论文部分内容阅读
摘要：在山区航测外业像控测量中，由于地形条件和通讯条件的限制，现有的RTK技术不能很好的发挥作用，普通静态测量模式观测时间长效率低，双基准站快速静态具有快速、易操作、精度高等特点。本文提出采用双基准站快速静态方式进行山区航测外业像控测量，并结合实例，分析了方法的可靠性、高效性及实用性。
关键词：GPS技术；快速静态；基准站；似大地水准面精化
1 引言
GPS（全球卫星定位系统）技术自上世纪90年代投入民用后，广泛用在导航、定位等领域，在测量行业更是具有革命性的意义，成为控制测量的主要手段。随着区域似大地水准面精化技术的发展，利用GPS技术可以快速获取高精度三维坐标，使得GPS应用更加方便。在山区像控测量中，使用传统的RTK作业方式受到地形条件的影响，数据链传输距离有限，经常会出现浮动解或接收不到差分信号的情况，难以得到固定解，影响外业工作效率。本文提出双基准站GPS测量方法结合地方似大地水准面精化成果，并使用具体实例进行验证，证明了方法的可靠性和高效性。
2 原理
为了获得厘米级甚至毫米级的高精度测量成果，在常规GPS测量中通常采用载波相位测量的方法，GPS接收机所接收到的卫星信号中，已用相位调制技术在载波上调制了测距码和卫星导航电文，通过码相关法或平方法可以将调制在载波上的测距码和卫星电文去掉，恢复载波的相位。GPS接收机的观测量包括载波不足一周的部分Fr（Ф）和整周计数Int（Ф），一般表示：
载波相位φ和卫星与接收机之间的距离ρ之间存在以下关系：
ρ=（Fr（Ф）+ Int（Ф）+N）·λ
由于载波是不带任何识别标识的一种纯余弦波，GPS接受机能准确的量测不足一周的部分，却无法测出是第几周的载波信号，整周数的确定是载波相位测量中的关键问题。在普通的GPS静态测量中往往需要进行较长时间的观测，一般不少于45分钟，以便能唯一正确的确定整周模糊度，保证解的可靠性和精度[1]。
Frei和Beutler于1990年提出了一种快速求解整周模糊度方法（FARA），采用很少的观测数據就能求解出整周模糊度。FARA方法的基本思想：以数理统计的参数估计和假设检验为基础，利用初始平差的解向量（测站坐标和相位模糊度的实数解），以及其精度信息（方差-协方差和单位权中误差），确定出某一置信区间；在该置信区间，确定出整周模糊度可能的整数解的组合；依次将整周模糊度的每一组合作为未知数一一代回法方程式，找出单位权中误差σ最小的解，若σ最小显然小于σ次最小，且从数理统计的观点看基线向量及标准方差与初始解是一致的，则σ最小对应的解即为最终的双差固定解。采用FARA法所需观测时间一般双频接收机5～10分钟，单频机10～20分钟，无需重启机器，使用常规方法观测[2]。
3 双基准站操作方法
在测区中选取的两个固定点架设GPS接收机作为基准站，并一直保持对卫星的跟踪观测，同时其他接收机在一定范围内流动设站作业，在每个点观测一定的时间，以确定该点到两个基准站之间的基线向量（如图1所示）。
图1 GPS双基站快速静态观测示意图
GPS快速静态的数据处理与常规静态测量相同，主要有基线解算、闭合环检验、三维平差、二维约束平差和坐标转换等环节[3]。
4 应用实例
某森林度假村地形测量项目采用航测成图，比例尺1﹕2000，测区高差约120米，成图面积约22平方公里，采用无人机航拍，测区中有4平方公里连片水域，森林覆盖率超过85%，交通条件较差，外业刺点比较困难。在测区及周边布设了8个E级GPS点，点间平均距离2.5km，采用全野外布点法布设像控点。测区范围及控制点布设情况（如图2所示）：
图2 测区遥感影像图
考虑到测区交通条件、控制点分布和作业效率等情况，在测区西南部选择E级点（E01、E03）作为基准站，测区东北部选择E级点（E03、E05）作为基准站，采用一台徕卡1230和一台华测X91观测，其中徕卡1230设为RTK模式并接收静态数据，流动站采用2台中纬ZGP800A接收机，每个像控点观测一次，观测时间不少于15分钟，观测时锁定卫星不少于5颗，GDOP值不大于6，接收机采样率都设为10s。
