【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 、時(shí)段數(shù)、點(diǎn)數(shù)對(duì)GPS網(wǎng)的精度、可靠性、經(jīng)濟(jì)效益的影響。同時(shí)，經(jīng)典控制網(wǎng)中的三類優(yōu)化設(shè)計(jì)，即網(wǎng)的加密和改進(jìn)問(wèn)題，對(duì)于GPS網(wǎng)來(lái)說(shuō)，也就意味著網(wǎng)中增加一些點(diǎn)和觀測(cè)基線，故仍可將其歸結(jié)為對(duì)圖形結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)。綜上所述，GPS網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要?dú)w結(jié)為兩類內(nèi)容的設(shè)計(jì)： (1)GPS網(wǎng)基準(zhǔn)化的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 (2)GPS網(wǎng)圖形結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中包括：網(wǎng)的精度設(shè)計(jì)能力的可靠性設(shè)計(jì)，網(wǎng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)差能力的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。 GPS控制網(wǎng)基準(zhǔn)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 經(jīng)典控制網(wǎng)的基準(zhǔn)優(yōu)化設(shè)計(jì)是選擇一個(gè)外部配置，使得達(dá)到一定的要求，而GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是對(duì)坐標(biāo)未知參數(shù)X進(jìn)行的設(shè)計(jì)?；鶞?zhǔn)選取的不同將會(huì)對(duì)網(wǎng)的精度產(chǎn)生直接影響，其中包括GPS網(wǎng)基線向量解中的位置基準(zhǔn)的選擇，以及GPS網(wǎng)轉(zhuǎn)換到地方坐標(biāo)系所需的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)。另外，由于GPS尺度往往存在系統(tǒng)誤差，因此應(yīng)提出對(duì)GPS網(wǎng)尺度基準(zhǔn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 1)．位置基準(zhǔn)設(shè)計(jì) 研究表明，GPS基線向量解算中作為位置基準(zhǔn)的固定點(diǎn)誤差是引起基線誤差的一個(gè)重要因素，使用測(cè)量時(shí)獲得的單點(diǎn)定位值作為起算坐標(biāo)，由于其誤差可達(dá)數(shù)十米以上，所以選用不同點(diǎn)的單點(diǎn)定位坐標(biāo)值作為固定點(diǎn)時(shí)，引起的基線向量差可達(dá)數(shù)厘米。因此，必須對(duì)網(wǎng)的位置基準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 2)．尺度基準(zhǔn)設(shè)計(jì)盡管GPS觀測(cè)量本身已含有尺度信息，但由于GPS網(wǎng)的尺度含有系統(tǒng)誤差，所以，還需要提供外部尺度基準(zhǔn)。GPS網(wǎng)的尺度系統(tǒng)誤差有兩個(gè)特點(diǎn)：一是隨時(shí)間變化，由于美國(guó)政府的SA政策，使廣播星歷誤差大大增加，從而對(duì)基線帶來(lái)較大的尺度誤差；另一個(gè)隨區(qū)域變化，由區(qū)域重力場(chǎng)模型不準(zhǔn)確引起的重力攝動(dòng)造成。因此，如何有效地降低或消除這種尺度誤差，提供可靠的尺度基準(zhǔn)就是尺度基準(zhǔn)優(yōu)化問(wèn)題。其優(yōu)化有以下幾種方案：(1)提供外部尺度基準(zhǔn)。