GPS工程控制网的布设
在经典测量中，控制网的优化十分重要，它直接影响到最后成果的精度。GPS出现后，控制图的结构概念起了重大变化，原来的一些控制网方案的优化已不再适用，如何分析和讨论GPS网观测方案优化问题，便出现在测量工作者面前，本文就GPS网的布设作一简要分析。简述了GPS测量技术的发展状态，及GPS工程网的布设，介绍了GPS测量所具有特点，GPS测量在公路中的应用，最后对GPS测量作出了展望。
全球定位系统(Global Positioning System 简称 GPS)是美国国防部从上世纪70年代开始研制的新一代卫星导航与定位系统，历时20年，耗资200亿美元，于 1994 年全面建成。该系统利用导航卫星进行测时和测距，有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力。GPS是继阿波罗登月计划、航天飞机后的美国第三大航天工程，如今，它已成为当今世界上最实用，也是应用最广泛的全球精密导航、指挥和调度系统。
1.1 GPS系统的结构组成
GPS系统主要包括三大组成部分：即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。
(1)空间星座部分
由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，亦即(21+3)GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，各个轨道平面之间交角60度。卫星距地面的平均高度为 20200km，卫星绕地球运行周期为 11小时58分。地面观测者每天至少可以观测到4颗卫星，最多还可观测到11颗卫星。
(2)地面监控部分
GPS工作卫星的地面监控系统主要由分布在全球的1个主控站、3个注入站和5个监测站组成。对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。卫星的位置是依据卫星发射的星历，即描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准――GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出时钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。
(3)用户设备部分
用户设备部分即GPS信号接收机。接收机硬件和机内软件以及 GPS 数据的后处理软件包，构成完整的GPS用户设备。其主要任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出观测站的三维位置，甚至三维速度和时间，最终实现利用GPS进行导航和定位的目的。
1.2 GPS系统的发展概况
80年代的GPS测量是建立在载波相位差分定位技术上的静态相对定位。80年代末期，建立在FARA(整周未知数快速逼近技术)基础上的快速静态定位为短基线测量作业闯出了一条新路，大大提高了GPS测量的劳动生产率。90年代初期，基于载波相位观测值静态初始化的实时动态定位技术(RTK)已开始问世了，特别是90年代中期，随着AROF(Ambiguity Resulation on the Fly)技术的成熟，动态求解初始整周未知数的理论成果转化成为实用技术，从而摆脱了高精度GPS载波相位测量中必须进行静态初始化问题以及动态测量中必须始终保持4颗以上卫星信号连续锁定的难题。真正实现了实时GPS测量关键技术的商品化。自1992年起，国际GPS大地测量和地球动力学服务IGS，已在全球建立了多个数据存储及处理中心，和百余个常年观测的台站。我国也于1995年开始分步建设北京、上海、武汉、拉萨、乌鲁木齐、西安、西宁、昆明、海口、哈尔滨等GPS永久性跟踪站，这些跟踪站的观测数据每天通过国际互联网传向美国的数据处理中心。
