【正文】 國地震局組織實施的，并定期進行復(fù)測。從1992年起，為了對重點地區(qū)地震活動進行監(jiān)測，中國地震局在全國部分地震活動較活躍地區(qū)建立了一些局部高精度地殼形變監(jiān)測網(wǎng)，如青藏監(jiān)測網(wǎng)、川滇監(jiān)測網(wǎng)、首都圈監(jiān)測網(wǎng)新疆地區(qū)監(jiān)測網(wǎng)等，這些形變監(jiān)測網(wǎng)不僅進行了GPS觀測，也進行了水準(zhǔn)測量。它是根據(jù)地殼運動情況定期進行高精度的三維測量。上述各種全國性、高精度GPS網(wǎng)在布設(shè)時是獨立的，除網(wǎng)絡(luò)工程基準(zhǔn)站外都不是連續(xù)觀測網(wǎng)，1998年在總參測繪局、國家測繪局、中國地震局三家協(xié)調(diào)下，對上述GPS網(wǎng)進行了聯(lián)合平差，網(wǎng)與網(wǎng)之間有了聯(lián)系。 GPS控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計的目的GPS網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的等級分類。由于GPS網(wǎng)同經(jīng)典網(wǎng)的諸多不同，導(dǎo)致了GPS網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計不完全等同于經(jīng)典控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計[5]。一般分為四級。零類優(yōu)化設(shè)計是已知GPS網(wǎng)平差模型中的系數(shù)陣A和權(quán)陣P的基礎(chǔ)上，求解協(xié)因數(shù)陣Qxx的過程。其實際上是一個平差的過程。除了一些形變觀測網(wǎng)和特殊網(wǎng)以外，對于一般實際應(yīng)用的GPS網(wǎng)來說沒有太大的意義。一級優(yōu)化設(shè)計是在大致確定了總點數(shù)，總基線數(shù)的基礎(chǔ)上，通過對網(wǎng)形的優(yōu)化設(shè)計求出數(shù)學(xué)模型中系數(shù)陣A，以使得Qxx達(dá)到設(shè)計要求的過程。因為GPS網(wǎng)的精度與網(wǎng)形和傳遞三角形的角度沒有太大的關(guān)系，所以不改變基線的連接方式，只單純的改變點的位置對精度的提高沒有意義。而當(dāng)改變基線連接方式的時候，異步環(huán)的邊數(shù)、個數(shù)、形式就會有所改變，這樣就對網(wǎng)的精度和可靠性產(chǎn)生影響。因此對系數(shù)陣A的設(shè)計是很有意義的。二級優(yōu)化設(shè)計是在已確定網(wǎng)形即確定了系數(shù)陣A和未知數(shù)協(xié)因數(shù)陣Qxx后，優(yōu)化設(shè)計權(quán)陣P的過程。因為GPS網(wǎng)中的權(quán)與基線的長度沒有直接的關(guān)系。而當(dāng)確定了整周模糊度之后，再增加觀測時間也不會明顯提高觀測值的權(quán)，因此在GPS網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計，尤其是不同作業(yè)模式不同精度類型的GPS接收機聯(lián)合作業(yè)的GPS網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計中，權(quán)陣P的設(shè)計也有了一定的意義。三級優(yōu)化設(shè)計是對精度沒有達(dá)到限差要求的GPS網(wǎng)進行網(wǎng)的加密和改進，使其逐漸達(dá)到精度要求，也就是對網(wǎng)形結(jié)構(gòu)強度的優(yōu)化設(shè)計。 GPS控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計意義GPS控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計是進行GPS定位的基礎(chǔ)性工作，它是依據(jù)測量任務(wù)書提出的GPS網(wǎng)的用途、精度、密度和經(jīng)濟指標(biāo)，結(jié)合國家有關(guān)測量規(guī)程的規(guī)定，經(jīng)過現(xiàn)場踏勘，在確定的地形、地物、交通等條件下，對GPS控制網(wǎng)的坐標(biāo)基準(zhǔn)(投影面、投影帶)、網(wǎng)形、外業(yè)觀測調(diào)度等方面進行具體設(shè)計，并根據(jù)所設(shè)計的控制網(wǎng)圖形和所選擇GPS接收機的精度進行GPS控制網(wǎng)精度、可靠性的估算。