GNSS静态测量的技术分析

本文介绍了常用规范中有关卫星定位静态测量的技术要求，并对各规范的不同技术要求进行了比较与分析。

卫星定位技术具有全球性、高效率、多功能、高精度的特点。卫星定位静态测量其定位精度高达10-6～10-7，广泛应用于各种类型和等级的控制网的建立。有关卫星定位测量(以下简称GNSS测量)常用的规范较多，各个规范分别从相应的专业标准制定了详细的GNSS测量技术要求，使GNSS测量的应用具有良好的可操作性，发挥了巨大的作用。下面就常用规范中有关GNSS静态测量的技术要求作一些比较与分析：

1、坐标系统

满足测区内投影所引起的长度变形值不大于2.5cm/km，是建立或选择平面坐标系的前提条件和基本准则;而确定控制网的位置基准则是GNSS网基准设计的主要问题，可根据测区的地理位置、平均高程来选择适宜的坐标系统。GNSS测量所获得的是空间基线向量或三维坐标向量，属于其相应的空间坐标系(WGS-84坐标系)。规范要求应将其转换至国家统一的高斯正形投影分带平面直角坐标系(2000国家大地坐标系、1954年北京坐标系、1980西安坐标系)或建筑施工坐标系等其他独立的坐标系的坐标。转换时通常应具备坐标系统相对应的参考椭球及基本参数、坐标系的中央子午线经度、坐标系的投影面高程及测区平均高程异常值、起算点的坐标和起始方位角以及纵、横坐标加常数等。

2、精度分级和技术设计

GNSS网精度指标通常采用相邻点的基线长度中误差公式：　来衡量，GNSS网的全中误差不应超过其理论值。按照精度和用途，《全球卫星定位系统(GPS)测量规范》(以下简称《GNSS国标》)把GNSS测量的等级划分为A、B、C、D、E五个等级，并按相邻点基线向量中误差的水平分量、垂直分量来衡量相应级别的精度。而其它规范则是采用传统的三角形网按边长和精度来划分等级，用最弱间接边的相对中误差来衡量精度。相比较而言，前者较抽象，后者虽然较直观，但是遗憾的是，大多数的GPS随机软件中给出的却是直接观测边的精度。技术设计是为了得到最优化的布测方案，应根据项目的实际情况、GNSS网的目的、精度要求、控制点的密度、卫星状况、接收机的类型和数量、道路交通状况以及测区已有测量资料等，依据国家有关规范(规程)，并按照优化设计的原则进行综合设计。

规范要求：GNSS网应由一个或若干个独立观测环构成，各同步图形之间采用边连式或网连式，避免出现自由基线。因为自由基线不参与构成几何闭合图形，不具备检查和发现观测成果中粗差的能力。限制最简独立环的边数是为了避免基线误差互相掩盖，含较大误差的边不能被有效地捡出，从而导致网的可靠性降低。要求对独立观测边构成的同步环和异步环进行闭合差检查，是为了检查观测质量、评定精度。

3、选点、埋石

如果点位不符合GNSS测量要求，将引起失锁、周跳、多路径效应误差，GNSS观测中的粗差及劣质观测值就增多。首先要求测站点的顶空开阔。由于GNSS卫星信号本身很微弱，所以GNSS测量选点时还应注意：避开周围的电磁波干扰源以保证GNSS接收机能正常工作;限制卫星高度角以减弱对流层的影响;远离强烈反射卫星信号的物体以减弱多路径效应的影响。规范要求应先进行图上技术设计和优化，并进行精度估算，最后再按技术设计的要求进行现场踏勘落实，对符合要求的旧有的控制点要充分利用。对GNSS点的标石和标志的埋设要求稳固，以易于长期保存、利用。

4、GNSS观测

GNSS接收机应在检定合格的有效期内使用，其标称精度应高于相应等级GNSS网的规范要求。由于双频接收机采用双频改正技术，可以很好地消除电离层折射误差的影响，所以基线边较长或等级较高的GNSS网采用双频接收机观测，精度提高尤为显著。为保证GNSS网中各相邻点具有较高的相对精度，网中距离较近的点一定要进行同步观测，以获得它们之间的直接观测基线。

各规范还对卫星截止高度角、同时观测的有效卫星数、时段长度、数据采样间隔率、PDOP值以及同步观测的接收机数目作了具体的规定。

随着卫星高度的降低，卫星信号接收的信噪比随之减小，对流层影响加大，测量误差也随之增大。各规范一般都要求卫星高度角不低于15°，这样可以在简化模型条件下保证所需的测量精度。

