首级GPS控制网的布设与数据处理方法研究

首级GPS控制网的布设与数据处理方法研究

吕继书

摘 要： 目前，GPS应用于控制测量领域已经非常广泛，在油气管道控制测量中，也采用GPS静态测量方式进行，通过近年来、多次工程的时间，对油气管控制测量在准备、方案设计、选点埋石、观测、数据处理、平差等几方面总结出一套切实可行的办法，在满足规范要求的前提下，减少外业工作内容，缩短工作周期。

关键词：GPS；控制测量；数据处理；平差 0 前言

《油气输送管道工程测量规范》GB/T 50539-2009中规定，线路的平面控制测量，宜采

用GPS测量或光电测距附合导线测量方法。采用GPS测量时，当国家等级点密度不能满足线路控制联测需要时，应先进行国家等级点加密控制测量。加密控制网可视为线路的首级控制网。首级GPS控制网的高程可采用GPS拟合高程测量或五等光电测距三角高程测量。通过多年来油气输送管道工程测量的实践和研究，现将油气输送管道线路测量首级GPS控制网的布设与数据处理方法予以总结，供今后工作中参考。

首级GPS控制网测量包括准备工作、测量方案设计、选点埋石、观测与数据处理及平差计算五个部分。 1 准备工作

首先在1：5万或1：1万地形图上展绘已批复的设计线路方案。然后根据线路走向，在地形图上标识出测区范围内的国家三角点与GPS控制点，尽量选取距离线路较近且等级比较高的国家三角点与GPS控制点，向有关部门搜集这些点的资料。搜集资料时应包括坐标、高程、等级、系统、精度、点之记、施测单位及施测年代等。 2 布网原则

在进行控制点布设时，首先要清楚布网的原则，主要有：

1 首级GPS控制网宜沿线路按点对布设，构成由四边形或大地四边形组成的带状网（布设时应注意避免点连接）。点对间的距离宜为8km～15km，最长不应超过20km。组成点对的两点间应互相通视，其间距不宜小于400m，特殊情况下不应小于300m。

2 线路的起终点、隧道两端、大中型穿（跨）越点以及大型站址等附近宜布设GPS点对。

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3 首级GPS控制网应与不低于国家四等三角点的大地点或相当精度的既有GPS点联测。联测点数不应少于三个，特殊情况下不应少于两个。当联测点为三个及其以上时，宜在网中均匀分布；当联测点为两个时，应分布在网的两端。

4 联测点的间距不应大于100km。联测点只有两个时，应采用GPS测量证明两点距离精度可靠方可使用，线路过长时可视情况分段，在各段交界附近应布设一对GPS控制点。 3 方案设计

3.1 根据已确定的国家控制点、布网原则和地形在图上进行控制网方案设计。控制点选定以后，对各个控制点命名，并解析出各个控制点的坐标，便于在施测过程中概略定位。 3.2 首级GPS控制网当采用 GPS进行拟合高程控制测量时，GPS 网点除利用国家等级水准点或相当精度的既有高程点外，应根据精度需要和测区地形状况适当联测高程点。 3.3 GPS拟合高程测量的主要技术要求，应符合下列规定：

1 首级GPS控制网宜与四等或四等以上的水准点联测。联测的GPS点，应分布在测区的四周和中央。联测高程可用等级水准或与其精度相当的其它方法测定。

2 联测点数，宜大于选用计算模型中未知参数个数的1.5倍，点间距宜小于10㎞。 3 地形高差变化较大的地区，应适当增加联测的点数。 3.4 GPS拟合高程计算，应符合下列规定：

1 应对联测的已知高程点进行可靠性检验，并剔除不合格点。

2 对于地形平坦的小测区，可采用平面拟合模型；对于地形起伏较大的大面积测区，宜采用曲面拟合模型。

3 对拟合高程模型应进行优化。

4 GPS点的高程计算，不宜超出拟合高程模型所覆盖的范围。

3.5 对GPS点的拟合高程成果，应进行检验。检测点数不宜少于全部高程点的10％且不宜少于3个点；高差检验，可采用相应等级的水准测量方法或光电测距三角高程测量方法进行，其高差较差不应大于30Dmm，（D为检查路线的长度，单位为㎞）。 3.6 GPS拟合高程测量宜与GPS平面控制测量同时进行。 3.7 首级GPS控制网外业观测采用静态模式。