在各種設(shè)計方案中選擇即可滿足精度、可靠性要求，又能使整個建網(wǎng)費用最少，達(dá)到控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的目的。根據(jù)GPS測量特點分析可知，GPS網(wǎng)需要以一個點的坐標(biāo)為定位基準(zhǔn)，而此點的精度高低直接影響到網(wǎng)中各基線向量的精度和網(wǎng)的最終精度。同時由于GPS網(wǎng)的尺度含有系統(tǒng)誤差以及同地面網(wǎng)的尺度匹配問題，所以有必要提供精度較高的外部尺度基準(zhǔn)。由于GPS網(wǎng)的精度與網(wǎng)的幾何圖形結(jié)構(gòu)無關(guān)，且與觀測權(quán)相關(guān)甚小，而影響精度的主要因素是網(wǎng)中各點發(fā)出基線的數(shù)目及基線的權(quán)陣。因此，提出了GPS網(wǎng)形結(jié)構(gòu)強度優(yōu)化設(shè)計的概念，討論增加的基線數(shù)目、時段數(shù)、點數(shù)對GPS網(wǎng)的精度、可靠性、經(jīng)濟效益的影響。同時，經(jīng)典控制網(wǎng)中的三類優(yōu)化設(shè)計，即網(wǎng)的加密和改進問題，對于GPS網(wǎng)來說，也就意味著網(wǎng)中增加一些點和觀測基線，故仍可將其歸結(jié)為對圖形結(jié)構(gòu)強度的優(yōu)化設(shè)計。綜上所述，GPS網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計主要歸結(jié)為兩類內(nèi)容的設(shè)計：(1)GPS網(wǎng)基準(zhǔn)化的優(yōu)化設(shè)計。(2)GPS網(wǎng)圖形結(jié)構(gòu)強度的優(yōu)化設(shè)計，其中包括：網(wǎng)的精度設(shè)計，能力的可靠性設(shè)計，網(wǎng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差能力的強度設(shè)計 本論文只要研究內(nèi)容GPS衛(wèi)星定位具有高精度、高效率和低成本的優(yōu)點，從而被廣泛用于各類大地測量控制網(wǎng)的加強、改造和建立。目前，GPS控制網(wǎng)可大致分為2類：一類是國家或區(qū)域性的高精度的GPS控制網(wǎng)；另一類是局部性的GPS控制網(wǎng)，它包括城市或礦區(qū)控制網(wǎng)以及各類工程控制網(wǎng)。GPS測量具有精度高、速度快等優(yōu)越性，為了進一步得到可靠的觀測成果，無論是哪一種GPS控制網(wǎng)，都要進行網(wǎng)形結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，并制定相應(yīng)的施測方案。本論文的主要研究內(nèi)容如下：（1）研究不同基線數(shù)或不同基線邊對控制網(wǎng)質(zhì)量的影響。并用實例論證基于網(wǎng)形的控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的可行性和有效性。（2）論述殘差理論，分析粗差對殘差的影響和GPS網(wǎng)可靠性決定因子，推導(dǎo)總結(jié)出了GPS網(wǎng)可靠性指標(biāo)，包括GPS基線向量的多余觀測分量、內(nèi)部可靠性和外部可靠性指標(biāo)，總結(jié)基于相關(guān)分析的GPS網(wǎng)可靠性理論。2 校園GPS網(wǎng)的優(yōu)化的基本原理全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System GPS）是美國從本世紀(jì)70年代開始研制，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。經(jīng)近10年我國測繪等部門的使用表明，GPS以全天候、高精度、 自動化、高效益等顯著特點，贏得廣大測繪工作者的信賴，并成功地應(yīng)用于大地測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導(dǎo)航和管制、地殼運動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動力學(xué)等多種學(xué)科，從而給測繪領(lǐng)域帶來一場深刻的技術(shù)革命。