关于城市GPS控制网的布设方案及优化设计措施探讨
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摘要：随着GPS测量技术的迅速发展及其在测绘领域的广泛应用，GPS控制网的优化设计越来越受到重视。控制网优化设计的目的就是在各种设计方案中选择即可满足精度、可靠性要求,又能使整个建网费用最少。文章在总结了GPS网特点及优化设计原则，如可靠性、精度及经济性等方面特点，提出了GPS控制网的优化设计的措施。
关键词：GPS控制网；布设方案；优化设计
Abstract: With the GPS measurement technology and the rapid development in the field of Surveying and mapping application, GPS control network optimization design has been paid more and more attention. Optimal design of control network is designed in a variety of design alternatives can satisfy the accuracy, reliability, and can ensure that the whole network construction cost at least. The paper summarized the characteristics of GPS network and optimized design principles, such as reliability, accuracy and economy of characteristic, put forward GPS control network optimization design measures.
Key words: GPS control network; design scheme; optimization design
中图分类号：P25
引言
GPS控制网技术设计是进行GPS定位的基础性工作。它是依据测量任务书提出的GPS网的用途、精度、密度和经济指标，结合国家有关测量规程的规定，经过现场踏勘，在确定地形、地物、交通等条件下，对GPS控制网的坐标基准(投影面、投影带)、网形、外业观测调度等方面进行具体设计，并根据所设计的控制网图形和所选择GPS接收机的精度进行GPS控制网精度、可靠性的估算。
1．GPS控制网的特点和应用前景
1.1GPS控制网的特点
1.1.1网形与卫星空间分布的几何图形相关。GPS控制网的精度与网中的点所构成的几何图形没有关系，与观测权相关程度不大，与边和边所构成的角度无关，主要取决于网中个点发出基线的数目及基线的权阵。
1.1.2具有非层次结构性。根据采用仪器类型和作业模式不同，得到不同精度的观测值，这与经典控制网的“逐级控制”、“分级施测”没有关系，GPS网可用相同精度一次扩展达到所需的密度设计要求。
1.1.3没有误差积累且分布均匀。误差积累是经典控制网存在特性之一，而GPS网则没有误差的积累。而且误差分布比较均匀，各边的方位和边长的相对精度基本是相同的。
1.1.4简单易行的必要基准条件。GPS网的观测数据(基线向量)中包含了尺度和方位信息，理论上只需要一个已知点的坐标即可确定GPS网的平移。
1.2GPS控制网的应用前景
近十年来，随着GPS技术的出现，由于其具有控制点间不需要相互通视、测量速度快、精度高、能全天候作业等常规测量方法无法比拟的优点，在城市或工程控制网的测量中，它基本己取代了常规的测量方法，因此对gps网的设计与优化进行研究具有较强的现实意义和广阔的应用前景。但人们还未和常规控制网的优化设计一样，对GPS网的优化设计进行系统的研究，其主要原因在于和常规的测量方法相比较，GPS观测具有以下特点：
具有更为复杂的函数、随机模型，这些模型的先验信息在设计阶段难于获取和准确估计，即在实测前，各基线观测向量的误差(权逆阵)与模型误差一样属于非参数估计；基线观测问题不受（或几乎不受)通视条件限制，因而GPS网具有更为灵活，多样的布网形式，为优化设计提供了更为确实可行的条件。
这些特点决定了GPS网优化设计与实测方案难于完全吻合，即“最优”设计仅有理论上的意义而并非能在实测中完全准确实现，对GPS网的优化不仅对网形进行优化，而且还应对基线向量的观测时段、每时段的观测长度、地面点的几何精度因子(GDOP)等指标进行优选，因而导致了GPS网优化设计的复杂性。
2.GPS控制网的布设原则
GPS作业前，应设计出一种比较实用的既能满足一定精度和可靠性要求、又有较高精度指标的布网作业计划，这就是GPS网的优化设计问题，因而网形设计的一般原则为：
2.1考虑建立GPS控制网的应用范围
对于工程建设的GPS网，应该即考虑勘测设计阶段的需要，又要考虑施工放样等阶段的需要。对于城市GPS控制，既要考虑近期建设和规划的需要；又要考虑远期发展的需要。还可以根据具体情况扩展GPS控制网的功能。例如，因为GPS测量具有高精度和不要求通视的优点，有的城市已经考虑将城市GPS网建立成为兼有监测三维形变功能的控制网。这样既可以为城市建设提供发现隐患、预防灾害的极有价值的信息，也有利于充分发挥GPS网和测绘工作在城市建设中的应用。