数据处理采用徕卡公司的随机解算软件LGO7.0，基线解算均采用双差固定解，基站及像控点观测数据信息（如图3所示）：
图3 观测数据信息
以测区西南部像控点的GPS观测数据计算为例，基线解算和闭合环检验通过后，先进行三维无约束平差，然后利用E级网三维无约束平差的结果，固定E001、E003的WGS-84坐标进行三维约束平差，获得像控点WGS-84坐标系下的三维坐标，使用测区GPS E级网的坐标转换参数，在LGO的坐标转换模块中通过坐标转换得到像控点在地方坐标系下的坐标[4]。像控点高程通过似大地水准面得到，利用似大地水准面模型文件进行高程拟合，可得到较高精度的高程值。三维约束网平差结果（如图4所示）：
图4 像控点三维约束平差结果
通过网平差结果可以看出除点P3459外解算精度都比较高，与常规静态相同。作业过程中，检测了两个E级点，观测时间均为20分钟，控制点坐标比对较差（如表1所示）：
整个项目采用双基准站快速静态模式观测像控点79个，每天野外工作时间约10小时，平均每台GPS接收机每天测点10个。在实际作业过程中，还有一台徕卡1250型GPS接收机在徕卡基准站附近进行RTK作业，平均每天能测点26个，整个测区181个像控点测量共用4天时间。
5 结论
采用双基准站GPS快速静态测量方法测量像控点，只需要一次上点就能满足观测要求，像控点与两个基准站之间形成的三边同步环可作为GPS观测质量的检核条件，在15km的范围内精度与常规静态相当，双基准站GPS快速静态测量速度快、精度高、劳动强度小，在山区作业时结合RTK的使用能快速完成像控点测量任务，有效提高野外工作效率。
参考文献：
[1]李征航、黄劲松 GPS测量与数据处理 武汉大学出版社2005
[2]周忠谟、易杰军、周琪 GPS卫星测量原理与应用 测绘出版社2006
[3]魏二虎、黄劲松 GPS测量操作与数据处理 武汉大学出版社2004
[4]LEICA Geo Office GPS帮助手册
关键词：GPS技术；快速静态；基准站；似大地水准面精化
1 引言
GPS（全球卫星定位系统）技术自上世纪90年代投入民用后，广泛用在导航、定位等领域，在测量行业更是具有革命性的意义，成为控制测量的主要手段。随着区域似大地水准面精化技术的发展，利用GPS技术可以快速获取高精度三维坐标，使得GPS应用更加方便。在山区像控测量中，使用传统的RTK作业方式受到地形条件的影响，数据链传输距离有限，经常会出现浮动解或接收不到差分信号的情况，难以得到固定解，影响外业工作效率。本文提出双基准站GPS测量方法结合地方似大地水准面精化成果，并使用具体实例进行验证，证明了方法的可靠性和高效性。
2 原理
为了获得厘米级甚至毫米级的高精度测量成果，在常规GPS测量中通常采用载波相位测量的方法，GPS接收机所接收到的卫星信号中，已用相位调制技术在载波上调制了测距码和卫星导航电文，通过码相关法或平方法可以将调制在载波上的测距码和卫星电文去掉，恢复载波的相位。GPS接收机的观测量包括载波不足一周的部分Fr（Ф）和整周计数Int（Ф），一般表示：
载波相位φ和卫星与接收机之间的距离ρ之间存在以下关系：
ρ=（Fr（Ф）+ Int（Ф）+N）·λ
由于载波是不带任何识别标识的一种纯余弦波，GPS接受机能准确的量测不足一周的部分，却无法测出是第几周的载波信号，整周数的确定是载波相位测量中的关键问题。在普通的GPS静态测量中往往需要进行较长时间的观测，一般不少于45分钟，以便能唯一正确的确定整周模糊度，保证解的可靠性和精度[1]。