全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，縮寫GPS)是美國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。是在子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它采納了子午儀系統(tǒng)的成功經(jīng)驗。和子午儀系統(tǒng)一樣，全球定位系統(tǒng)由空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收機三大部分組成[1]。按目前的方案。21+3顆衛(wèi)星均為近圓形軌道，運行周期約為11小時58分，分布在六個軌道面上（每軌道面四顆），軌道傾角為55度。衛(wèi)星的分布使得在全球的任何地方，任何時間都可觀測到四顆以上的衛(wèi)星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖形（DOP）。這就提供了在時間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰Α５孛姹O(jiān)控部分由一個主控站，三個注入站和五個監(jiān)測站組成。監(jiān)控站是無人值守的數(shù)據(jù)采集中心，其位置經(jīng)精密測定；主要設(shè)備包括1臺雙頻接收機，1臺高精度原子鐘，1臺電子計算機和若干臺環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器。它利用接收機求出衛(wèi)星相對其原子鐘的偽距和偽距差，利用原子鐘獲得時間標(biāo)準(zhǔn)，利用環(huán)境傳感器得到當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)，然后將算得的偽距、導(dǎo)航數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)及衛(wèi)星狀態(tài)傳給主控站。主控站擁有以大型電子計算機為主體的數(shù)據(jù)收集、計算和傳播設(shè)備，主要作用是：：收集數(shù)據(jù)：收集各監(jiān)測站獲得的偽距和偽距差觀測值，衛(wèi)星時鐘、氣象參數(shù)和工作狀態(tài)等；：數(shù)據(jù)處理：根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)計算各衛(wèi)星的星歷，時鐘改正，衛(wèi)星狀態(tài)和大氣傳播改正。并將這些數(shù)據(jù)按照一定格式編成導(dǎo)航電文，并及時將導(dǎo)航電文傳給注入站。導(dǎo)航電文的作用即在于獲得衛(wèi)星的坐標(biāo)；：時間協(xié)調(diào)： 各測站和GPS衛(wèi)星的原子鐘均應(yīng)與 監(jiān)控站的原子鐘同步，或測出其間的鐘差；：控制衛(wèi)星：修正衛(wèi)星的運行軌道，調(diào)用備用衛(wèi)星更換失效衛(wèi)星；注入站是無人值守的工作站，1臺C波段發(fā)射機和一臺電子計算機；其作用是將主控站編制的導(dǎo)航電文等資料以既定的方式注入到衛(wèi)星存儲器鐘，供衛(wèi)星向用戶發(fā)射。由監(jiān)測站連續(xù)接收GPS衛(wèi)星信號，不斷積累測距數(shù)據(jù)，并將這些測距數(shù)據(jù)以及氣象數(shù)據(jù)、衛(wèi)星狀態(tài)數(shù)據(jù)等 發(fā)送到主控站；主控站對測距數(shù)據(jù)進行包括電離層、對流層、相對論效應(yīng)、天線相位中心的偏移以及地球自轉(zhuǎn)和時鐘改正等的傳播時間延遲改正，并用卡爾曼濾波器進行連續(xù)數(shù)據(jù)平滑及最小二乘與多項式擬合，以提供衛(wèi)星的位置和速度的六個軌道根數(shù)的攝動，每個衛(wèi)星的三個太陽壓力常數(shù)、衛(wèi)星的時鐘偏差；最后注入站將主控站的導(dǎo)航電文注入到衛(wèi)星的存儲器中。 全球定位系統(tǒng)具有性能好、精度高、應(yīng)用廣的特點，是迄今最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。隨著全球定位系統(tǒng)的不斷改進，硬、軟件的不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地開拓， 目前已遍及國民經(jīng)濟各種部門，并開始逐步深入人們的日常生活。當(dāng)初，設(shè)計GPS系統(tǒng)的主要目的是用于導(dǎo)航、收集情報等軍事目的。