對(duì)于邊長(zhǎng)小于50km的GPS網(wǎng)，可用較高精度的測(cè)距儀(或更高)測(cè)量2—3條基線邊，作為整網(wǎng)的尺度基準(zhǔn)。對(duì)于大型長(zhǎng)基線網(wǎng)，可采用SLR站的相對(duì)定位觀測(cè)值和VLBI基線作為GPS網(wǎng)的尺度基準(zhǔn)。(2)提供內(nèi)部尺度基準(zhǔn)。在無(wú)法提供外部尺度基準(zhǔn)的情況下，仍可采用GPS觀測(cè)值作為GPS網(wǎng)的尺度基準(zhǔn)，只是對(duì)作為尺度基準(zhǔn)觀測(cè)量提出一些不同要求，其尺度基準(zhǔn)設(shè)計(jì)如下。在GPS網(wǎng)中選一條長(zhǎng)基線．對(duì)該基線盡可能多地長(zhǎng)時(shí)間、多次觀測(cè)，最后取多次觀測(cè)段所得的基線的平均值，以其邊長(zhǎng)作為網(wǎng)的尺度基準(zhǔn)。由于它是不同時(shí)期的平均值，尺度誤差可以抵消。因此，它的精度要比網(wǎng)中其他短基線高得多，可以作為尺度基準(zhǔn)。以上討論了GPS基線向量解其中位置基準(zhǔn)以及GPS尺度基準(zhǔn)的選擇與優(yōu)化問(wèn)題。此外，GPS成果轉(zhuǎn)換到地面實(shí)用坐標(biāo)系中，還存在一個(gè)轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)的選擇問(wèn)題，此處不再討論。 GPS網(wǎng)的精度設(shè)計(jì)精度是用來(lái)衡量網(wǎng)的坐標(biāo)參數(shù)估值受觀測(cè)偶然誤差影響程度的指標(biāo)。網(wǎng)的精度設(shè)計(jì)是根據(jù)偶然誤差的傳播規(guī)律，按照一定的精度設(shè)計(jì)方法，分析網(wǎng)中各未知點(diǎn)平差后預(yù)期能達(dá)到的精度，這常被稱為網(wǎng)的統(tǒng)計(jì)強(qiáng)度設(shè)計(jì)與分析。一般常用坐標(biāo)的方差——協(xié)方差陣來(lái)分析，也可用誤差橢圓(球)來(lái)描述坐標(biāo)點(diǎn)的精度狀況，或用點(diǎn)之間方位、距離和角度的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)定義。對(duì)于GPS網(wǎng)的精度要求，一般用網(wǎng)中點(diǎn)之間的距離誤差來(lái)表示。其精度與網(wǎng)的點(diǎn)位坐標(biāo)無(wú)關(guān)，與觀測(cè)時(shí)間無(wú)明顯的相關(guān)性(整周模糊度一旦被確定后)，GPS網(wǎng)平差的法方程只與點(diǎn)間的基線數(shù)目有關(guān)，且基線向量的三個(gè)坐標(biāo)差分量之間又是相關(guān)的，因此，很難從數(shù)學(xué)的角度和實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，建立使未知數(shù)的協(xié)因數(shù)陣逼近理想的準(zhǔn)則矩陣。所以，目前較為可行的方法是給出坐標(biāo)的協(xié)出數(shù)陣的某種純量精度標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)。設(shè)GPS網(wǎng)有誤差方程式中．l、v分別為觀測(cè)向量和改正向量。X為坐標(biāo)未知參數(shù)向量陣；P為觀測(cè)值權(quán)陣。為先驗(yàn)方差因子(在設(shè)計(jì)階段?。?)，m為觀測(cè)基線數(shù)。n為待定點(diǎn)數(shù)。由最小二乘可得參數(shù)估值及其協(xié)因數(shù)陣：優(yōu)化設(shè)計(jì)中常用的純量精度標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)其由構(gòu)成的函數(shù)形式的不同的可表示成不同的最優(yōu)純量精度標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)?，F(xiàn)在最常用的是求的軌跡，以次來(lái)表示純量精度。3 大同礦區(qū)GPS控制網(wǎng)設(shè)計(jì)實(shí)例 任務(wù)來(lái)源及工作量大同礦區(qū)為全國(guó)最大的煤炭企業(yè)大同礦物局所屬,并且預(yù)測(cè)煤炭?jī)?chǔ)量豐富,工業(yè)前景可觀。