论文部分内容阅读
[摘要]主要论述GPS及高程测量在提高控制网精度及其可靠性问题的探讨，分析影响测量精度的主要因素，以及提高GPS测量的方法与措施。
[关键词]GPS 高程测量 矿区控制网
中图分类号：TN96 文献标识码：A 文章编号：1671-7597(2009)0610089-01
为了满足地质勘查、煤矿安全生产、矿井建设的需要，充分发挥GPS测量优势，建立GPSD级网，极大的提高点位精度和作业效率，为矿区发展规划、设计、施工等生产建设提供准确科学的测绘依据。测绘项目方案设计原则，符合国家现行的技术政策、规程、规范、图式标准，能满足矿区开发、建设及今后安全生产的需要，提高了经济效益和社会效益。
一、GPS高程测量原理
(一)高程系统
1．大地高程系统。大地高是由地面点沿通过该点的椭球面法线到椭球面的距离，以H84表示。利用GPS定位技术，可以直接测定测点在WGS-84中的大地高程。大地高是一个几何量，不具有物理上的意义。它通过与水准测量资料、重力测量资料等相结合，来确定测点的正常高，具有重要的意义。
2．正高系统。由地面点并沿该点的铅垂线至大地水准面的距离称为正高，以Hg表示。正高具有重要的物理意义，但不能精确测定。
3．正常高系统。正常高系统是以似大地水准面为基准面的高程系统，通常以HY表示。具有重要的物理意义，并广泛应用于工程建设中，而且可以精密地确定。
(二)GPS水准高程
所谓GPS水准就是在小区域的GPS网中，用水准测量的方法联测网中若干GPS点的正常高(这些联测点称为公共点)，那么根据各GPS点的大地高就可求得各公共点上的高程异常。然后由公共点的平面坐标和高程异常采用数值拟合计算方法，拟合出区域的似大地水准面，即可求出各点高程异常值，并由此求出各GPS点的正常高。
(三)确定正常高的GPS高程法多项式曲面拟合法
在实际运用中，主要采用多项式曲面拟合法来确定似大地水准面。GPS观测后通过平差处理，可精确的得到地面点的平面坐标和大地高。大地高是以椭球面为基准的高程系统的成果，高程系统的定义为由地面点沿通过该点的椭球面法线到椭球面的距离。但是，目前常用的水准测量成果是以似大地水准面为基准的高程系统中的成果，所以，在实际工程中一般不采用大地高系统，而是采用正常高系统，其关系为HY=1184-ζ。
二、GPS技术在矿区控制网中的应用
(一)选点
本测区共选GPSD级控制点共30个，其中观测点3个，埋石点27个。点与点间不通视，2～5km埋设一对点。GPS网观测采用边连式。点选在点位基础坚实稳定，易于保存、有利于扩展利用的地方，便于控制点的长期保存。
1．点位选择考虑通视方向：
2．点位的基础坚实稳定，易于长期保存，便于安全作业：
3．点位符合GPS观测条件，视野应开阔，远离大功率无线电发射源(如电视台、微波站等)，其距离不小于200m，距离高压线距离不小于50m。
选点结束后，按要求埋设标石并填写点之记。
(二)观测
野外数据采集，共安排GPS接收机7台，其中Trimble4600LS5台，Trimble58002台，精度为：5mm+1ppm，联测用静态定位作业模式进行，采用网连式布网进行野外数据采集，每个时段衔接点位为3个，构网强度较优。
(三)GPS测量的数据处理
1．数据预处理及质量分析。基线处理软件采用美国天宝公司所研制的随机软件Geomaticoffice1.62，上述软件是目前比较成熟的GPS随机解算软件。
