word文檔可自由復制編輯摘要GPS衛(wèi)星定位技術的發(fā)展導致了測繪行業(yè)一場深刻的技術革命。GPS測量在大范圍高精度控制網、城市控制網、工程控制網的建立中起到了越來越重要的作用,已逐漸取代了傳統的三角測量和導線測量建立控制網的方法,尤其在河道測圖、管線測量、隧道貫通測量及山區(qū)礦區(qū)測繪方面應用廣泛。由于受地形限制,上述情況的測量控制網大多以非常規(guī)形式布設,并且很多穿過山林,附近已知點很少,給網形布設,誤差控制和測區(qū)作業(yè)帶來很大問題,因此如何提高成果精度和經濟效益就成為人們關注的焦點。本文結合礦區(qū)GPS控制網測量工程項目，闡述了GPS控制測量在復雜地形中的應用，主要從以下幾個方面來闡述：(1)結合工程實例，闡述GPS控制測量的作業(yè)流程。（2）分析測量數據的內業(yè)處理方法（中海達GPS所配備的處理軟件—HDS2003數據處理軟件包），通過總結經驗和技巧來提高解算質量。（3）對項目控制網的精度進行分析，從不同角度分析了控制網的可靠性。關鍵詞：GPS礦山地形測量精度分析AbstractGPSsatellitepositioningtechnologyledtothedevelopmentofSurveyingandmappingindustryaprofoundrevolution.GPSmeasurementinlargerangeandhighaccuracycontrolnetwork,citycontrolnetwork,establishmentofengineeringcontrollingnetworkplaysanincreasinglyimportantrole,hasgraduallyreplacedthetraditionaltriangulationandestablishmentofcontrolnetworkwiremeasurementmethod,especiallyinthechannelmapping,surveying,break-throughsurveyoftunnelsandmountainminesurveyingandmappingapplicationsextensive.Duetorestrictionsoftheterrain,thesituationofsurveyingcontrolnetworkofmostlyunconventionalformlayout,andmanyacrossthemountains,nearthelittleknown,tonetshapedesign,errorcontrolandthetestareajobbringsverybigquestion,sohowtoimprovetheaccuracyoftheresultsandeconomicbenefitshavebecomethefocusofattention.ThiscombinationofmineGPScontrolnetsurveyproject,elaboratedtheGPScontrolmeasurementincomplexterrainapplication,mainlyfromthefollowingaspectstoillustrate:(1)incombinationwiththeprojectexample,explainedGPScontrolofmeasurementprocesses.(2)theanalysisofmeasureddatawithintheindustryprocessingmethod(HaidaGPSequippedwithprocessingsoftwareHDS2003dataprocessingsoftwarepackage),summarizetheexperienceandskillstoimprovesolutionquality.(3)theprojectcontrolnetworkprecisionanalysis,analyzedfromdifferentpointofviewcontrolnetworkreliability.Keywords：GPSMiningtopographymeasurementPrecisionanalysis目錄1緒論1.1引言 11.2國內外研究的現狀以及問題 11.3本文主要研究的問題 22GPS衛(wèi)星系統組成 42.1GPS系統組成 42.2GPS工作原理 42.3GPS技術特點 42.4GPS在地形控制測量中的作業(yè)流程 53GPS控制網的布設與施測 73.1測區(qū)介紹與布設原則 73.2GPS誤差來源以及GPS網基本精度 83.2.1GPS誤差來源 83.2.2GPS網基本精度 103.3選點與施測 133.3.1選點 153.3.2施測 184GPS數據處理 194.1基線解算 194.2網平差 264.3高程擬合 294.4坐標系統及轉換 325結論 35致謝 36參考文獻371緒論1.1引言GPS技術是新興技術，GPS衛(wèi)星定位技術較之常規(guī)的測量方法有速度快，精度高，經費省且不受條件限制。GPS技術在礦山地形控制測量中以后會有更廣泛的應用，會越發(fā)顯示出其在礦山地形控制測量方面的優(yōu)越性。目前GPS技術的飛快發(fā)展改變了傳統的控制測量方法，GPS（GlobalPositioningSystem）比常規(guī)的測量方法有精度高，速度快，經費省等優(yōu)點，在廣大地形測量中應用。