但是該礦區(qū)原有測(cè)量控制網(wǎng)為90年代建立,歷經(jīng)十幾年的采礦影響,認(rèn)為破壞及地貌變化,使原有控制點(diǎn)大部分失去控制作用,使得服務(wù)于日常生產(chǎn)的多項(xiàng)測(cè)量工作難以正常進(jìn)行,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足礦山生產(chǎn)和工程建設(shè)的需要。因此,該礦區(qū)急需建立新的測(cè)量控制網(wǎng)。該網(wǎng)不但要滿足日常采礦生產(chǎn)需要,而且還要顧及遠(yuǎn)景規(guī)劃及預(yù)測(cè)區(qū),控制面積約600 KM2，測(cè)量范圍（如圖31）為：圖31 已知點(diǎn)分布圖東至：550km(大同礦區(qū)獨(dú)立坐標(biāo)系)南至：4415km西至：534km北至：4439km 測(cè)區(qū)概況大同礦區(qū)位于山西省大同市西南，地跨大同、朔州兩市，地處東經(jīng)112度53分─113度12分，北緯39度55分─40度零8分,距市區(qū)12。5公里，轄區(qū)與大同市南郊區(qū)交叉，總面積約90平方公里，號(hào)稱百里礦區(qū)。區(qū)內(nèi)為平緩的丘陵地貌，西南高，東北低。尖口山最高，口泉溝最低。境內(nèi)主要山脈有七峰山、雞爪山、大鐘山、馬武山等；主要河流有口泉河、十里河，均為季節(jié)性河流。該區(qū)廠礦企業(yè)主要分布在口泉─黑流水(口泉溝)，馬軍營(yíng)─燕子山(云崗溝)兩條狹長(zhǎng)的山溝里。 通往礦區(qū)的鐵路有大同—王村、大同—燕子山兩條礦區(qū)專用線，各煤礦集運(yùn)站都分散在兩條專用線周圍。以橫穿礦區(qū)東西向的109國(guó)道、沿礦區(qū)東側(cè)穿行的南北向大運(yùn)公路為骨干線，配以礦區(qū)內(nèi)專用公路，交通十分方便。礦區(qū)供水水源以第四系潛水為主，現(xiàn)有大同市的白馬城水源地以及時(shí)莊水源地，供水量嚴(yán)重不足，需另找新的水源。礦區(qū)電源主要來(lái)自大同市第一熱電廠和神頭電廠。礦區(qū)現(xiàn)有生產(chǎn)煤礦55處，其中國(guó)有重點(diǎn)煤礦18處，設(shè)計(jì)能力3645萬(wàn)噸/年。截至1996年末，大同礦區(qū)保有探明儲(chǔ)量386。43億噸，其中生產(chǎn)礦井保有儲(chǔ)量77。41億噸。礦區(qū)原有國(guó)家二等三角網(wǎng)8個(gè),經(jīng)野外踏勘,發(fā)現(xiàn)有3個(gè)已明顯被破壞或受采動(dòng)影響?，F(xiàn)只有代家溝、孫家溝、羊坊、懷仁、土臺(tái)山5個(gè)點(diǎn)的標(biāo)石保存完好（如圖31）。設(shè)計(jì)采用的是比例尺為1：10000的大同礦區(qū)航攝地形圖。1989年航攝，1992年成圖，1994年縮編成圖。地形圖采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，等高距為5米。 布網(wǎng)方案 技術(shù)設(shè)計(jì)的依據(jù)與基準(zhǔn)設(shè)計(jì)1）技術(shù)設(shè)計(jì)的依據(jù)2001年國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范(CH200192)。2）基準(zhǔn)設(shè)計(jì)GPS測(cè)量獲得的是GPS基線向量,它屬于WGS—84坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)差,而實(shí)際需要的是國(guó)家坐標(biāo)系或地方獨(dú)立坐標(biāo)系的坐標(biāo)。因此需要結(jié)合測(cè)區(qū)概況和已有資料(圖31),進(jìn)行GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)。根據(jù)大同礦區(qū)近期發(fā)展與遠(yuǎn)景規(guī)劃相結(jié)合的戰(zhàn)略目標(biāo)，按照現(xiàn)階段礦區(qū)建設(shè)的需要，采用大同礦區(qū)獨(dú)立坐標(biāo)系,中央子午線經(jīng)度為112176。