Frei和Beutler于1990年提出了一种快速求解整周模糊度方法（FARA），采用很少的观测数據就能求解出整周模糊度。FARA方法的基本思想：以数理统计的参数估计和假设检验为基础，利用初始平差的解向量（测站坐标和相位模糊度的实数解），以及其精度信息（方差-协方差和单位权中误差），确定出某一置信区间；在该置信区间，确定出整周模糊度可能的整数解的组合；依次将整周模糊度的每一组合作为未知数一一代回法方程式，找出单位权中误差σ最小的解，若σ最小显然小于σ次最小，且从数理统计的观点看基线向量及标准方差与初始解是一致的，则σ最小对应的解即为最终的双差固定解。采用FARA法所需观测时间一般双频接收机5～10分钟，单频机10～20分钟，无需重启机器，使用常规方法观测[2]。
3 双基准站操作方法
在测区中选取的两个固定点架设GPS接收机作为基准站，并一直保持对卫星的跟踪观测，同时其他接收机在一定范围内流动设站作业，在每个点观测一定的时间，以确定该点到两个基准站之间的基线向量（如图1所示）。
图1 GPS双基站快速静态观测示意图
GPS快速静态的数据处理与常规静态测量相同，主要有基线解算、闭合环检验、三维平差、二维约束平差和坐标转换等环节[3]。
4 应用实例
某森林度假村地形测量项目采用航测成图，比例尺1﹕2000，测区高差约120米，成图面积约22平方公里，采用无人机航拍，测区中有4平方公里连片水域，森林覆盖率超过85%，交通条件较差，外业刺点比较困难。在测区及周边布设了8个E级GPS点，点间平均距离2.5km，采用全野外布点法布设像控点。测区范围及控制点布设情况（如图2所示）：
图2 测区遥感影像图
考虑到测区交通条件、控制点分布和作业效率等情况，在测区西南部选择E级点（E01、E03）作为基准站，测区东北部选择E级点（E03、E05）作为基准站，采用一台徕卡1230和一台华测X91观测，其中徕卡1230设为RTK模式并接收静态数据，流动站采用2台中纬ZGP800A接收机，每个像控点观测一次，观测时间不少于15分钟，观测时锁定卫星不少于5颗，GDOP值不大于6，接收机采样率都设为10s。
数据处理采用徕卡公司的随机解算软件LGO7.0，基线解算均采用双差固定解，基站及像控点观测数据信息（如图3所示）：
图3 观测数据信息
以测区西南部像控点的GPS观测数据计算为例，基线解算和闭合环检验通过后，先进行三维无约束平差，然后利用E级网三维无约束平差的结果，固定E001、E003的WGS-84坐标进行三维约束平差，获得像控点WGS-84坐标系下的三维坐标，使用测区GPS E级网的坐标转换参数，在LGO的坐标转换模块中通过坐标转换得到像控点在地方坐标系下的坐标[4]。像控点高程通过似大地水准面得到，利用似大地水准面模型文件进行高程拟合，可得到较高精度的高程值。三维约束网平差结果（如图4所示）：
图4 像控点三维约束平差结果
通过网平差结果可以看出除点P3459外解算精度都比较高，与常规静态相同。作业过程中，检测了两个E级点，观测时间均为20分钟，控制点坐标比对较差（如表1所示）：
整个项目采用双基准站快速静态模式观测像控点79个，每天野外工作时间约10小时，平均每台GPS接收机每天测点10个。在实际作业过程中，还有一台徕卡1250型GPS接收机在徕卡基准站附近进行RTK作业，平均每天能测点26个，整个测区181个像控点测量共用4天时间。
5 结论
采用双基准站GPS快速静态测量方法测量像控点，只需要一次上点就能满足观测要求，像控点与两个基准站之间形成的三边同步环可作为GPS观测质量的检核条件，在15km的范围内精度与常规静态相当，双基准站GPS快速静态测量速度快、精度高、劳动强度小，在山区作业时结合RTK的使用能快速完成像控点测量任务，有效提高野外工作效率。
参考文献：
[1]李征航、黄劲松 GPS测量与数据处理 武汉大学出版社2005
[2]周忠谟、易杰军、周琪 GPS卫星测量原理与应用 测绘出版社2006
[3]魏二虎、黄劲松 GPS测量操作与数据处理 武汉大学出版社2004
[4]LEICA Geo Office GPS帮助手册