环的边数不大于6条；
　　（3）增设外业的观测时间和时段。
　　（4）保证一定的重复设站次数
　　2、 基准设计
　　GPS网的基准设计主要以对坐标未知参数进行的设计。基准选取的不同将会对网的精度产生直接的影响，基中包括GPS网基线向量解中的位置基准的选择，以及GPS网转到地方坐标系所需的基准设计。GPS基线向量解算中作为位置基准的固定点误差是引起基线误差的一个重要因素，使用测量时获得的单点定位值作为起算坐标，由于其误差可达数十米以上，所以选用不同点的单点定坐标值作为固定时，引起的基线向差可达数厘米。因此必须对网的位置基准进行优化设计
　　由于GPS尺度往往存在系统误差，因此也对GPS网尺度基准进行优化设计。这个问题可以从两个方面进行考虑：一是提供外部尺度基准，选用较高精度的测距仪进行测量2-3条基线边长，作为整网的尺度基准。另一个是提供内部基准，在GPS网中选一条长基线，对该基线尽可能多地长时间、多次观测，取多次观测段所得的基线平均值，作为网的尺度基准。
　　另外，GPS成果要转换到地面实用的国家坐标系中，才能应用，这就涉及到转换基准的选择问题。首先，选择用于基准转换的控制点应均匀地分布在项目区域范围内，最好能包围这个区域；其次，基准转换要求联测点有很高的精度和准确度，因为每一个坐标基准都有关来密的椭球参数定义；第三，要求选择的联测点有足够的数量，且有WGS—84坐标和地方椭球坐标。
　　3、 GPS网的网形
　　GPS网常用的布网形式主要有跟踪站式、会战式、多基准站式（枢纽点式）、同步图形扩展式、单基准站式。这些布网形式中以同步图形扩展式为最常用，它是指多台接收机在不同测站上进行同步观测，在完成一个时段的同步观测后，又迁移到其它的测站上进行同步观测，每次同步观测都可以形成一个同步图形，在测量过程中，不同的同步图间一般有若干个公共点相连，整个GPS网由这些同步图形构成。这种布网形式上有扩展速度快，作业效率高，图形强度好，且作业方法简单的优点。
　　采用同步图形扩展式布设GPS基线向量网时的观测作业方式主要以下几种：点连式、边连式、网连式、混连式，这些方式各有优缺点。在实际布网过种中，根据具体情况，大多采用混连式，它实际上是点边式、边连式和网连式的一个结合体。
　　GPS网形的设计应根据所布设计控制网的用途，测绘作业单位所具有的测量仪数量，以及所布设控制点的数据而定。
　　（1） 效率指标
　　在进行GPS网设计时，经常采用效率指标来衡量某种网设计方案的效率，以及在采用这种方案作业时所需要的作业时间、消耗。如果布设一个GPS控制时，在点数、接收机数和平均设站数确定后，则完成该网测设所需的理论最少观测期就可以确定。但是，当按某个具体的布网方式和观测作业方式进行作业时，要按要求完成整网的测设，所需的观测期数与理论上的最少观测期数会有所差异，理论最少观测期数与设计的观测期数的比值，即效率指标。
　　（2） 可靠性指标
　　GPS网可靠性，可以分为内部可靠性和外部可靠性。内部可靠性指所布设的GPS网发现粗差的能力；外部可靠性指GPS网抵御粗差的能力。在实际的GPS网设计中，采用了一种能反映GPS网可靠性的数量指标，这个就是整网的多余独立基线数与总的独立基线数的比值。
　　五、结论
　　应用GPS技术建设控制网，不仅具有精度高、周期短、经济适用的优点，而且由于GPS测量本身的特点，网形构造简单，网的精度与几何图形结构无关，点的疏密和边长的长短可以适当的选取，解决了常规测量中点位之间无法通视的困难，以及外业观测受天气影响的困难。即便是如此，我们仍要重视对GPS控制网优化设计的研究，以得到更加令人满意的测量成果。
　　六、参考文献：
　　[1]国家质量技术监督局.GB/T18314-2009全球定位系统（GPS）测量规范.北京：中国标准出版社
　　[2]王天仓，张照杰，林海，刁明伟.GPS控制网起算点个数与分布的探讨与分析测绘通报2009（12）30-33

《浅谈GPS控制网的优化设计》

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