高精度基准线精密测量中GPS的应用

高精度基准线精密测量中GPS的应用

张恩诚

（广州南方测绘科技股份有限公司广东广州510000）

摘要：针对短距离、高密度、高测量精度的高精度火箭撬实验轨道基准线的特点，对GPS短基线定位的误差因素进行了分析，并设计了高精度基准线GPS网的测量精度，坐标数据，网络形状等方面，同时也对测得的数据做出了精度分析。结果证明，GPS相对定位技术是精确测量高精度基准线的行之有效的方法。

关键词：高精度基准线；GPS；精密测量

0引言

在2005年，利用GPS技术对现有的基准线进行了滑轨基准线精密测量的有关试验研究，同时获得了令人满意的效果。为了保证在滑轨扩建后基准线的稳定性和可靠性，完成新旧基准线之间的准确连接，GPS技术再次应用于基准线精密测量和滑轨施工过程中。本文基于基准线参考点的线间距短，数量大，密度大以及其平面投影在一条直线上，高精度测量要求等特点，探讨了GPS短基线定位的主要误差，在此基础上对高精度基线GPS控制网络的技术设计进行了介绍。

1GPS短基线定位的误差因素

通常来讲，造成GPS测量误差的因素主要包括三个方面：第一，与卫星相关造成的误差，第二，信号传播造成的误差，第三接收器造成的误差。但是，在诸如卫星时钟误差、相对论效应、接收器时钟误差等基线长度不超过10公里的短基线网络中，可以采用站星求差或者站与站之间求差对产生的误差进行消除，所以，主要对GPS短基线网络的精度造成误差的因素是：对流层延迟，电离层延迟，多路径效应，天线安装误差和GPS观测的分辨率误差。

（1）对流层延迟。对流层是指在40公里高度以下的大气层，因为对流层距离地面很近，所以大气密度非常大，大气状态受到地面气候影响变化较大，其折射相对复杂。一般通过采用建模的方法来校正对流层延迟造成的误差，但因为大气中的水汽分布随空间和时间的变化会产生动态变化，所以准确测量折射误差几乎不可能，这是造成对流层延迟矫正精度的主要限制因素。通常来说，在小范围的短基线数据处理中，所有台站的测量区域中的平均气象要素或标准气象要素对计算对流层校正更加准确。

（2）电离层延迟。电离层主要包含50至1000公里范围内的大气层。在太阳辐射的作用下，电离层能够折射电磁波，从而产生电离层延迟。一般情况下会采用以下几种方法进行校正：电离层模型和经验公式法，双频率线性组合法和实测双频观测值构造电离层延迟模型。

（3）多路径效应。多路径引起的误差与观测站周边环境、接收器的性能和观察时间长短等密切相关。消除这种误差的方法是选择品质更好的天线，并合理选择观测站的选址，从而使观测站能够不受反射物和干扰物的营销，从而延长观察时间。

（4）天线安装误差。天线安装不规范造成的误差包括对齐误差，水准误差和天线高度测量误差，这是短基线网络中主要的误差因素之一。对于这种误差在高精度定位中，一般会通过强制对准的方法将安装误差控制在0.1毫米之内。

（5）GPS观测的分辨率误差。观测的分辨率误差是一种偶然误差，需要通过多次进行观察来改善观测精度。通常情况下，误差大致为信号波长的0.5％，相比于L1载波大概为一毫米。

基于以上的分析，可以得出结论：在高精度GPS短基线网络测量中，通过观测值求差，模型校正，同类型双频接收机观测，优化观测方案和观测间隔，以及采用精密星历、多个时段反复观察、合理布局观测站，通过网络连接或侧边连接的形式扩展异步环等方法或措施，进而矫正或者消除各种因素造成的误差，提高GPS定位的准确性。

2GPS基准网的设计

2.1精度设计

GPS精密测量的精度设计需要根据基准线构造的精度要求以及《全球定位系统（GPS）测量规范》中对于GPS精密测量的要求进行设计：相邻基准点之间的基线垂直分量误差不超过4毫米，水平分量不得超过9毫米，基线长度的相对中位误差应不超过1*10-6。

2.2基准设计

为了便于滑轨的校准，和对滑轨进行扩建与现有滑轨之间的准确连接，从而制定基准线工程的独立坐标系：以独立坐标系的垂直轴（X轴）为基准，从现有参考点102＃到153＃的线性方向，垂直方向是水平轴（Y轴）。假设102＃的坐标为起始坐标，参考点的平均高程平面为坐标投影平面。

2.3网形设计

基准线的投影是一条直线，需要在新建基准线的一侧等间距地布置六个GPS控制点从而增强GPS网的图形结构，均匀地分布在新建基线一侧约50米处。这些控制点也可以作为滑轨扩建桩基、承台施工和轨道梁安装的控制点。GPS控制网络由7个新建的GPS控制点和两个距离现有基准线大约五百米的控制点以及140个参考基准点互相联网而组成。形成三角形或四边形的构网图形，并采用网联或边联的形式对同步图形进行连接。GPS网如图1所示。

图1GPS网

3数据处理与精度分析

该网共有150个观测点，并且还引入了四个连续运行的IGS跟踪站（WUHN，BJFS，SHAO，KUNM），以同时连续传输ITRF的XF01坐标（坐标精度级别为0.1cm），作为基准网的起始坐标。当检查基准线解的同步环时，将解的NRMS值作为评价同步环质量的关键指标（通常要求NRMS值不大于0.5）。整个网络中所有的120个同步环路的NRMS值全部小于0.5。GPS网络的整体观测精度较为理想，基线解的精度能够得到很好的解决。所有合格的基线都是三角形组环，总共计算得到了771个异步环，并且所有异步环的误差都控制在合理范围内。

在参考网络的二维平差调整之后，最弱参考点的点位中值误差为2.4mm，并且平均点位的中误差是2.1mm。相邻基准点间距的长度误差高于0.3mm；平均基线误差为1.2mm，参考线纵向长度的相对精度为1/2,182,000。参考点的横向相对误差低于2.1mm。参考网络的精度能够满足设计要求以及线路构造和滑轨校准的精度要求。

为了测试GPS测量结果的准确性，使用了LeicaTC2003全站仪根据二级精度测距的技术要求测量5个基线边缘。结果显示全站仪精度测距边长和GPS边长的比较，两者均小于4mm，更加深层次地说明了GPS网的精密质量。

4结语

综上所述，运用GPS静态相对定位技术进行精确测量高精度火箭滑行轨道基准线，并通过特殊的设计和合理、先进的技术方法，能够使精度达到高于10-6的直线精度。相比于传统的激光准直测量方法，GPS测量方法具有精度较高、不易受外部条件影响，高效便捷，易操作等显著优势，同时还可以适用于火箭滑轨基准线的建设测量和日常维护检测。本文介绍的测量技术和方法也能够应用于类似的高精度基准线精密数据测量。

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