近些年來，礦區(qū)越來越多的運用GPS技術進行地形控制測量，現在就以GPS系統的組成，國內外最新動態(tài)，GPS控制網的布設與施測，數據的處理，平差，坐標系統的轉換等方面進行討論。1.2國內外研究的現狀和問題隨著GPS靜態(tài)定位技術的不斷發(fā)展與完善，GPS技術己普遍用于各種用途的控制點測量，并已在各種類型和等級的控制網建立中逐步取代常規(guī)的測量方法,如全站儀、水準儀等。中國新的國家大地測量控制網就采用了GPS布設和測量技術，很多城市也都相繼采用GPS技術建立了城市控制網。靜態(tài)GPS定位測量技術所取得的精度越來越高。如由某集團公司投資建造,是一個年產量150萬t的煤礦。礦區(qū)位于貴州山區(qū),礦區(qū)面積約90km2,屬云貴高原地形,礦區(qū)海拔大多在1300m~2000m之間,相對高差約700m。山路崎嶇,地形復雜,通視困難,行走不便。為了滿足該礦區(qū)的煤炭勘探、建設和生產,需建立首級控制網?？紤]到工程復雜,工期較緊,測區(qū)面積大65km2地形起伏大,已知控制點離測區(qū)遠(兩個已知點在測區(qū)外約5km處)等因素,最終經過專家論證，決定采用GPS測量，并順利完成了任務。國外，GPS平面控制和高程控制技術在工程項目中的研究是走在前面的。歐洲核子研究中心的大型環(huán)形電子對撞機控制測量，GPS定位精度亦達毫米級；美國早在1984年的斯坦福粒子加速器的工程測量中采用GPS定位技術，平差后其平面位置精度達1-2mm,高程精度達2-3mm；1987年橫跨英吉利海峽的歐洲海底隧道工程開工，隧道深入海底40m，工程全長50km,當采用經典大地測量方法時，隧道縱橫向誤差為4×，而后來采用GPS進行控制測量得到隧道縱橫向誤差1×了，既減少了工程費用，又大大提高了工程質量。在礦山控制測量中，GPS網的布設是非常靈活的。它免除了測角、邊角同測和測邊網等的傳統要求。它不需要點間通視,不需要考慮布設什么樣的圖形,也就不需要考慮圖形強度,不需要設置在制高點上(哪里需要就可以設置在哪里)。尤其在高山高原地區(qū),GPS做控制測量大大提高了工作效率,縮短了工期,節(jié)省了大量的人力、物力。通過國內外GPS的應用測量,充分體現了GPS技術精度高,設備適合野外作業(yè),操作簡單、高度集成的特點。盡管野外干擾因素多,但由于GPS計算軟件的功能強大,在自動處理數據方法的同時,輔以人工干預模式,通過一系列數據預處理、檢核、GPS網平差,通過三維無約束平差、二維約束平差、GPS高程擬合,同樣獲得高精度GPS點。1.3本文主要研究的問題GPS技術作為一項20世紀后期的高新技術，將在21世紀有著廣闊的應用前景。尤其是在測量領域的控制測量中得到廣泛的應用，主要是改變了傳統的測量作業(yè)工作方式，大大提高了工作效率，也帶來了可觀的經濟效益。本文主要以礦區(qū)地形控制測量為例，闡述GPS在礦山控制測量中的作業(yè)流程、布網原則、分析了載波相位差分定位的原理、測量數據的內業(yè)處理方法和技巧（以中海達GPS所配套的處理軟件）、該工程項目控制網的精度分析、誤差來源分析及處理、GPS在地形測量應用中的坐標系轉換問題、更好地利用GPS測量的大地高問題等，進行一些探討。2GPS衛(wèi)星定位系統2.1GPS的系統組成GPS全球定位系統由空間衛(wèi)星群和地面監(jiān)控系統兩大部分組成．除此之外，測量用戶當然還應有衛(wèi)星接收設備。GPS的用戶部分由GPS接收機，數據處理軟件及相應的用戶設備如計算機、氣象儀器等組成，其作用是接收GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號，利用信號進行導航定位等。在測量領域，隨著現代的科學技術的發(fā)展，體積小、質量輕便于攜帶的GPS定位裝置和高精度的技術指標為工程測量帶來了極大的方便。圖2—1GPS系統組成2.2GPS的工作原理GPS系統是一種采用距離交會法的衛(wèi)星導航定位系統。如圖l所示：在需要的位置Q點架設GPS接收機，在某一時刻同時接收了分別位于A，曰，C的3顆GPS衛(wèi)星所發(fā)出的導航電文，通過一系列數據處理和計算可求得該時刻GPS接收機至GPS衛(wèi)星的距離AQ，BQ，CQ，同樣通過接收衛(wèi)星星歷可獲得該時刻這些衛(wèi)星在空間的位置(三維坐標)，從而用距離交會的方法求得Q點的三維坐標（XQ，YQ,ZQ），其數學式為：AQ2=（XQ-XA)+(YQ-YA)+(ZQ+ZA),BQ2=（XQ-XB)+(YQ-YB)+(ZQ+ZB),CQ2=（XQ-XC)+(YQ-YC)+(ZQ+ZC),(Xc，Yc，Zc)分別為3顆衛(wèi)星在該時刻的空間直角坐標。在GPS測最中通常采用兩類坐標系統，一類是在空間同定的坐標系統，另一類是與地球體相固聯的坐標系統，稱地固坐標系統，我們在工程控制測量中常用地固坐標系統。(如：WGS一54世界大地坐標系和1985年北京大地坐標系。)在實際使用中需要根據坐標系統間的轉換參數進行坐標系統的變換，來求出所使用的坐標系統的坐標。這樣更有利于表達地面控制點的位置和處理GPS觀測成果，因此在測量中被得到了廣泛的應用。2.3GPS測量的技術特點相對于常規(guī)的測量方法來講，GPS測量有以下特點：(1)測站之間無需通視。測站間相互通視一直是測量學的難題。GPS這一特點，使得選點更加靈活方便。但測站上空必須開闊，以使接收GPS衛(wèi)星信號不受干擾。(2)定位精度高。一般雙頻GPS接收機基線解精度為5mm+1×10-6，而紅外儀標稱精度為5mm+5×10-6，GPS測量精度與紅外儀相當，但隨著距離的增長，GPS測量優(yōu)越性愈加突出。