但是，后來的應(yīng)用開始表明，GPS系統(tǒng)不僅能夠達(dá)到上述目的，而且用于GPS衛(wèi)星發(fā)來的導(dǎo)航定位信號能夠進行厘米級甚至毫米級精度的靜態(tài)相對定位，米級至亞米級精度的動態(tài)定位，亞米級至厘米級的速度測量和毫秒級精度的時間測量。因此，GPS系統(tǒng)展現(xiàn)了極其的應(yīng)用前景。（1） GPS系統(tǒng)用途廣泛（2） 多元化空間資源環(huán)境的出現(xiàn)（3） 發(fā)展GPS產(chǎn)業(yè)（4） GPS的應(yīng)用將進入人們的日常生活我國的GPS技術(shù)發(fā)展迅速，在大地測量，工程測量方面，航空攝影測量方面和地球動力學(xué)方面都有很大發(fā)展。近幾年，我國的GPS技術(shù)應(yīng)用正向更深層次發(fā)展。 GPS布網(wǎng)的基本形式網(wǎng)的圖形設(shè)計主要是根據(jù)網(wǎng)的用途和用戶要求，側(cè)重考慮如何保證和檢核 GPS 數(shù)據(jù)質(zhì)量；同時還要考慮接收機類型、數(shù)量和經(jīng)費、時間、人力及后勤保障條件等因素，以期在滿足要求的前提條件下，取得最佳的效益。根據(jù)不同的用途，GPS網(wǎng)的圖形布設(shè)通常有點連式、邊連式、網(wǎng)連式及邊點混合連接四種基本方式。也有布設(shè)星形連接、符合導(dǎo)線連接等。選擇什么樣的組網(wǎng)，取決于工程所要求的精度、野外條件及GPS接收機臺數(shù)等因素。（1）點連式 點連式是指相鄰?fù)綀D形之間僅有一個公共點的連接。以這種方式布點所構(gòu)成的圖形幾何強度很弱，沒有或極少有非同步圖形閉合條件，一般不單獨使用。（2） 邊連式 邊連式是指同步圖形之間由一條公共基線連接。這種布網(wǎng)方案，網(wǎng)的幾何強度較高有較多的復(fù)測和非同步圖形閉合條件。在相同的儀器臺數(shù)條件下，觀測時段數(shù)將比點連式大大增加。（3）邊點混合連接式 邊點混合連接式是指把點連式和邊連式有機地結(jié)合起來，組成GPS網(wǎng)，既能保證網(wǎng)的幾何強度，提高網(wǎng)的可靠指標(biāo)，又能減少外業(yè)工作量，降低成本，是一種較為理想的布網(wǎng)方法。（4）網(wǎng)連式網(wǎng)連式是相鄰?fù)綀D形之間有兩個以上的公共點連接, 需接收機4臺以上。雖然可靠性和幾何強度較高, 但時間費用花費較多, 用于高精度控制測量。（5）三角鎖(多邊形連接)可邊連或點連組成連續(xù)三角形, 是用于狹長地區(qū), 如鐵路、公路及管線工程勘測。（6）導(dǎo)線網(wǎng)形連接(環(huán)形)有獨立邊進行封閉, 構(gòu)成非同步圖形, 適用于精度較低的GPS布網(wǎng)。（7）星形步設(shè)以一臺GPS接收機為中心, 其它接收機流動作業(yè)。不受同步條件限制, 速度快, 用于精度較低的工程測量、地質(zhì)、地球物理測點、邊界測量、地籍測量和碎步測量等。2．3GPS控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計方案隨著市場經(jīng)濟和體制改革的深入，用戶對測繪產(chǎn)品的需求已不僅僅停留在高質(zhì)量、高速度上，同時要求更低的消耗，力求以最少的成本投入來獲得給定精度的測繪產(chǎn)品，這種需求趨勢在面向市場的招投標(biāo)工程中體現(xiàn)得尤為顯著。如何對占測繪工程外業(yè)工作量1／3的控制網(wǎng)進行優(yōu)化設(shè)計，使其既能滿足用戶的精度要求，又能使成本投入得到有效的控制，并力求最低消耗，以提高項目效益，是一個值得研究的課題。為此，我們在若干工程中進行了研究與實驗，取得了顯著成效，并得出了在計算機軟件輔助下的解決方案和實現(xiàn)方法[5]。 GPS控制網(wǎng)的特點(1)網(wǎng)形與衛(wèi)星空間分布的幾何圖形相關(guān)。GPS控制網(wǎng)的精度與網(wǎng)中的點所構(gòu)成的幾何圖形沒有關(guān)系，與觀測權(quán)相關(guān)程度不大，與邊和邊所構(gòu)成的角度無關(guān)，主要取決于網(wǎng)中個點發(fā)出基線的數(shù)目及基線的權(quán)陣。(2)具有非層次結(jié)構(gòu)性。根據(jù)采用儀器類型和作業(yè)模式不同，得到不同精度的觀測值，這與經(jīng)典控制網(wǎng)的“逐級控制”、“分級施測”沒有關(guān)系，GPS網(wǎng)可用相同精度一次擴展達(dá)到所需的密度設(shè)計要求。(3)沒有誤差積累且分布均勻。誤差積累是經(jīng)典控制網(wǎng)存在特性之一，而GPS網(wǎng)則沒有誤差的積累。而且誤差分布比較均勻，各邊的方位和邊長的相對精度基本是相同的。(4)簡單易行的必要基準(zhǔn)條件。