2.2采用分级布网方案
适当地分级布设GPS网，有利于根据测区的近期需要和远期发展分阶段布设，而且可以使全网的结构呈长短边相结合的形式。与全国均由短边构成的全面网相比，可以减少网的边缘处误差的积累，也便于GPS网的数据处理和成果检核分阶段进行。分级布网是建立常规测量控制网的基本手法，因为GPS测量有许多优越性，所以并不要求GPS网按常规控制网分很多等级布设。例如，大城市的GPS控制网可以分为三级；对于小城市分两级布设GPS网即可。
2.3GPS网中应不存在自由基线
所谓自由基线是指不构成闭合图形的基线，由于自由基线不具备发现粗差的能力，因而必须避免出现，也就是GPS网一般应通过独立基线构成闭合图形；GPS网中的闭合条件中基线数不可过多。网中各点最好有3条或更多基线分支，以保证检核条件，提高网的可靠性，使网的精度、可靠性均匀。
2.4GPS网应以“每个点至少独立设站观测两次”的原则布网。这样不同接收机数测量构成的网之精度和可靠性指标比较接近。
2.5为了实现GPS网与地面网之间的坐标转换，GPS网至少应与地面网有2个重合点。研究和实践表明，应有3-5个精度较高、分布均匀的地面点作为GPS网的一部分，以便GPS成果较好的转换至地面网中。同时，还应与相当数量的地面水准点重合，以提供大地水准面的研究资料，进行GPS大地高向正常高的转换。
2.6为了便于观测，GPS点应选择交通便利、视野开阔、容易到达的地方。尽管GPS网的观测不需要考虑通视的问题，但是为了便于用经典方法扩展，至少应与网中另一个点通视。
3.1GPS控制网优化设计的方法
GPS 控制网的优化设计所采用的方法主要有解析法和机助模拟法。
3.1.1解析法
设计的原理为在各阶段设计中根据固定参数及有关的约束条件，对待定参数求最优解，求待定参数的方法主要是线性规划法，解析法虽然能够较具体的描述一个事物的实质，但由于实际的控制网约束条件复杂，不确定因素很多，构造数学模型困难，有时甚至不可能，因此解析法主要用于小范围的精密工程控制网。
3.1.2模拟法
对于初步确定的网形与观测精度，利用平差模型和控制网的分析模型，模拟一组起始数据与观测值，输入计算机，然后根据平差原理计算出未知参数及其函数的精度，估算成本，并进一步计算观测值的可靠性等信息，与预定的精度要求、成本约束、可靠性约束等相比较，根据计算机所提供的信息与设计者的经验，对控制网的基准、网形、观测精度等进行修正，然后重复计算，直至获得符合各项设计要求的较理想的设计方案。GPS控制网的优化设计，一般分为如下几个步骤进行：
根据布网的目的，在图上进行选点，然后到野外踏勘，以保证所选点位满足布网的要求和野外观测具备的条件，最后得到要施测的概略点位；
按照每个点发出三条独立基线且边长分布较为均匀的原则并依据接收机的台数和布网原则，设计网的观测图形、并选定可能要追加施测的基线；
给定所需的精度、可靠性指标进行计算，直到达到设计标准为止，最后得到增加独立观测基线后的最终施测方案。
3.2 GPS控制网的优化设计措施
3.2.1提高GPS网精度的方法
保证GPS网中各相邻点的相对精度。在全面网之上布设框架网，以框架网作为整个GPS网的骨架；制定一个子区和子环路的实测方案。其次，引入高精度激光测距边。在布设GPS网时，作为观测值与GPS观测值(基线向量)一同进行联合平差，或将它们作为起算边长。最后，采用高程拟合的方法测定网中各点的正常高/正高。水准点的数量尽可能多，在网中均匀分布，网中的四周将整个网包含在其中。
3.2.2提高GPS网可靠性的方法
首先，增加观测期数。这样测得的独立基线数就会增加，可以提高控制网的可靠性精度。
其次，保证一定的重复设站次数。重复设站次数可以确保GPS网的可靠性，其原因主要有：通过在同一测站上的多次观测，可有效地发现设站对中、整平、量测天线高等人为错误；当同一台接收机在同一测站上连续进行多个时段的观察时，各个时段必须重新安置仪器，以更好地消除各种人为操作误差和错误。
再次，保证每个测站独立基线相连在3条以上。3条以上的独立基数相连，可使测站具有较高的可靠性。在布设GPS网时，各个点的可靠性与该点上所连接的基线数直接相关，点上所连接的基线数越多，点的可靠性则越高。
最后，在布网时要使网中所有异步环的边数不大于6条。在布设GPS网时，随着组成异步环的基线向量数的增加，其检验质量的能力将逐渐下降。
3.2.3布设GPS网时起算点的选取与分布
首先，科学确定起算点的数量。一般来说，若要求所布设的GPS网的成果与旧成果吻合，则起算点数量越多越好；若没有这样的要求，则一般可选3―5个起算点。这样，既可以保证新老坐标成果的一致性，也可以保持GPS网的原有精度。其次，合理确定起算点的位置。起算点的位置与精度直接相关，为保证整网的点位精度均匀，起算点一般应均匀地分布在GPS网的周围，要避免分布在网中一侧。
4.结论
测量单位在进行GPS控制测量时，在考虑质量合格的前提下。应通过优化设计，达到减少工作量、提高经济效益的目的。在具体进行GPS网的布设原则及优化设计时，弄清楚GPS网基准化的优化设计和图形结构强度的优化设计，GPS控制网的布设和优化设计就有了明确的方向和切实可行的措施。
参考文献：
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[3]张永革,吴砚辉.GPS控制网观测方案优化的探讨.东北水利水电,2005年3 期.