影响GPS基线解算质量的因素较多也较为复杂，如卫星的周跳、星历误差、对流层及电离层影响，其它观测条件不好，如测站附近有微波、无线电等干扰源，或被建筑物、树阴等遮挡，所观测到的卫星星座的图形结构较差，不明因素的影响使卫星信号不正常，同步观测时间太短等都会影响基线解算。只要方差比(Ratio)≥1.5，则认为基线就有双差固定解，否则为浮动解(Float)，该值越大说明基线质量越可靠，对于参考方差则数值越小越好。
2．平差计算及精度分析。GPS网平差计算使用软件为美国天宝公司所研制的随机软件Geomaticofficel.61和武汉大学测绘学院研制的PowerADJ4.0(该软件已通过部级鉴定)。
三、保证GPS控制测量的精度的措施
(一)选择合适的站址
虽然GPS观测站之间可不必相互通视，但同样应注意正确选择测站点的位置。在观测时间较长，采集的数据质量较高的情况下，基线自动处理一般能够获得令人满意的结果。
出现结果不佳的原因主要是观测时间较短，多路径效应和外界电磁波干扰严重引起卫星信号失锁、叠加，测站周围视场内障碍物的高度角较大，使得接收的卫星数量较少，卫星的几何图形强度不良等。对此，除应满足规范规定的要求外，在城区还需特别注意减除多路径效应的影响，例如测站应远离大功率无线电发射源、远离大面积平静的水面，尽量躲开高层建筑物，观测时汽车停放应离测站远些。当精度要求较高时，应避免短边，无法避免时，要谨慎观测。
(二)正确安置天线，严格对中，经常检查光学对中器
野外作业时一般是测前、测中、测后量取天线高，3次测量结果之差不应超过3mm，并取3次结果的平均值。应尽量避免天线附近有大功率电台，高频雷达和发射天线，干扰源有时会使接收机接收不到信号，并且影响观测精度。野外作业时若使用不同类型的天线，应注意其相位中心在高度上的变化量。
(三)优化设计GPS网的图形结构
GPS控制网的测量精度与网的几何图形结构有一定的关系，但影响精度的主要因素是控制网中各站点基线的数目及基线的权阵。总之，GPS技术能较好地解决矿区已有控制网的恢复与精度吻合问题，避免了常规测量的多种限制及精度损失，为矿井安全生产提供可靠的数据。
[关键词]GPS 高程测量 矿区控制网
中图分类号：TN96 文献标识码：A 文章编号：1671-7597(2009)0610089-01
为了满足地质勘查、煤矿安全生产、矿井建设的需要，充分发挥GPS测量优势，建立GPSD级网，极大的提高点位精度和作业效率，为矿区发展规划、设计、施工等生产建设提供准确科学的测绘依据。测绘项目方案设计原则，符合国家现行的技术政策、规程、规范、图式标准，能满足矿区开发、建设及今后安全生产的需要，提高了经济效益和社会效益。
一、GPS高程测量原理
(一)高程系统
1．大地高程系统。大地高是由地面点沿通过该点的椭球面法线到椭球面的距离，以H84表示。利用GPS定位技术，可以直接测定测点在WGS-84中的大地高程。大地高是一个几何量，不具有物理上的意义。它通过与水准测量资料、重力测量资料等相结合，来确定测点的正常高，具有重要的意义。
2．正高系统。由地面点并沿该点的铅垂线至大地水准面的距离称为正高，以Hg表示。正高具有重要的物理意义，但不能精确测定。
3．正常高系统。正常高系统是以似大地水准面为基准面的高程系统，通常以HY表示。具有重要的物理意义，并广泛应用于工程建设中，而且可以精密地确定。
(二)GPS水准高程
所谓GPS水准就是在小区域的GPS网中，用水准测量的方法联测网中若干GPS点的正常高(这些联测点称为公共点)，那么根据各GPS点的大地高就可求得各公共点上的高程异常。然后由公共点的平面坐标和高程异常采用数值拟合计算方法，拟合出区域的似大地水准面，即可求出各点高程异常值，并由此求出各GPS点的正常高。
(三)确定正常高的GPS高程法多项式曲面拟合法