3.9 示例：如某工程的线路长度在80km左右，搜集到3个国家三角点，均匀分布在测区当中，共布设18个控制点，首级GPS控制网示意图如下：

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首级GPS控制网示意图

注：其中每两对GPS点间的距离约为10km，即GPS01－GPS03间的距离为10km左右，组成点对的两点间距离为500m左右，保证平均边长在5km左右，且控制点兼顾了站场、隧道穿越、河流穿越，在其附近都布设了控制点点对。

4 选点埋石

4.1 选点准备

首级GPS控制网选点准备应符合下列要求：

1 了解线路走向方案以及大中型穿（跨）越工程的位置。 2 了解沿线的社会依托情况。 4.2 选点要求

首级GPS控制网选点应符合下列要求：

1 点位的选择应按照图上选定的控制点定位确定，根据实际情况可以在小范围内变动，不允许大范围内的调整。点位的选择应有利于其它测量手段进行扩展和联测。

2 点位应便于安置接收设备和操作，视野开阔，高度角15°以上范围内应无障碍物阻挡卫星信号。

3 点位应远离大功率无线电发射源（如电视台、微波站等），其距离不宜小于200m；远离高压输电线，其距离不宜小于50m。

4 点位应便于保存、寻找和到达。

5 点位附近不应有强烈干扰卫星信号接收的物体。 6 选点完毕，应实地绘制点之记。 4.2 桩的埋设

首级GPS控制点应埋设混凝土桩，桩上应做好标志和标字。根据需要办理测量标志委托保管书。

5 观测

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5.1 首级GPS控制网观测要求

5.1.1 首级GPS控制网测量作业的基本技术要求应符合表5.1.1的规定。

表5.1.1 首级GPS控制网测量作业的基本技术要求

等级 卫星高度角（°） 有效观测卫星数 观测时段长度（min） 数据采样间隔（s） 静态 静态 静态 静态 D级 ≥15 ≥4 15～45 10～30 ≤6 点位几何图形强度因子PDOP

5.1.2 观测人员必须按照GPS接收机操作手册的规定进行作业。

5.1.3 天线宜利用脚架对中。当精度要求较低时，可用带支架的对中杆对中。对中允许偏差为3mm。

5.1.4 每次观测前后应各量取一次天线高。两次量测较差不应大于3mm，符合要求取平均值作为天线高。由于特殊原因关闭接收机的，应做好记录，并重新量取仪器高。

5.1.5 测量开始后，确认GPS在记录测量数据。不得无故关闭接收机，造成测量数量不充足。备有重组的电源，保证电源能够满足当天测量的需求。观测时应按规定逐项填写观测手簿，同时应注意仪器的警告信息，及时处理各种特殊情况。 5.1.6 观测过程中，不应进行以下操作：

1 关闭接收机又重新启动。 2 进行自测试（发现故障除外）。 3 改变接收机预置参数。 4 改变天线位置。

5 按关闭和删除文件功能键。

6 不应在天线附近使用无线电通讯设备﹝必须使用时，对讲机、手机应距天线10m以上，车载台应距天线50m以上﹞。

5.1.7 测量结束时，确保前后点位有充足的相对观测时间，然后再关闭GPS接收机，并检查测量记录，包括点名、开机时间、仪器高、与关机时间。每日观测结束后，应及时将数据转存至计算机上，并拷贝成一式两份，不应进行任何剔除或删改，也不应调用任何对数据实施重新加工组合的操作指令。 5.2 示例

测量以5台GPS接收机为例，其中4台主要进行线路控制点GPS01～GPS18的测量工作，另外一台进行国家三角点联测工作。由于三角点一般都在高山上，不容易到达，路途花费时间较多，故用一台GPS接收机单独进行测量，以保证与其它控制点间有充分的相对观测时间。

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其余4台GPS接收机按照边连接的形式，首先在GPS01、GPS02、GPS03、GPS04四个控制点上安置GPS接收机；观测一个时段以后，关闭GPS接收机，再将GPS01、GPS02两点的GPS接收机安置在GPS05、GPS06两点位上，以此类推，直至GPS15、GPS16、GPS17、GPS18。三角点上的GPS测量，SJD1上的测量，要与GPS01～GPS06点位有相对观测时间，SJD2上的测量，要与GPS05～GPS12点位有相对观测时间，SJD3上的测量，要与GPS12～GPS18点位有相对观测时间，测量过程中要保持通讯畅通，在通讯不畅通区，要留够足够的时间，以保持点位间的相对观测时间。

6 数据处理及平差计算

6.1 数据处理

6.1.1 数据处理分为基线解算及外业数据质量检核。

6.1.2 首级GPS控制网基线解算可采用随机配备的商用软件。

6.1.3 首级GPS控制网应以适当数量和分布均匀的国家控制点的资料数据为起算数据。 6.1.4 基线解算应在WGS-84坐标系统下进行，以软件自动选定的控制点作为起算点（一般软件选择观测时间最长的点）。

