浅析GPS在大地控制测量中的应用

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  一、概述
  GPS定位技术以其精度高、速度快、费用省、操作简便等优良特性被广泛应用于大地控制测量中。时至今日,可以说GPS定位技术已完全取代了用常规测角、测距手段建立大地控制网。我们一般将应用GPS卫星定位技术建立的控制网叫GPS网。归纳起来大致可以将GPS网分为两大类:一类是全球或全国性的高精度GP5网,这类GPS网中相邻点的距离在数干公里至上万公里,其主要任务是作为全球高招度坐标框架或全国高精度坐标框架,为全球性地球动力学和空间科学方面的科学研究工作服务,或用以研究地区性的板块运动或池壳形变规律等问题。另一类是区域性的GPS网,包括城市或矿区GPS网,GPS工程网等,这类网中的相邻点间的距离为几公里至几十公里,其主要任务是直接为国民经济建设服务。下面分别就上述两大类GPS网作具体阐述。
  二、全球或全国性的高精度GPS网
  作为大地测量的科研任务是研究地球的形状及其随时间的变化,因此建立全球覆盖的坐标系统之一的高精度大地控制网是大地测量工作者多年来一直梦寐以求的。直到空间技术和射电天文技术高度发达,才得以建立跨洲际的全球大地网,但由于VLBI、SLR技术的设备昂贵且非常笨重,因此在全球也只有少数高精度大地点,直到GPS技术逐步完善的今天才使全球覆盖的高精度GPS网得以实现,从而建立起了高精度的(在1—2cm)全球统一的动态坐标框架,为大地测量的科学研究及相关地学研究打下了坚实的基础。
  新布成的国家A、B级网已成为我国现代大地测量和基础测绘的基本框架,将在国民经济建设中发挥越来超重要的作用。国家A、B级网以其持有的高精度把我国传统天文大地网进行了全面改善和加强,从而克服了传统天文大地网的精度不均匀,系统误差较大等传统测量手段不可避免的缺点。通过求定A、B级GPS网与天文大地网之间的转换参数,建立起了地心参考框架和我国国家坐标的数学转换关系,从而使国家大地点的服务应用领域更宽广。利用A、B级GP5网的高精度三维大地坐标,并结合高精度水淮联测,从而大大提高了确定我国大地水准面的精度,特别是克服我国西部大地水准面存在较大系统误差的缺陷。
  1991年国际大地测量协会(LAG)决定在全球范围内建立一个IGS(国际GPS地球动力学服务)观测网,并于1992年6—9月间实施了第一期会战联测,我国借此机会由多家单位合作,在全国范围内组织了一次盛况空前的“中国’92GPS会战”,目的是在全国范围内确定精确的地心坐标.建立起我国新一代的地心参考框架及其与国家坐标系的转换参数;以优于10-8量级的相对精度确定站问基线向量,布设成国家A级网,作为国家高精度卫星大地网的骨架,井奠定地壳运动及地球动力学研究的基础。
  建成后的国家A级网共由28个点组成,经过精细的数据处理,平差后在ITRF9l地心参考框架中的点位精度优于0.1m,边长相对精度一般优于1,随后在1993年和1995年又两次对A级网点进行了GPS复测,其点位精度已提高到厘米级,边长相对精度达3€?0-8。
  作为我国高精度坐标框架的补充以及为满足国家建设的需要,在国家A级网的基础上建立了国家B级网(又称国家高精度GPS网)。布测工作从1991年开始,经过5年努力完成外业工作,内业计算已基本完成,不日将公布使用。全网基本均匀布点,覆盖全国,共布测818个点左右,总独立基线数2200多条.平均边长在我国东部地区为50km,中部地区为100km,西部地区为150Km,经整体乎差后,点位地心坐标精度达€?.1m,GPS基线边长相对中误差可达20€譴10-8“,高程分量相对中误差为3.0€?0-8。
  新布成的国家A、B级网已成为我国现代大地测量和基础测绘的基本框架,将在国民经济建设中发挥越来超重要的作用。国家A、B级网以其持有的高精度把我国传统天文大地网进行了全面改善和加强,从而克服了传统天文大地网的招度不均匀,系统误差较大等传统测量手段不可避免的缺点。通过求定A、B级GPs网与天文大地网之间的转换参数,建立起了地心参考框架和我国国家坐标的数学转换关系,从而使国家大地点的服务应用领域更宽广。利用A、B级GP5网的高精度三维大地坐标,并结合高精度水淮联测,从而大大提高了确定我国大地水准面的精度,特别是克服我国西部大地水准面存在较大系统误差的缺陷。
  2000年开始,我国已着手开展国家高精度GPSA、B级网,中国地壳运动GPs监测网络和总参测绘局GPS一、二级网的三网联测工作。以建立国家高精度GPS2000网,预期精度为10。这充分整合了我国GPS网络资源、以满足我国采用空间技术为大地控制测量、定位、导航、地壳形变监测服务。
  三、区域性GPs大地控制网
  所谓区域GPS网是指国家c、D、E级GP3网或专为工程项目布测的工程GPS网。这类网的特点是控制区域有限(或一个市或一个地区),边长短(一般从几百米到20km),观测时间短(从快速静态定位的几分钟至一两个小时)。由于GPS定位的高精度、快速度、省费用等优点,建立区域大地控制网的手段我国己基本被GPs技术所取代。就其作用而言分为;建立新的地面控制网;检核和改善已有地面网;对已有的地面网进行加密;拟合区域大地水准面。
  (一)建立新的地面控制网
  尽管我国在20世纪70年代以前已布设了覆盖全国的大地控制网,但由于人为的破坏,现存控制点已不多,当在某个区域需要建立大地控制网时,首选方法就是用GPS技术来建网。
  (二)检核和改善已有地面网
  对于现有的地面控制网由于经典观测手段的限制,精度指标和点位分布都不能满足国民经济发展的需要,但是考虑到历史的继承性,最经济、有效的方法就是利用高精度GPS技术对原有老网进行全面改造.合理布设GPS网点,并尽量与老网重合,再把GPS数据和经典控制网一并联合平差处理,从而达到对名网的检核和改善的目的。
  (三)对老网进行加密
  对于已有的地面控制网,除了本身点位密度不够以外,人为的破坏也相当严重,为了满足基本建设的急需,采用GPS技术对重点地区进行控制点加密是一种行之有效的手段。布设加密网时要尽量和本区域的高等级控制点重合,以便较好地把新网同老网匹配好,从而避免控制点误差的传递。
  (四)拟合区域大地水准面
  GPS技术用于建立大地控制网,在确定平面位置的同时.能够以很高的精度确定控制点间的相对大地高差,如何充分利用这种高差信息是近几年计多学者热烈讨论的一个话题。由于地形图测绘和工程建设都依据水准高程,因此必须把GPS测得的大地高差以某种方式转化成水准高差、才便于工程建设使用。通常的方法是:(1)采用一定密度及合理分布的GPS水准高程联测点(即GPS点上联测水准高程),用数学手段拟合区域大地水准面。(2)利用区域地球重力场模型来改化GPS大地高为水准高。
  (作者单位:河南省西华县国土资源局)
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