大量實驗證明，在小于50km的基線上，其相對定位精度可達12×10-6，而在100～500km的基線上可達10-6到10-7。(3)觀測時間短。觀測時間短采用GPS布設控制網時每個測站上的觀測時間一般在30～40min，采用快速動態(tài)定位方法，觀測時間更短。例如使用(Hi-Target)8200CPS接收機的RTK法可在5s以內求得測點坐標。(4)提供三維坐標。GPS測量在精確測定觀測站平面位置的同時，可以精確測定觀測站的大地高程，且其高程精度可滿足四等水準測量的要求。(5)操作簡便。GPS測量的自動化程度很高。目前GPS接收機已趨小型化和操作“傻瓜”化，觀測人員只需將天線對中、整平，量取天線高打開電源即可進行自動觀測，利用數據處理軟件對數據進行處理即求得測點三維坐標。而其它觀測工作如衛(wèi)星的捕獲，跟蹤觀測等均由儀器自動完成。（6)全天候作業(yè)。GPS衛(wèi)星數目多，且分布均勻，可保證在任何時間、任何地點連續(xù)進行觀測，一般不受天氣狀況的影響。2.4GPS在地形控制測量中的作業(yè)流程GPS測量與常規(guī)測量相類似,在實際工作中也可以劃分為方案設計，外業(yè)實施以及內業(yè)數據處理三個階段。GPS網技術設計的主要依據是GPS測量規(guī)范和測量任務書。GPS網的布設應注意以下幾個問題：（1）除了特殊情況,一般GPS基線長度相差不要過大,這樣可以使GPS測量的精度分布均勻；（2）GPS網中不要有孤立點,應構成封閉式閉合環(huán)網；（3）應盡量將點位布設在環(huán)視比較開闊的地方,以消除多路徑影響和便于接收衛(wèi)星信號；避開強電磁波干擾,并且在接收機工作時不得在其周邊10m范圍內用對講機和手機。GPS測量誤差來源可分為三大部分：（1）GPS信號的自身誤差,包括軌道誤差(星歷誤差)和SA,AS影響；（2）GPS信號的傳輸誤差,包括太陽光壓,電離層延遲,對流層延遲,多路徑傳播和由它們影響或其他原因產生的周跳；（3）GPS接收機的誤差,主要包括中誤差,通道間的偏差,鎖相環(huán)延遲,碼跟蹤環(huán)偏差,天線相位中心偏差等。對于GPS控制網基線測量,基線長度較短的情況下(最大不超過30km),GPS的軌道誤差,太陽光壓影響及美國SA技術基本對測量精度不發(fā)生影響(它只能影響單點定位和長基線測量結果)?；€長度在20km~30km的GPS控制網,采用單頻GPS接收機測量的效果比較好,完全能滿足礦山測量的需要；GPS高程測量也能代替四等水準測量,當施工、建設對高程要求較高的情況下,要慎用GPS高程。作業(yè)過程中,在GPS接收機滿足作業(yè)精度要求的情況下,測量的主要誤差源是多路徑誤差、周跳和點位的對中誤差。在進行GPS外業(yè)工作之前,必須做好實施前的測區(qū)踏勘,資料手機，器材籌備，觀測計劃擬定，GPS儀器檢校以及設計書編寫等。GPS測量外業(yè)實施包括GPS點的選埋，觀測，數據傳輸以及數據處理。3GPS網的布設與施測3.1測區(qū)介紹與布設原則本次GNSS控制測量測區(qū)位于遷安市西部首鋼礦區(qū)大約90平方公里，主要以礦區(qū)和山區(qū)為主，分為：杏山采區(qū)，大石河采區(qū)，菜園采區(qū)，二馬采區(qū)，羊崖山采區(qū)，裴莊采區(qū)，柳河峪采區(qū)，水場采區(qū)等八個首鋼礦區(qū)。有公路和鐵路均勻分布在各測區(qū)之間，交通便利，有利于施測。本次GNSS控制測量主要用于后續(xù)1：2000地形圖測量。如下圖3-1所示：圖3—1首鋼礦區(qū)分布圖GPS控制網布網設計，必須按GPS測量規(guī)范實施。其設計的一般原則為：(1)圖形閉合。即GPS控制網網一般應有足夠的獨立觀測邊構成閉合圖形，以增強圖形自身強度和增加平差檢核條件，以提高觀測質量，即必須有足夠的閉合環(huán)。(2)有必要的一定數量的點位重合，以方便由已知點推算待測點，。GPS網站點應與原有地面已知控制網點有足夠的重合，并力求重合點在整個控制網中均勻分布，以便可靠地確定GPS網與地面網之間的轉換參數。網點還應與一定的水準點重合，或在網中布設一定密度的水準點，以便為大地水準面的計算和研究提供資料和參考。(3)視野開闊。GPS網點一般應設在視野開闊和容易到達的地方，一般確保測站點仰角15°以上區(qū)域周圍無明顯的遮擋物。若需用此點按常規(guī)方法聯測或擴展控制網時，應注意滿足網點之間間通視的通視條件。3.2GPS誤差來源以及GPS網的精度要求3.2.1GPS的誤差來源GPS測量誤差按其生產源可分3大部分：GPS信號的自身誤差，包括軌道誤差(星歷誤差)和SA，AS影響；GPS信號的傳輸誤差，包括太陽光壓，電離層延遲，對流層延遲，多路徑傳播和由它們影響或其他原因產生的周跳；GPS接收機的誤差，主要包括鐘誤差，通道間的偏差，鎖相環(huán)延遲，碼跟蹤環(huán)偏差，天線相位中心偏差等。有關部門提供一定精度的衛(wèi)星軌道，以廣播星歷形式發(fā)播給用戶使用，從而已知觀測瞬間所觀測衛(wèi)星的位置，因而衛(wèi)星軌道誤差與星歷誤差是一個含義。衛(wèi)星星歷誤差又等效為偽距誤差。由于衛(wèi)星軌道受地球和日、月引力場、太陽光壓、潮汐等攝動力及大氣阻力的影響，而其中有的是隨機影響，而不能精密確定，使衛(wèi)星軌道產生誤差。目前，GPS衛(wèi)星軌道誤差的等效偽距誤差(使用的衛(wèi)星廣播星歷)為4.2m。美國的SA政策和AS政策人為地使導航定位的精度降低，點位誤差有時達到100m?？