在实际运用中，主要采用多项式曲面拟合法来确定似大地水准面。GPS观测后通过平差处理，可精确的得到地面点的平面坐标和大地高。大地高是以椭球面为基准的高程系统的成果，高程系统的定义为由地面点沿通过该点的椭球面法线到椭球面的距离。但是，目前常用的水准测量成果是以似大地水准面为基准的高程系统中的成果，所以，在实际工程中一般不采用大地高系统，而是采用正常高系统，其关系为HY=1184-ζ。
二、GPS技术在矿区控制网中的应用
(一)选点
本测区共选GPSD级控制点共30个，其中观测点3个，埋石点27个。点与点间不通视，2～5km埋设一对点。GPS网观测采用边连式。点选在点位基础坚实稳定，易于保存、有利于扩展利用的地方，便于控制点的长期保存。
1．点位选择考虑通视方向：
2．点位的基础坚实稳定，易于长期保存，便于安全作业：
3．点位符合GPS观测条件，视野应开阔，远离大功率无线电发射源(如电视台、微波站等)，其距离不小于200m，距离高压线距离不小于50m。
选点结束后，按要求埋设标石并填写点之记。
(二)观测
野外数据采集，共安排GPS接收机7台，其中Trimble4600LS5台，Trimble58002台，精度为：5mm+1ppm，联测用静态定位作业模式进行，采用网连式布网进行野外数据采集，每个时段衔接点位为3个，构网强度较优。
(三)GPS测量的数据处理
1．数据预处理及质量分析。基线处理软件采用美国天宝公司所研制的随机软件Geomaticoffice1.62，上述软件是目前比较成熟的GPS随机解算软件。
影响GPS基线解算质量的因素较多也较为复杂，如卫星的周跳、星历误差、对流层及电离层影响，其它观测条件不好，如测站附近有微波、无线电等干扰源，或被建筑物、树阴等遮挡，所观测到的卫星星座的图形结构较差，不明因素的影响使卫星信号不正常，同步观测时间太短等都会影响基线解算。只要方差比(Ratio)≥1.5，则认为基线就有双差固定解，否则为浮动解(Float)，该值越大说明基线质量越可靠，对于参考方差则数值越小越好。
2．平差计算及精度分析。GPS网平差计算使用软件为美国天宝公司所研制的随机软件Geomaticofficel.61和武汉大学测绘学院研制的PowerADJ4.0(该软件已通过部级鉴定)。
三、保证GPS控制测量的精度的措施
(一)选择合适的站址
虽然GPS观测站之间可不必相互通视，但同样应注意正确选择测站点的位置。在观测时间较长，采集的数据质量较高的情况下，基线自动处理一般能够获得令人满意的结果。
出现结果不佳的原因主要是观测时间较短，多路径效应和外界电磁波干扰严重引起卫星信号失锁、叠加，测站周围视场内障碍物的高度角较大，使得接收的卫星数量较少，卫星的几何图形强度不良等。对此，除应满足规范规定的要求外，在城区还需特别注意减除多路径效应的影响，例如测站应远离大功率无线电发射源、远离大面积平静的水面，尽量躲开高层建筑物，观测时汽车停放应离测站远些。当精度要求较高时，应避免短边，无法避免时，要谨慎观测。
(二)正确安置天线，严格对中，经常检查光学对中器
野外作业时一般是测前、测中、测后量取天线高，3次测量结果之差不应超过3mm，并取3次结果的平均值。应尽量避免天线附近有大功率电台，高频雷达和发射天线，干扰源有时会使接收机接收不到信号，并且影响观测精度。野外作业时若使用不同类型的天线，应注意其相位中心在高度上的变化量。
(三)优化设计GPS网的图形结构
GPS控制网的测量精度与网的几何图形结构有一定的关系，但影响精度的主要因素是控制网中各站点基线的数目及基线的权阵。总之，GPS技术能较好地解决矿区已有控制网的恢复与精度吻合问题，避免了常规测量的多种限制及精度损失，为矿井安全生产提供可靠的数据。