规定有效卫星数是因为同步观测的卫星越多，多余观测量就越多，成果精度也相应地提高。

观测时段长度和数据采样间隔率的限制是为了获得足够的数据量，从而有利于整周模糊度的解算和载波相位观测值周跳的探测。

PDOP值的大小与观测卫星在空间的几何分布有关，限制PDOP值是为了选择最佳的观测时间段，从而获得高精度的观测值。

有别于其他规范的重复设站数的规定，《工程测量规范》(以下简称《工规》)则提出了“独立基线的观测总数不少于必要观测基线数的1.5倍”的规定。笔者认为：这两种提法的根本都在于增加多余的观测基线。通常作业中，按仪器的标称精度约有3%　～5%左右的闭合差不合格，有了多余基线，那么就可以舍去不合格的基线，从而保证网的观测质量。对于GNSS观测时间的确定，笔者在作业中发现，GNSS卫星信号良好的时候，采用双频接收机进行城市四等和一级GNSS测量时，由于其边长相对较短，观测时段分别采用30～40分钟和20～30分钟是可行的，从而提高工作效率。

5、数据处理

数据处理包括基线解算、数据检验、无约束平差、约束平差和测量成果的数据输出。基线解算方案可采用多基线解或单基线解，长度小于15km的基线应采用双差固定解。观测数据要求进行数据删除率、同步环、异步环以及复测基线等的检核。为了考察GNSS网有无残余的粗差基线向量和其内符合精度以及提供全网平差后的地心系三维坐标要进行无约束平差。约束平差的目的是为了获取GNSS网在国家或地方坐标系的控制点坐标数据。

规范要求无约束平差中基线分量的改正数绝对值应满足：VΔX、ΔY、ΔZ≤3δ;约束平差中基线分量的改正数与经过剔除粗差后的无约束平差结果的同一基线的相应改正数较差应满足：dVΔX、ΔY、ΔZ≤2δ;复测基线的长度较差应满足：dS≤2　δ。而《公路勘测规范》则分别采用：VΔX、ΔY、ΔZ≤　δ;dVΔX、ΔY、ΔZ≤　δ。各规范还规定了平差成果的输出信息内容。

对于同一时段观测值的数据删除率，《GNSS国标》、《公路勘测规范》和《铁路工程卫星定位测量规范》(以下简称《GNSS铁规》)要求不大于10%;而《卫星定位城市测量技术规范》(以下简称《GNSS城规》)则要求不大于20%。对于GNSS网中的同步环闭合差，《工规》、《GNSS铁规》和《公路勘测规范》要求：WX、Y、Z≤　;Ws≤　;Ws≤　(《公路勘测规范》)。而《GNSS国标》和《GNSS城规》则要求：WX、Y、Z≤　;Ws≤　。因为《GNSS国标》和《GNSS城规》认为：超过三条边的多边形同步环，都可以由三边同步环组合得到，可以不重复检核。对于GNSS网中的异步环闭合差，《GNSS国标》和《GNSS铁规》要求：WX、Y、Z≤　;Ws≤　。《GNSS城规》和《工规》要求：WX、Y、Z≤　;Ws≤　。而《公路勘测规范》则要求：WX、Y、Z≤　;Ws≤　。

一般的GNSS接收机都配有相应的基线解算和平差软件，自动化程度较高，虽然其数据处理方法和精度稍有区别，基本能满足二等以下GNSS网的基线解算和平差计算要求。对于二等及以上等级的GNSS网，则应采用精密星历和高精度的软件进行。

6、成果资料

GNSS测量是基础性的测量成果，应长期保存，工作完成后，应提交完整的成果资料。包括：任务或合同书、技术设计书、已有成果资料的利用情况、仪器检校记录资料、点之记、外业原始观测记录、平差计算手簿、技术总结、检查报告、设计网图、观测网图、数据处理用图、成果图、坐标等成果资料及说明以及以上资料的电子文件光盘。

以上仅就常用规范中有关GNSS静态测量的技术要求作了一些浅显的比较与分析，在进行GNSS静态测量时，我们应根据项目的特点、精度和密度等要求，依据合适的规范进行设计、施测，以充分发挥GNSS技术的先进性、优越性。