刂凭W的靜態(tài)GPS測量是利用載波相位測量，一般是由一個點設為已知點與一個待定點位同步觀測GPS衛(wèi)星，取得載波相位觀測值，從而得出待定點位的坐標或兩點間的坐標值，稱為基線測量，短基線測量可以消除SA影響。動態(tài)測量解決SA影響的途徑是實時差分定位(稱Real-timeDGPS),即在已知坐標點上布設基準點，通過基準站取得誤差校正值，通過數據鏈實時傳給導航定位的移動站，從而消除SA影響及兩站的各種共同的誤差，提高了移動站的導航定位精度。加濾波等處理的導航軟件以及組合導航系統，已使導航定位精度差分距離在100km左右時達到亞米級，差分距離遠于1500km時達到米級。SA技術是選擇可用性(SelectiveAvailability)的簡稱，它是由兩種技術使用戶的定位精度降低，即δ（dither）技術和ε(epsilon)技術。δ技術是人為地施加周期為幾分鐘的呈隨機特征的高頻抖動信號，使GPS[]衛(wèi)星頻率10.23MHz加以改變，最后導致定位產生干擾誤差，ε技術是降低衛(wèi)星星歷精度，呈無規(guī)則的隨機變化，使得衛(wèi)星的真實位置增加了人為的誤差。AS技術(Anti-Spoofing)叫反電子欺騙技術，其目的是為了在和平時期保護其P碼，不讓非授權用戶使用；戰(zhàn)時防止敵方對精密導航定位作用的P碼進行電子干擾。AS技術使得用C/A碼工作的用戶無法再和P碼相位測量聯合解算進行雙頻電離層精密測距修正，實際降低了用戶定位精度。太陽光壓對衛(wèi)星產生攝動影響衛(wèi)星的軌道，它是精密定軌的最主要誤差源。太陽光壓對衛(wèi)星產生的攝動加速度受太陽與地球間距離的變化(地球軌道偏心距)而引起太陽輻射壓力的變化，也與太陽光強度、衛(wèi)星受到的照射面程和照射面積與太陽的幾何關系及照射面的反射和吸收特性有關，由于衛(wèi)星表面材料的老化、衛(wèi)星姿態(tài)控制的誤差等也使太陽光壓發(fā)生變化。已有的太陽光壓改正模型有：標準光壓模型、多項式光壓模型和ROCK4光壓攝動模型，這幾種光壓模型精度基本上相當，可以滿足1m定軌的要求。最近有人提出，用附加隨機過程參數的方法或者對較長的軌道用一階三角多項式逼近非模型化的長期項影響，可得到更理想的結果，甚至可以滿足0.1～0.2m精多路徑誤差是指GPS信號射至其他的物體上又反射到GPS接收天線上，對GPS信號直接射至GPS接收天線上的直接波的干擾。多路徑誤差的大小，取決于反射波的強弱和用戶天線抗衡反射波的能力。用戶天線附設仰徑板，當仰徑板半徑為40cm,天線高于1m至2m,可抑制多路徑影響。據大量資料的分析統計，多路徑誤差有以下危害：①當邊長小于10km時，主要誤差源是天線的對中誤差和多路徑誤差；②多路徑誤差對點位坐標的影響，在一般環(huán)境下可達5～9cm，在高反射環(huán)境下可達15cm；③在高反射環(huán)境(城鎮(zhèn)、水體旁、沙灘、飛機、艦船等)下，碼信號受多徑誤差的影響，可導致接收機的相位失鎖；④實踐證明，觀測值中的很多周跳都是由于多路徑誤差引起的。接收機天線附近的水平面、垂直面和斜面都會使GPS信號產生鏡反射。天線附近的地形地物，例如道路、樹木、建筑[]物、池塘、水溝、沙灘、山谷、山坡等都能構成鏡反射。因此，選擇GPS點位時應特別注意避開這些地形地物，采取提高天線高度和其他防止多路徑誤差的措施。3.2.2GPS網基本精度本工程的GPS控制測量是用做山區(qū)礦山測圖之用，要求精度達到D級別，考慮到本工程項目的精度需要及所采用儀器設備、技術條件等影響實際精度的多種因素，GPS平面網的精度指標按《全球定位系統(GPS)測量規(guī)范》(GB/T18314-2001)中GPSD級網相鄰點間距離的標準差指標要求確定。因此依照GPS測量規(guī)范將本次GPS測量作業(yè)的基本技術要求如下（表3-1）：表3-1GPS測量基本技術要求表D132015度1.6≥1060s101020GPS網相鄰點間弦長精度用下式計算=式3-1GPS基線向量的弦長中誤差（也稱作等效距離誤差，單位為毫米），；a固定誤差（接收機標稱精度，單位是毫米）；b比例誤差系數（接收機標稱精度，單位是毫米）；d網中相鄰站點間的距離（單位為公里）；3.3選點與施測3.3.1選點由于GPS測量觀測點之間不要求相互通視，而且網形結構也比較靈活，所以選點工作比常規(guī)控制測量的選點要簡便。但由于點位的選擇對于保證觀測工作的順利進行和保證測量結果的可靠性有著至關重要的意義，因此在選點之前，除了收集和了解有關測區(qū)的地理情況和原有測量控制點的分布及保存情況外，我們還遵守和顧及以下原則：（1）點位都設在易于安裝架設接收機，視野開闊的較高點上；（2）點位目標顯著，其周圍15度以上沒有大面積的障礙物，以減少GPS信號被遮擋或被障礙物吸收；（3）測區(qū)有許多通向礦區(qū)的高壓線路和市電線路，由于高壓線路等產生的電磁場會干擾GPS信號，所以我們選點都在離其約50到100m以外的地方；（4）由于測區(qū)為矩形，布設出的網形有利于同步觀測邊，同步觀測點的聯結。圖3-2控制網分布3.3.2施測 由上面可知，盡管各個待測點布設在交通較方便的公路周圍，且均勻覆蓋測區(qū)，但測區(qū)范圍較大，到達點位仍需在路上要花費許多時間。為了提高作業(yè)效率，本次采用五臺GPS接收機，測量人員五個，沿著公路依次架站，每一時段結束后，保持其中兩臺或一臺接收機不動，其他臺站接收機裝車，到接下來的待測點上觀測，依次類推，從最北邊的二家院子到最南邊的大公山點結束。具體的方案如下：（1）本次工程采用中海達HD8200E一體化藍牙靜態(tài)GPS接收機，其主要指標如下表表3-2HD8200E儀器指標（2）每一測站進行嚴格對中整平，確保在測量中接收機的穩(wěn)定性。