常规测量中对控制网的图形设计是一项非常重要的工作。而在GPS图形设计时，因GPS同步观测不要要通视，所以其图形设计具有较大的灵活性。GPS网的图形设计主要取决于用户的要求、经费、时间、人力以及所投入接收机的类型、数量和后勤保障条件等。
GPS网的图形布设通常有点连式、边连式、网连式及边点混合连接四种基本方式。也有布设成星形连接、附合导线连接、三角锁形连接等。
2.1 GPS网的基本形式
根据GPS测量的不同用途，GPS网的几何图形结构，有以下三种形式。
(1)三角网
三角网中各三角形边是由非同步观测的独立边所组成。这种网的几何图形结构强，具有良好的自检能力，能有效地发现观测成果的粗差，确保网的可靠性。经平差后网中相邻点间基线向量的精度分布均匀。这种网的主要缺点是观测工作量较大，尤其当接收机的数量较少时，将使观测工作的时间大为延长。因此，通常只有当网的可靠性和精度要求较高时，才单独采用这种图形结构的网。
(2)环形网
由若干个含有多条独立观测边的闭合环所组成的网，称为环形网。这种网的图形结构强度较三角网差，其优点是观测工作量较小，具有较好的自检性和可靠性。其缺点主要是非直接观测的基线边精度较直接观测边低，相邻点间的基线精度分布不均匀。由于环形网的自检能力和可靠性与闭合环中所含基线边的数量有关，所以，一般根据网的精度要求，规定闭合环中包含的基线边的数量。
(3)附和线路和星形网 在GPS高级网中需进一步加密控制点时，可采用附和线路。为保证可靠性和精度，附和线路所包含的边数也不能超过一定限制。而星形网的几何图形简单，直接观测边之间不构成任何闭合图形，所以检验和发现粗差的能力差。这种图形的主要优点是观测中只需要两台GPS接收机，作业简单。它广泛地应用于工程测量、边界测量、地籍测量和碎部测量等方面，定位中采用快速定位的作业模式。
随着科学技术的发展，传统的测量方法正被日益发展的GPS技术所取代，控制网的布设方法越来越灵活、简单。控制网布设方法应根据网的不同用途选择采用，同时还要考虑接收机类型、数量和经费、时间等，这样才能扬长避短，取得最佳的经济效益。
2.2 GPS布设的一般原则
(1)通过独立观测边构成闭合图形，闭合环边3―7个，有一定数量的重复观测边。
(2)GPS网点尽量与原有GPS点网点重合。
(3)GPS应该考虑布设一些水准连测点。
(4)网点应易达到的地方，视野开阔的地方。
(5)在网点附近布设一个通视良好的方位点，以便方便连测。
由于GPS网的设计是非常灵活的。但也应注意以下几个问题：
①除了特殊需要，一般GPS基线长度相差不要过大，这样可以使GPS测量的精度分布均匀;
②GPS网不要有开放式的网型结构，应构成封闭式闭合环和子环路;
③应尽量消除多路径影响，防止GPS信号通过其他物体反射到GPS天线上，因此应避开强反射的地面，避开强反射环境，如山谷、山坡、建筑物等;
④避开强电磁波干扰，设站应远离雷达站、电台、微波中继站等。
2.3 网布设中点位的选择
工程控制网的布设，原则上和大地控制网是一致的，但也有一些区别。因为不同的工程有不同的要求，其控制网也就有轻微的差别。一般来讲，工程控制网的范围不是很大，点位选择的机动性较小，但对点位的要求与大面积控制网基本相同，埋石时由于点位精度要求不是很高，可灵活处理。
当测区范围不太大时，由于GPS测量受地面图形影响很少，可以灵活布设，点位选择时则根据工程需要布点，而不必考虑点距及点的通视情况，一般工程网的布设可分为3种，即:点位集中在一块区域、点位分布在几个区域、点位呈线状分布。
当测区范围较大时(几百平方公里)，为保证控制网点的整体精度，应使用经典大地测量方法布设控制网。控制点要与高等级控制点构成图形，并控制网点与点之间也要构成图形。如精度要求较高时，点与点之间应构成直接边。
当布设的点位不均匀时，即点间距离差别较大时，在施测过程和数据处理中应分别进行。无论测区是面状还是线状，都应首先根据点位分布情况选择若干点做一骨架网，然后再利用该网进行工程网的布设，也就是分成二级控制。