30′,投影面與54北京坐標(biāo)系相同而建立的坐標(biāo)系統(tǒng)。 方案設(shè)計(jì)的技術(shù)分析1）等級(jí)確定根據(jù)中華人民共和國(guó)測(cè)繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《全球定位系統(tǒng)城市測(cè)量技術(shù)規(guī)程》、《煤礦測(cè)量規(guī)程》和大同礦區(qū)的具體情況，確定該測(cè)區(qū)可建立D級(jí)GPS網(wǎng)[10]，有關(guān)技術(shù)要求見(jiàn)表31：表31 基本技術(shù)要求項(xiàng)目技術(shù)要求平均邊長(zhǎng)(km)5～10a(mm)≤10b(mm)≤10最弱邊相對(duì)中誤差1/450002）技術(shù)設(shè)計(jì)I．時(shí)段設(shè)計(jì)根據(jù)規(guī)范對(duì)D級(jí)網(wǎng)的要求，采用快速靜態(tài)相對(duì)定位，時(shí)段長(zhǎng)度根據(jù)邊長(zhǎng)而定，具體時(shí)間見(jiàn)表36。GPS網(wǎng)的時(shí)段設(shè)計(jì)有點(diǎn)連式、邊連式和網(wǎng)連式三種基本方法。點(diǎn)連式所構(gòu)成的圖形幾何強(qiáng)度太弱；網(wǎng)連式布網(wǎng)冗贅，工作量太大；邊連式布網(wǎng)有太多的非同步閉合條件，工作量適中。根據(jù)D級(jí)GPS網(wǎng)的要求我們采用邊點(diǎn)結(jié)合的混合式布網(wǎng)方法。II．觀測(cè)方法GPS網(wǎng)的觀測(cè)采用載波相位快速靜態(tài)相對(duì)定位模式,作業(yè)儀器采用4臺(tái)Timble5700雙頻GPS接受機(jī),它的標(biāo)稱精度可達(dá)5 mm177。1ppm,滿足精度要求。作業(yè)方法是:將GPS四套接收機(jī)設(shè)備分別安置在網(wǎng)中四邊形的各個(gè)端點(diǎn)上,對(duì)基線邊同步觀測(cè)4顆衛(wèi)星。這種模型的特點(diǎn)是:觀測(cè)過(guò)的基線邊構(gòu)成一個(gè)閉合圖形,便于觀測(cè)成果的檢驗(yàn),從而提高觀測(cè)成果的可靠性和GPS網(wǎng)平差后的精度。[9] GPS網(wǎng)的設(shè)計(jì)及施測(cè)方法1） GPS網(wǎng)的設(shè)計(jì)I．設(shè)計(jì)原則① GPS網(wǎng)一般應(yīng)采用獨(dú)立觀測(cè)邊構(gòu)成閉合圖形，如三角形、多邊形或附合線路，以增加檢核條件，提高網(wǎng)的可靠性。②GPS網(wǎng)作為測(cè)量控制網(wǎng)，其相鄰點(diǎn)間基線向量的精度，應(yīng)分布均勻。③GPS網(wǎng)點(diǎn)應(yīng)盡量與原有地面控制點(diǎn)相結(jié)合。重合點(diǎn)一般不少于3個(gè)（不足時(shí)應(yīng)聯(lián)測(cè)），且在網(wǎng)中分布均勻，以可靠地確定GPS網(wǎng)與地面之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。④GPS網(wǎng)點(diǎn)應(yīng)考慮與水準(zhǔn)點(diǎn)重合，而非重合點(diǎn)，一般應(yīng)根據(jù)要求以水準(zhǔn)測(cè)量（或相當(dāng)精度的測(cè)量方法）進(jìn)行聯(lián)測(cè)，或在網(wǎng)中布設(shè)一定密度的水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)點(diǎn)。⑤為了便于GPS的測(cè)量觀測(cè)和水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，減少多路徑影響，GPS網(wǎng)點(diǎn)一般應(yīng)設(shè)在視野開(kāi)闊和交通便利的地方。⑥為了便于用經(jīng)典方法聯(lián)測(cè)或擴(kuò)展，可在GPS網(wǎng)點(diǎn)附近布設(shè)一通視良好的方位點(diǎn)以建立聯(lián)測(cè)方向，方向點(diǎn)與觀測(cè)站距離一般應(yīng)大于300米。⑦GPS網(wǎng)必須由非同步獨(dú)立觀測(cè)邊構(gòu)成若干個(gè)閉