（3）認真填寫外業(yè)記錄紙，標明該接收機編號，時段號按照A，B，C…依次排列，用鋼卷尺從三個方向量取儀器高，并求平均值。（4）每一時段開關機時間統一安排，并在準確、清楚地記錄在手薄中，每一時段觀測時間長度在45分鐘以上，保證觀測數據的可靠性。（5）在觀測過程中，定期觀察接收機顯示的可用衛(wèi)星數量，并記錄。若衛(wèi)星數少于4個，則通知其他站點停止觀測，查出原因，要么是周圍山峰遮擋，要么是此時衛(wèi)星分布不好，適當的進行測點移位或等待一段時間再觀測。（6）為了保證觀測基線的質量和控制網整體精度，觀測過程中均采用“邊聯式”和“點聯式”的混合方式，即：每一時段結束后，保持其中兩臺或一臺接收機不動。（7）由于測區(qū)條件的限制，控制網中出現了一些短邊基線（100m）和有小角度的閉合環(huán)，這對精度提高不利，因此，在兩個時段連接處架設接收機，與大部分待測點構成較長基線(10km)，以提高點位精度。當整個任務完成之后將觀測數據及時地傳輸到計算機中，用專業(yè)軟件平差。4GPS數據的處理4.1基線解算基線處理是GPS數據處理的重要環(huán)節(jié)，基線解算質量對GPS定位結果有很大影響。利用HDS2003先將原始的觀測數據通過天線與計算機連接傳出來，其文件格式是以“.ZHD”為后綴的，從原始記錄中，通過解碼將各種數據分類整理，剔除無效觀測值和冗余信息，形成各種數據文件，如星歷文件，觀測文件和測站信息文件等。在解算之前我們先看看基線的組成，任意兩個靜態(tài)觀測文件，只要它們具有相同的觀測時段，那么,它們就能構成一條靜態(tài)基線。如下圖所示（圖4-1）：1123BA圖4-1靜態(tài)基線原理三個靜態(tài)觀測文件（1、2、3）之間根據它們的觀測時間關系構成了兩條基線A和B。在HDS2003數據處理軟件中，靜態(tài)基線名是由起算測站名和推算測推算測站的時段名構成。處理數據時，創(chuàng)建完新的項目必須先要進行項目屬性設置：如“施工單位，測量人，日期等”這些都要寫清楚的，需要備案和以后進行，更重要的是控制網等級的確定，根據不同的精度要求選擇合適的等級，一般分為AA，A，B，C，D，E級。圖4-2控制網設置該工程項目控制點是用來測地形圖的，所以我們選擇D等級。圖4-3就是坐標系統及其投影參數的設置，我們希望解算平差出來的坐標是北京54坐標系，那么在坐標系欄應選擇“北京-54”，也可以在系統中自定義坐標系，只要知道該地區(qū)的中央子午線的數值，參考橢球的長半軸a和橢球扁率就行，北京地方坐標系所定義的中央子午線是30ˊ00"，當然投影方式選擇高斯投影3度帶。圖4-3坐標系統設置在主菜單“靜態(tài)基線（S）”中選擇“靜態(tài)處理設置”，則常用選項中出現“數據采樣間隔，衛(wèi)星截止高度角等”。圖4-4靜態(tài)基線處理設置一般GPS靜態(tài)數據采樣間隔默認為60，所謂歷元間隔，就是在基線處理時，軟件從原始觀測數據中抽取數據的間隔。儀器在作靜態(tài)觀測時，設置為每5秒采集一組數據，但在內業(yè)處理時，這么高密度的觀測數據通常并不能顯著提高基線的精度，反而會大大增加基線處理的時間。因此，為提高基線處理的速度，增大數據處理的采樣間隔。通常認為，對于短邊，且觀測時間較短時，可適當縮小采樣間隔，而對于長邊，可適當增大采樣間隔。單從大氣層折射的角度來看，對于短距離的觀測，可以降低高度截止角；而對于長距離的觀測，應該加大高度截止角，因為距離越短，大氣折射影響越容易相互抵消。在野外觀測時，應根據衛(wèi)星分布狀況降低高度截止角，以采集盡量多的數據，方便處理。在數據處理的過程中，常常要將一些不合格的數據當作粗差剔除。當觀測值偏離模型值超過（粗差容忍系數×RMS）時，就認為這組觀測值為粗差?？梢?，這個系數太大或者太小都會影響觀測數據剔除的標準。本次工程我們采用數值3.5，如上圖4-4.（1）作好上述準備后，執(zhí)行“基線處理”菜單下的“處理全部基線”，程序開始依次逐條處理全部基線，軟件處理基線的步驟程序如下圖4-5所示：圖4-5基線處理后臺三差解算是將雙差觀測值在歷元間進行相減，組合成三差觀測值，建立觀測方程，進行解算，得到三差解。但是對于較短的邊，三差解的精度往往不高，通常三差解的目的在于得到比較近似的基線邊，便于進行周跳修復。而周跳的修復往往是基線處理軟件需要解決的主要問題，基線解算的關鍵在于找到正確的整周模糊度，能夠求解整周模糊度的前提是接收機對載波相位的連續(xù)跟蹤，但是接收機不可能總是連續(xù)跟蹤載波相位，遮擋、干擾等都會造成對載波相位的跟蹤中斷，從而使歷元之間的載波相位觀測值出現所謂的周跳。處理基線中，解算整周模糊度的能力與基線的長度有關，獲得全部模糊度參數整數解的結果稱為雙差固定解，只獲得雙差模糊度參數浮點解的結果稱為雙差浮動解，對于較長的基線，浮動解也不能得到較好的結果，只能用三差解。雙差浮點解：算若共觀測到N顆衛(wèi)星的信號，則雙差觀測方程組將比三差觀測方程組增加N-1個未知數，雙差解得到更進一步的未知點坐標和以浮點數表示的整周模糊度。理論上，整周模糊度應為整數，但由于其在解算時吸收了觀測噪聲以及其它未模型化的誤差，因此通常只能得到一個浮點數。該浮點數往往與實際的整數有一定的偏差，有時偏差甚至達到幾周。一般說來整周模糊度分解，在足夠長的同步觀測時間和得到足夠多的觀測數據的情況下，僅靠取整也可以得到正確的整周模糊度，但采用快速求解整周模糊度（FARA，FastAmbiguityResolutionApproach）方法和LAMBDA方法，可以提高工作效率，大大地縮短觀測時間。