一般工程控制网点不需要均匀分布，而是按其需要进行布点，可以布成一个或几个独立的点群。虽然GPS测量不受地面图形影响，但布网时也应考虑点位的图形结构，这是因为:
(1)较大测区工程控制网布设时，不可能一次完全选点，而是采用逐步推进的方法，若不考虑图形结构,最后整个控制网易产生扭曲。
(2)可为三角形异步边闭合差的检验提供条件
(3)由于许多工程完成后需要进行常规测量，因此布点时根据需要确定点位的位置，并考虑其图形结构。
2.4 已知点分布和基线长度对控制点精度的影响
一般工程控制网都需要高等级控制点对其进行控制，并提供起算坐标。对于不同的已知点选择方案，其已知点分布不同，最后平差计算的精度也小同。一般来讲，已知点应较均匀地布设在测区或测区的周围，这样利用这些已知点解算控制网点时，一是控制网不会发生扭曲:二是可以提高控制网的精度。在GPS控制网的布设中，一个工程网的已知点应选3―4个高等级控制点，高等级控制点应布设在控制网的周围，尽可能形成等边三角形，只有这样才能保证整个控制网点精度的统一。已知点的选择应避免成直线状，其点间距离应大于工程网点与点间的最大距离。如果整个控制网没有已知点，做自由网平差时其固定点的选择应选在整个网的中心点或选择网的质心。
基线对点位精度的影响基本上呈现出随着边长越长其影响越大的趋势，通过实验证明:当边长超过40km,时，其误差明显有增大的趋势，在高程方向趋势更为明显。
GPS接收机采集的是接收机天线相位中心至卫星发射中心的伪距、载波相位和卫星星历等数据，而不是常规测量技术所测的地面点间的相对位置关系量(如边长、角度、高差等)。因而要想得到有实用意义的测量定位成果，需要对采集到的数据进行一系列的处理。
第一步数据采集的是GPS接收机野外观测记录的原始观测数据，野外观测记录的同时用随机软件解算出测站点的位置和运动速度，提供导航服务。数据传输至基线解算一般是用随机软件将接收机记录的数据传输到计算机，在计算机上进行预处理和基线解算。GPS网平差包括GPS基线向量网平差、GPS网与地面网联合平差等内容。整个数据处理过程可以建立数据库管理系统。
3.1 GPS数据处理过程
每一个厂商所生产的接收机都会配备相应的数据处理软件，它们在使用方法都会有各自不同的特点，但是，无论是哪种软件，它们在使用步骤上却是大体相同的。GPS基线解算的过程是：
(1)原始观测数据的读入
在进行基线解算时，首先需要读取原始的GPS观测值数据。一般说来，各接收机厂商随接收机一起提供的数据处理软件都可以直接处理从接收机中传输出来的GPS原始观测值数据，而由第三方所开发的数据处理软件则不一定能对各接收机的原始观测数据进行处理，要处理这些数据，首先需要进行格式转换。目前，最常用的格式是RINEX格式，对于按此种格式存储的数据，大部分的数据处理软件都能直接处理。
(2)外业输入数据的检查与修改
在读入了GPS观测值数据后，就需要对观测数据进行必要的检查，检查的项目包括：测站名、点号、测站坐标、天线高等。对这些项目进行检查的目的，是为了避免外业操作时的误操作。 (3)基线解算的控制参数
基线解算的控制参数用以确定数据处理软件采用何种处理方法来进行基线解算，设定基线解算的控制参数是基线解算时的一个非常重要的环节，通过控制参数的设定，可以实现基线的精化处理。
(4)基线解算
基线解算的过程一般是自动进行的，无需过多的人工干预。
(5)基线质量的检验基线解算完毕后，基线结果并不能马上用于后续的处理，还必须对基线的质量进行检验，只有质量合格的基线才能用于后续的数据处理，如果不合格，则需要对基线进行重新解算或重新测量。基线的质量检验需要通过RATIO、RODP、RMS、同步环闭和差、异步环闭和差和重复基线较差来进行。
(6)平差进行精度评定，得到各测站平差后坐标。
(7)成果转化