GPS網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)(基線向量)中包含了尺度和方位信息，理論上只需要一個已知點的坐標(biāo)即可確定GPS網(wǎng)的平移。首先，增加觀測期數(shù)。這樣測得的獨立基線數(shù)就會增加，可以提高控制網(wǎng)的可靠性精度。其次，保證一定的重復(fù)設(shè)站次數(shù)。重復(fù)設(shè)站次數(shù)可以確保GPS網(wǎng)的可靠性，原因有二：①通過在同一測站上的多次觀測，可有效地發(fā)現(xiàn)設(shè)站對中、整平、量測天線高等人為錯誤；②當(dāng)同一臺接收機在同一測站上連續(xù)進行多個時段的觀察時，各個時段必須重新安置儀器，以更好地消除各種人為操作誤差和錯誤。再次，保證每個測站獨立基線相連在3條以上。3條以上的獨立基數(shù)相連，可使測站具有較高的可靠性。在布設(shè)GPS網(wǎng)時，各個點的可靠性與該點上所連接的基線數(shù)直接相關(guān)，點上所連接的基線數(shù)越多，點的可靠性則越高。最后，在布網(wǎng)時要使網(wǎng)中所有異步環(huán)的邊數(shù)不大于6條。在布設(shè)GPS網(wǎng)時，隨著組成異步環(huán)的基線向量數(shù)的增加，其檢驗質(zhì)量的能力將逐漸下降。 提高GPS網(wǎng)精度的方法對已經(jīng)布設(shè)好的GPS網(wǎng)，可以采用一定的方法提高其精度：（1）為保證GPS網(wǎng)中各相鄰點具有較高的相對精度，對網(wǎng)中距離較近的點一定要進行同步觀測，以獲得它們間的直接觀測基線；（2）為提高整個GPS網(wǎng)的精度，可以在全面網(wǎng)之上布設(shè)框架網(wǎng)，以框架網(wǎng)作為整個GPS網(wǎng)的骨架；（3）引入高精度激光測距邊，作為觀測值(基線向量)一同進行聯(lián)合平差，或?qū)⑺鼈冏鳛槠鹚氵呴L；（4）若要采用高程擬合的方法，測定網(wǎng)中各點的正常高(或正高)，則需在布網(wǎng)時，選定一定數(shù)量的水準(zhǔn)點，水準(zhǔn)點的數(shù)量應(yīng)盡可能的多，且應(yīng)在網(wǎng)中均勻分布，還要保證有部分點分布在網(wǎng)中的四周，將整個網(wǎng)包圍在其中；（5）為提高GPS網(wǎng)的尺度精度，可采用如下的方法：增設(shè)長時間、多時段的基線向量。綜上所述:GPS網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計主要有以下兩類：一是GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)優(yōu)化設(shè)計；二是GPS網(wǎng)圖形結(jié)構(gòu)強度的優(yōu)化設(shè)計。所以，GPS網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)改變傳統(tǒng)網(wǎng)中的一些觀念，在設(shè)計GPS網(wǎng)時，主要著手GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)問題以及GPS網(wǎng)圖形結(jié)構(gòu)強度的優(yōu)化設(shè)計，同時合理安排儀器數(shù)，觀測順序，設(shè)計出最佳的觀測方案，應(yīng)注意以下四點：（1） 不改變基線向量連接關(guān)系的情況下，只在小范圍內(nèi)移動點位，對點位的精度和可靠性基本沒有影響。（2） 在網(wǎng)點數(shù)確定的情況下，增加GPS邊的條數(shù)，增加異步環(huán)的個數(shù)，有利于提高網(wǎng)的精度和可靠性，（3） 要合理的確定觀測方案，首先最小觀測期數(shù)（同步觀測次數(shù)），以為這樣對合理安排技術(shù)人員，儀器設(shè)備，準(zhǔn)確的以估計外業(yè)觀測時間，車輛調(diào)配等均能起到指導(dǎo)作用。（4） 另外，觀測方案的制定還包括確定觀測時間段的長短，以為時間段的長短直接影響觀測結(jié)果的精度，一般情況下觀測時間段長對提高光測結(jié)果精度是有一得。2．4GPS控制網(wǎng)的質(zhì)量GPS控制網(wǎng)與常規(guī)控制網(wǎng)一樣要滿足一定的質(zhì)量要求?？刂凭W(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的目的就是使控制網(wǎng)具有較高的質(zhì)量，以滿足控制網(wǎng)的不同需要。GPS控制網(wǎng)的質(zhì)量也可以從四個