軟件在實際處理過程中出現的信息框中分別列出了各條解算基線的名稱、基線解算的進度、以及各條基線解算的信息。基線解算是以多線程方式在后臺運行的。在運行過程中，在計算區(qū)中可看到基線的Ratio值，均方根誤差RMS等信息。點擊右鍵，彈出菜單中可選擇“停止”，從而停止基線的解算。以下是本次解算時出現在計算區(qū)中的信息：圖4-6基線解算信息按照以上的處理基線設置軟件會自動處理完畢所有的基線。（2）處理不合格基線：當各個解算基線以列表形式出現時，若其前面出現紅的“！”表明該基線的解算不合格。圖4-7GPS觀測數據圖這樣就不能進行其他工作，通過觀測數據頁可以分析觀測數據情況以及其質量好壞。更重要的是，可以在觀測數據圖內編輯時段（虛線框中的數據將被屏蔽，不被軟件處理）以重復處理這條基線，見圖4-7。在觀測數據圖中編輯時段時，可將以下情況的時段刪除或不參與平差：（1）段數據斷斷續(xù)續(xù)，表明接受機在跟蹤衛(wèi)星時出現失鎖，數據質量差；（2）段數據短，出現不完整的應該刪除，以保證各個衛(wèi)星有足夠的相同的觀測時段；也可以在基線列表中點擊某一基線，單擊右鍵點“選定基線處理設置”出現的對話框中改變該基線的數據采樣間隔，衛(wèi)星截止高度角等，然后在對此基線進行單獨處理。還可以看基線精化處理的有力工具--殘差圖。在基線解算時，經常要判斷影響基線解算結果質量的因素，或需要確定哪顆衛(wèi)星或哪段時間的觀測值質量上有問題，殘差圖對于完成這些工作非常有用。所謂殘差圖就是根據觀測值的殘差繪制的一種圖表。在操作中選擇上一組、下一組可見各個雙差組合的殘差，如圖4-8所示：圖4-8殘差圖上圖是一種常見雙差分觀測值殘差圖的形式，它的橫軸表示觀測時間，縱軸表示觀測值的殘差，正常的殘差圖一般為殘差繞著零軸上下擺動振幅一般不超過0.1周。4.2網平差基線解算都合格后，接下來進行網平差HDS2003數據處理軟件能實現自由網平差、三維約束平差、二維約束平差、高程擬合的基本方法，，另外還可以進行邊角網的平差。下圖4-9為HDS2003數據處理軟件進行網平差的基本步驟，從圖中可以看到，網平差實際上可以分為三個過程：（1）期的準備工作，這部分是用戶進行的。即在網平差之前，需要進行坐標系的設置、并輸入已知點的經緯度、平面坐標、高程等；（2）平差的實際進行，這部分是軟件自動完成的；（3）對處理結果的質量分析與控制，這部分也是需要我們分析圖4-9網平差過程由此可見，軟件只是實現了網平差的解算，更重要的是需要用戶參與，并最終做出正確的判斷。應當說明的是，整個平差結算通常是一個反復的過程。在進行網平差設置之前，應檢查坐標系的設置是否正確。本次工程項目的測區(qū)是在河北遷安，而且解算平差出來的坐標屬于北京54坐標系統，需要專門設置中央子午線（30′00″）、x和y方向的加常數等。坐標系的設置可在工具菜單下的坐標系管理中進行，在解算中具體的坐標設置如下：坐標系名稱：北京54坐標系橢球長半軸：a=6378245.000000橢球扁率：f=1/298.300000(采用的是北京54坐標系統的規(guī)定的橢球參數)投影名稱：高斯投影帶尺度：1.000000投影高：0.000000X加常數：0.000000Y加常數：500000.000000中央緯度：0中央子午線：30′00″4.3高程擬合最后進行高程擬合平差：利用GPS觀測量獲取待測點高程數據，將能較大提高測量效率。但是由于采用GPS觀測所得到的是大地高，為了獲得我們常用的正常高結果(可視為海拔高程)，需要采用GPS測高結合水準高程測量的方法進行GPS高程擬合，求取高程異常數據，進而獲得正常高。GPS高程擬合法就是利用在范圍不大的區(qū)域中，高程異常具有一定的幾何相關性這一原理，以水準高程為基準，把經過GPS測量和水準測量的控制點，根據兩者的高差值，采用建立數學曲面模型的方法，求解正常高H，或高程異常ζ，高程擬合的方法，是一種純幾何的方法，因此，一般僅適用于高程異常變化較為平緩的地區(qū)(如平原地區(qū))，其擬合的準確度可達到一個分米以內。對于高程異常變化劇烈的地區(qū)(如山區(qū))，這種方法的準確度有限，這主要是因為在這些地區(qū)，高程異常的己知點很難將高程異常的特征表示出來。GPS高程擬合計算可采用多項式函數擬合或多曲面函數擬合等方法進行。GPS高程擬合大多采用二次多項式函數法進行計算，即高程異常ζ的計算公式為如下的二次多項式,ζ=+×dB+×dL+×+×dB×dL+×（式4－1）式中：dB=B—dL=L—B、L為GPS測量的大地緯度和經度；、為中心化點緯度和經度，即=∑B（式4－2）=∑L（式4－3）n為參加GPS擬合計算的控制點數。在測區(qū)范圍內，通過設置若干同時測定GPS大地高和水準正常高的GPS高程擬合公共點，計算出該點的高程異常ζ。對于m(m>6)個公共點，可以依據公式列出m個方程，即有：V=AX+L（式4－4）其中X=V=通過最小二乘法求解出多項式的系數XX=—（式4－5）通過求取到等的參數，對于任意高程未知的控制點只要對該點進行GPS測量，測定其大地坐標(經緯度)B和L.即可按公式4－1求出高程異常ζ值。并在求出高程異常以后，即可用=H—ζ求出該點正常高系統下的高程值。如果在網平差設置時選擇了水準擬合，并且至少對一個在基線向量網中的觀測站點進行了BLH或XYH或H中的水準高程約束，這樣，在進行網平差時將進行三維約束平差。