根据实际生产需要，转化为当地坐标，一般商用软件均有该功能。
(8)结束
3.2 减少或消除误差的措施
测站安置
(1)测站不宜选择在山坡、山谷和盆地内，应远离大面积平静水面，测站及附近不应有高层建筑物、广告牌等(即所谓净空)。应选择反射能力较差的粗糙地面，以减少多路径误差。另外，延长观测时间，选择配有抑径板的接收天线都可减少多路径误差。
(2)选择适当的截止高度角，既可限制和延迟电离层、对流层的影响，又能尽量多接收几个卫星的信号，以增加多余观测数，改善几何图形。
(3)在测段间重新整平对中仪器，以减少接收机的整平对中误差。同时还要求天线盘方向标志指北，便于对接收机相位中心偏差进行改正。
测量方法
(1)用载波相位测量代替伪距测量，由于载波波长很短，因而比伪距测量精度高2―3个数量级，用双频改正还能减少或消除电离层延迟误差。
(2)用相对定位代替绝对定位。2点或2点以上的同步相对定位与单点的绝对定位相比，可减小卫星星历误差、卫星钟差、大气延迟误差(2点间距<100lan)。
(3)采用区域差分技术或广域差分技术不但能减小基准站和用户站共同的误差，而且可使站间距从100km增加到2，000km。
数据处理
(1)用精密星历代替或部分代替广播星历。授权用户可由internet网随时下载精密星历提供给解算软件，达到减小与星历有关误差影响和SA政策影响的目的。
(2)采用适当的起算数据，有3种可行方案：首先与国家GPS点、B级控制点或其他高级GPS网控制点连测，精度可达米级;其次，将原有国家级已知点的坐标转换到WGS-84坐标系中，精度在几米级。
(3)载波相位测量中采用适当的线性组合。如分别在接收机、卫星、历元间求一次差，可分别消除卫星钟误差、接收机钟误差和整周模糊度.在接收机、卫星间求二次差可同时消除卫星钟误差和接收机钟误差。在三者间求三次差可得到只有坐标差未知数的方程。
由上可知，只要对GPS网进行精心设计，采取一些合理措施即可对误差进行限制或消除，达到理想的定位精度。
由于公路建设的特点无论是在测量原则，还是在测量精度和作业方法等方面有自己的特点。公路路线一般处在一条带状走廊内。其平面控制测量往往采用导线形式，这包括附合导线、闭合导线、结点导线等导线网形式。目前GPS测量技术在公路测设中主要用于建立公路工程测量控制网及动态RTK测量。
静态GPS测量技术在公路中主要用于建立公路首级控制网，之后再利用其他测量方法进行加密的附合导线测量。控制网的建立过程如下：
第一步：路线、GPS点选址的初步勘察到接到外业测量任务后，组织人员对路线的走向进行初步勘察，查看沿线可选作GPS点的位置情况。调查路线附近高等级GPS点以便进行联测。
第二步：GPS点控制网的设计GPS控制网的布设应根据公路等级、沿线地形地物、作业时卫星状况、精度要求等因素进行综合设计。因为GPS控制网作为公路首级控制网时，需采用其他测量方法进行加密。故沿路线两侧每隔5―10公里布设一对相互通视的GPS点。理论上GPS点观测时只需在3个GPS点上架设GPS仪同时观测即可确定这3个点的坐标。考虑到公路测量本身的特点采用4台GPS仪同时观测4个GPS点，这样可大大加快全线的测量速度。
第三步：GPS选点、埋石选点应按技术设计要求有利于采用其他测量方法扩展和联测。
第四步：架设GPS仪观测4个GPS点观测的共同时间、有效观测卫星总数等应满足规范要求。我们在外业的观测中规定观测时间不得少于半个小时，有效观测卫星数不少于4个。
第五步：GPS观测数据的处理 。外业观测结束后将GPS中的数据传入计算机中，采用南方公司的软件，及时进行数据处理和质量分析。过程可分为基线解算与检核、GPS控制网平差计算两个步骤。
第六步：GPS控制网进行加密。 利用全站仪测量附合导线的方法进行首级GPS控制网的加密作业。将路线按GPS的分布分成若干段，每一段单独进行附合导线的测量，保证每一段附合导线起始于GPS点，终止于GPS点。