參數為：迭代次數：2網的參考因子：84.1888參考點：BYZ_H=+A+B*x+C*yA=57.3874B=0.000274025C=1.44272E-005表4-3部分點平差高程及其中誤差點名高程中誤差(m)GS__84.77030.0221MSA_154.63490.0252S100107.78880.0356S101126.91580.0382S102130.41800.0408S103195.47150.0403S104161.52470.0421S105120.78030.0240S106130.55530.0245S107217.07440.0354S108220.94000.0343從表4-3可以看出各個點的擬合高程中誤差平均值均大約為3cm，這是由該地區(qū)附近已知點不夠多（只有NYM,HTZ和BYZ三點），而且山區(qū)的地勢起伏較大，地形復雜所造成的，但對于礦區(qū)的數字測圖工作其精度是滿足的。4.4坐標系統以及轉換在整個數據解算過程中，坐標系統的轉換是貫徹始終的，是平差過程中的重點和難點，正確、深入地理解和掌握測量坐標系統的定義和各系統之間的轉換原理和算法是必要的。1987年1月10日開始統一采用WGS84世界大地坐標系(WorldGeodeSystem)記錄GPS測量成果，從此取代了1987年以前所采用的WGS-72坐標系WGS-84坐標系是由美國國防部制圖局依據TRANSIT衛(wèi)星定位測量成果而建的一種協議地球坐標系（CTS,ConventionalTerrestrialSystem)。它是GPS衛(wèi)星密星歷和廣播星歷的參考系。WGS84坐標系的建立在理論上是一個以地球質心為坐標原點的地心坐系，其坐標系的定向與BIH1984.0所定義的方向相同，其中X軸指向BIH1984的零度子午面與CTP赤道的交點，Z軸指向此BIH系統所定義的協議地極（CTP）的方向。由于WGS84所定義的地球質心與由BIH臺站坐標所定義的地心不完一致，因此，WGS84所相應的地球赤道面與BIH所定義的赤道面并不重合，是保持平行。WGS84的格林威治子午面也與BIH所規(guī)定格林威治子午面相平行,于是WGS84的X軸即為WGS84赤道面與WGS格林威治子午面的交線。Y軸指向按右手法則確定。WGS84通過美國海軍導航衛(wèi)星系統(NNSS)在坐標原點、尺度因子、經度零點等定義上作了一系列的改進，以與BIH于1984年所定義CTS相一致。除了三維直角坐標系之外，WGS84還定義了一個地球重力模型、一個平橢球以及與其他大地參考系間的變換參數。WGS84橢球屬于一個定位在地心旋轉等位橢球，該橢球的中心和坐標軸指向是與WGS空間直角坐標系相一致的WGS-84橢球的任意一點的大地經緯度(B,L)和大地高（H）是與其三維空間直坐標(X,Y,Z)等價的表達形式或者說是兩者之間的變換關系式為：X=(N+H)Y=(N+H)Z=[N(1—)+H]（式4-7）其中N=（式4-8）其逆變換式很容易得到：L=acrtanB=acrtanH=—N（式4-9）WGS84橢球基本參數以及主要幾何和物理常數如下：（1）地球橢球基本參數：長軸半徑：a=6378137m地球引力常數(含大氣層)：GM=3986005×正?；A帶諧系數：=-484.16685×地球自轉角速度：ω=7292115×（2）主要幾何和物理常數：短軸半徑：b=6356752.3142m扁率：a=1/298.257223563第一偏心率平方：e2=0.00669437999013第二偏心率平方：e'2=0.006739496742227橢球正常重力位：=62636860.8497m赤道正常重力：=9.9703267714m在經典大地測量中，為處理地面控制網的坐標，通常選取一參考橢球面作基本參考面，選一參考點作為大地原點，通過天文測量確定其參數，其原點一不與地球質心重合，而是位于地球質心附近，這種坐標系稱為參心坐標系。參心坐標系的主要特點是它與參考橢球體的中心(即參心)有密切關系。參考橢球體的中心，一般與地球質心不一致，因此，也稱之為非地心坐標系。參心空間直角坐標系是以參心O為坐標原點，以起始子午面與赤道的交線為x軸，以橢球的旋轉軸(短軸)為Z軸，向北為正，在赤道面上與X軸正交的方向為Y軸。構成右手直角坐標系O-XYZ地面點P的點位用(X，Y，Z)表示，它們是位置向量在三個坐標軸上的投影?？臻g一點的參心大地坐標用大地緯度B，大地經度L和大地高H來表示。地面點P的法線與赤道的夾角B，稱為P點的大地緯度，由赤道面起算，向南為負(0°～-90°)，稱為南緯，向北為正(0°～90°)，稱為北緯。P點的子午面與起始子午面所構成的二面角L,稱為P點的大地經度，向東為正(0°～180°)，稱為東經，向西為負，稱為西經。P點沿法線方向到橢球面的距離，稱為P點的大地高H。大地高H與常用的正高，或正高H＇的關系是：H=+H=H’+ξN表示大地水準面差距，它是相應點沿鉛垂線自大地水準面至橢球面的離；ξ表示高程異常，它是自大地水準面至橢球面的距離。參心坐標系主要包括參心空間直角坐標系和參心大地坐標系。一個國家(或地區(qū))選擇一定元素的參考橢球，對參考橢球進行定位和定向，獲得大地原點的大地起算數據和基準面，就建立了一個國家坐標系。中國測量領域的大部分數據資料都是基于1954年北京坐標系或1980年西安坐標系。北京54坐標系可以認為是前蘇聯1942年坐標系的延伸。它的原點不在北京而在前蘇聯的普爾科沃，相應的橢球為克拉索夫斯基橢球。其基本參數為：長軸半徑a=6378245m短軸半徑b=6356863.0188m扁率α=1/298.3第一偏心率平方e2=0.006693421622966第二偏心率平方e'2=0.006738525414683雖然大量的測繪任務和工作是在北京54坐標系統的基礎上完成的，但隨著測繪新理論、新技術的不斷發(fā)展，該坐標系的缺點便出現了：（1）橢球參數有較大的誤差?？