第七步：导线点坐标及平差计算 将每段附合导线测量数据传输到计算机中进行角度、距离平差得到最后结果。
从工程测量的实施应用中，可以充分看到GPS测量的优越性，充分显示了这一卫星定位技术的高精度和高效益。
(1)采用GPS技术测设方格网，比常规方法适应性更强。网形构造简单，点的疏密和测边的长短可灵活选取，即使离已知控制点较远也可以连接，并进行控制网的定位和定向。它不受视线通视限制，选点灵活，不需要高标，同时还可以保证外业施测不受天气影响。测设大型(长边)方格网和通视条件特别困难时，尤其能够显示其优越性。尽管GPS本身在进行测量时不受到通视条件的限制，但是，工程测量一般为小范围测量并受到工程成本的限制。因此，在实际的工程测量中。仍然要考虑使用全站仪、经纬仪、水准仪等常用且投入较少的仪器。这些常用的仪器一般都需要点与点之间相互通视，特别是在布设控制网时，点与点不能通视将会给测量工作带来较多的麻烦和困难。特别是山区高速公路控制网中，如果点与点不通视，势必影响网的强度和精度，进而影响到高速公路测设的精度。因此，在工程测量中布设GPS控制网时，必要时应当尽量使较多的点互相通视。 (2)测站之间无需通视。测站间相互通视一直是测量学的难题。GPS这一特点,使得选点更加灵活方便。但测站上空必须开阔,以使接收GPS卫星信号不受干扰。
(3)观测时间短。在小于20km的短基线上,快速相对定位一般只需5min观测时间即可。
(4)提供三维坐标。GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时,可以精确测定观测站的大地高程。
(5)操作简便。GPS测量的自动化程度很高。在观测中测量员的主要任务是安装并开关仪器、量取仪器高和监视仪器的工作状态,而其他观测工作如卫星的捕获、跟踪观测等均由仪器自动完成。
(6)全天候作业。GPS观测可在任何地点,任何时间连续地进行,一般不受天气状况的影响。
(7)GPS方格网点位精度高、误差分布均匀，不但能够满足规范要求，而且具有较大的精度储备。
(8)采用点位中误差作为方格网测量精度指标是可行的，它比用相对中误差表示精度指标更为合理。
(9)采用GPS方法布设大地控制网，其图形强度系数高，能够有效地提高点位趋近速度。网形优化比较方便。
(10)采用GPS―RTK测设建筑方格网与常规测量法相比，效率可提高一倍以上，并能大幅度降低作业人员的劳动强度。一个参考站可有多台流动站作业，流动站不需基准站指挥。单人即可独立作业。
GPS技术以其具有的高精度、高效率和高度自动化等显著特点，引起了广大测量工作者的极大兴趣。目前，GPS技术已普遍应用于大地测量、工程测量、地壳形变监测、航空摄影测量以及海洋测绘等诸多测量领域。可以说，GPS定位技术已经使经典的测量技术经历了一场深刻的变革，从而进入了一个崭新的时代。
GPS作为一种全新、快捷、可靠的高精度测量手段，正对测量的传统技术手段和方法产生重大变革。GPS作业精度高，受环境和距离限制小。GPS工程网布设，一般点位选择灵活性较差，活动范围较小，观测时间较短。测量网的设计无需像常规测量网设计那样考虑点的通视、边的相似、观测角的大小等因素，非常适合地形条件困难地区、局部重点工程地区等。同传统测量相比，可极大地降低劳动作业强度，减少工作量，提高作业效率。正常观测条件下，GPS可以得到很高的平面精度。
对GPS工程网的布设，提出了三点建议，一是要注意到高精度点的分布;二是注意网的图形结构：三是当进行坐标系统转换时，注意重合点的分布和精度。随着连续观测站的增加，连续观测站站间的距离越来越短，利用连续观测站为固定站进行GPS网的布设，将会越来越方便，因此这种布网方法在以后的应用中前景会非常广阔。
文/《西部资源》, 2012(4):168-171，作者：丁明华，余存林，郭秉程
整理：陈柳林
审核：高冲
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