死鞣蛩够鶛E球參數與現代精確的橢球參數相比，長半軸約大109m。（2）參考橢球面與我國大地水準面存在著自西向東明顯的系統性的傾斜，在東部地區(qū)大地水準面差距最大達+68m。這使得大比例尺地圖反映地面的精度受到影響，同時也對觀測元素的歸算提出了嚴格要求。（3）幾何大地測量和物理大地測量應用的參考面不統一。我國在處理重力數據時采用赫爾默特1900年～1909年正常重力公式，與這個公式相應的赫爾默特扁球不是旋轉橢球，它與克拉索夫斯基橢球是不一致的，這給實際工作帶來了麻煩。（4）定向不明確。橢球短軸的指向既不是國際上較普遍采用的國際協議原點CIO(ConventionalInternationalOrigin)，也不是我國地極原點JYD起始大地子午面也不是國際時間局BIH所定義的格林尼治平均天文臺子午面，從而給坐標換算帶來一些不便和誤差。1980年西安坐標系是在1954年北京坐標系的基礎上，綜合利用天文、大與重力測量成果，按照多點定位方法建立起來的。新的大地原點設在陜西省澤陽縣永樂鎮(zhèn)，位于西安市西北方向60km,簡稱西安原點，相應的坐標系稱為1980年西安坐標系，也成為1980年國家大地坐標系。該坐標系采用的地球橢球基本參數以及主要幾何和物理常數如下：（1）參考橢球基本參數：長軸半徑：a=6378140m地球引力常數(含大氣層)：GM=3986005×二階帶諧系數：J2=1082.63×地球自轉角速度：ω=7292115×（2）主要幾何和物理常數：短軸半徑：b=6356752.2882m。扁率：α=1/298.257第一偏心率平方：e2=0.00669438499959第二偏心率平方：e'2=0.00673950181947橢球正常重力位：U0=62636830赤道正常重力：γ0=9.780318m1980年西安坐標系的橢球定位條件為：（1）橢球短軸平行于地球地軸(由地球地心指向1968.0地極原點（）的方向構成)；（2）起始大地子午面平行于格林尼治平均天文臺起始子午面；（3）橢球面同似大地水準面在我國境內最為密合。我國采用高斯投影，在該投影中，除中央子午線沒有長度變形外，其它位置上的任何線段，投影后均產生長度變形，而且離中央子午線愈遠變形愈大。為此一般通過分帶投影的辦法，以限制長度變形.我國規(guī)定采用6°帶或3°帶進行分帶投影，但是對于城市、工礦等工程測量中，若直接在國家坐標系中建立控制網有時會使地面長度的投影變形較大，當投影長度變形大于2.5cm/km時，就難以滿足工程上的要求。因此為滿足大比例尺測圖和進行施工放樣的要求，基于實用方便和科學的目的，通常采用自選的中央子午線，自選的計算基準面，即獨立平面坐標系。一般情況下，將地方獨立測量控制網建立在當地的平均海拔高程面上并以當地子午線作為中央子午線進行高斯投影求得平面坐標，建立地方獨立坐標系。地方獨立坐標系都有著獨立的原點和定向方式，是基于一個與當地平均海拔高程對應的參考橢球。該橢球的中心、軸向和扁率一般與國家參考橢球體相同，但其長半軸則有一個改正量。這個參考橢球稱為“地方參考橢球”。隨著空間技術的發(fā)展，通過衛(wèi)星大地測量進行洲際和國際大地聯測，并綜合地面天文、大地和重力資料，從而建立全球大地坐標系。但是目前世界上各個國家和地區(qū)存在有100多種地心坐標系和參心坐標系，地面上任一點，選用不同的坐標系就有不同的坐標。在我國，工程應用主要采用1954年北京坐標系、1980年西安坐標系和地方獨立坐標系。因此我國坐標轉換的問題歸結為WGS84坐標系向上述三種坐標系的坐標轉換問題，以及這三個坐標系的相互轉換問題。采用不同的參考橢球和定位定向建立的坐標系，均可以轉換為空間直角坐標。因此不同的參心坐標系之間的坐標轉換，以及地心坐標系和參心坐標系之間的坐標轉換，歸根到底都是不同的空間直角坐標系之間的換算。如果己知兩個不同的空間直角坐標系相應于某個轉換模型的轉換參數，只需要按照相應的轉換模型計算，即可完成坐標的轉換。但如果并不知道兩個坐標系闖的轉換參數，而只是己知兩個坐標系中部分公共點的坐標，則先根據這些已知的公共點在兩個坐標系中的坐標，根據最小二乘原理求定坐標系間的轉換參數，然后利用所求得的轉換參數對兩個空間直角坐標系進行坐標轉換。（1）空間直角坐標系的坐標轉換模型國內外大量的專家、學者對不同的空間直角坐標系之間的坐標轉換作了大量的研究.成熟的轉換模型有布爾薩-沃爾夫(Bursa-Wolf)模型、莫洛金斯基-巴代卡斯(Molodensky-Badekas)模型和范士（Veis)模型。這些模型雖然表示形式略有差別，但從坐標變換的最終結果而言，它們是等價的。這類模型共有七個變換參數，即三個平移參數，三個旋轉參數和一個尺度參數，所以也籠統的稱為七參數法。如果認為某些參數很小，則根據實際情況進行分析研究，剔除那些對轉換精度影響不顯著的參數，這就產生了三參數，四參數，五參數，六參數。其中三參數模型，一般只考慮三個平移參數，模型簡單，在理論上有一定缺陷，但是在部分領域能滿足一定精度要求，故也被采用。（2）轉換參數的求解法A三點法：對轉換參數的要求精度不高，或只有三個公共點時,可用三個點的9個坐標，列出9個方程，取其中的7個方程求解。多采用迭代的方法求解方程，因此效率比較低，難以同時具有較高的計算速度和一定的精度保證?？梢圆捎酶倪M方法來求解轉換參數：①取三個點在兩個坐標系中的坐標差的平均值作為平移參數。當某一個公共點相對精度較高時，取此點在兩個坐標系中的坐標之差作為平移參數。②由兩個點在兩個坐標系中的坐標，反算相應的邊長S和S＇,尺度參數m可取為m=,或者由三個點所求出的三條邊長計算出三個尺度參數，取平均值尺度參