6.1.5 将GPS接收机中的数据传输到计算机中，按照观测记录输入点名、天线高，进行基线解算。

6.1.6 基线解算时应进行外业数据质量检核。基线解算出的向量应符合下列要求：

1 同一时段观测值的数据剔除率不宜大于10%。

2 同一条边复测成果的较差应小于GPS接收机标称精度的22倍。

（如例中控制网中，GPS03－GPS04 …… GPS15-GPS16基线均测量了两次，就存在基线较差。）

3 同步环应进行闭合差检验，其闭合差应符合式式（5.1.6-1）～式（5.1.6-4）的规定。

n (5.1.6-1) 5n （5.1.6-2） WY≤5n (5.1.6-3) WZ≤53n222 (5.1.6-4) WWXWYWZ≤5式中 ： WX、WY、WZ——坐标分量闭合差；

WX≤

W——环的全长闭合差；

 ——基线测量中误差，采用外业使用GPS接收机的标称精度；

边长按实际平均边长计算；

n ——闭合环的边数。

4 异步环应进行闭合差检验，其闭合差应符合式（5.1.6-5）～式（5.1.6-8）的规定。

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WX≤3n (5.1.6-5) WY≤3n (5.1.6-6) WZ≤3n (5.1.6-7)

W≤33n (5.1.6-8)

6.1.7 当检验或数据处理时发现观测数据不能满足要求，应对成果进行全面的分析，并对其中部分数据进行补测或重测。 6.2 平差计算

6.2.1 外业观测数据检核合格并进行基线解算后，首级GPS控制网应以三维基线向量及其相应方差-协方差阵作为观测信息进行无约束平差。

6.2.2 无约束平差应在WGS-84坐标系统下进行，以软件自动选定的一个控制点作为起算点。 6.2.3 无约束平差中，对所有基线应进行检查，对于不合格的基线应该进行剔除，但对于控制网中主要的基线不应进行剔除。如前后相邻控制点间、点对间的基线，如果出现不合格的，则需要对数据进行检查，如观测时间、卫星条件、有效卫星总数等，此外，需要对卫星信号较差的基线进行限制或者剔除处理，直至达到要求。必要时，需要对外业资料进行补测、重测。

6.2.4 无约束平差中，基线分量的改正数应符合式（5.2.4-1）～式（5.2.4-3）规定。

VX≤3 (5.2.4－1)

VY≤3 (5.2.4－2) VZ≤3 (5.2.4－3)

式中：VX、VY、VZ——基线分量改正数；

 ——基线测量中误差，采用外业使用GPS接收机的标称精度。

6.2.5 首级GPS控制网在无约束平差后应进行约束平差。首先应进行已知点的兼容性检查，即分析所有的已知点中，那些是可用的。在软件当中，改变坐标系统为国家坐标系或地方坐标系下，选取一已知点，作为控制网的起算点，输入其坐标、高程，进行平差，将计算出的其他已知点的坐标与收集的资料进行比较，通过计算出来的较差可以看出，已知点的较差相互之间越接近的，说明已知点间的兼容性越好。且已知点间的边长相对中误差应≤1/40000，高程较差应≤20Lmm。选择兼容性好的点作为控制网的已知数据，进行约束平差。

6.2.6 约束平差时，应以无约束平差确定的有效观测量为基础，进行约束平差，平差时应符合下列规定：

1 应在国家坐标系或地方坐标系下，进行三维约束平差或二维约束平差。

2 作为约束条件的已知坐标、距离或方位，可以作为强制约束的固定值，也可作为加权约束的可变值。

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3 采用三维约束平差时，可只假定一个点的大地高作为高程起算数据。 4 采用二维约束平差时，应先将三维GPS基线向量转换为二维基线向量。

5 约束平差基线向量改正数与无约束平差的同名基线改正数的较差应满足式（5.2.6-1）～式（5.2.6-3）要求：

dVX≤2 (5.2.6－1)

dVY≤2 (5.2.6－2)

dVZ≤2 (5.2.6－3)

式中：dVX、dVY、dVZ——约束平差与无约束平差同一基线改正数较差；

 ——基线测量中误差，采用外业使用GPS接收机的标称精度。

6 约束平差中，对所有基线应进行检查，对于不合格的基线应该进行剔除，但对于控制网中主要的的基线不能进行剔除。对于主要基线不合格的，需要进行数据检查或补测。

7 平差结果，应输出控制点在国家坐标系或地方坐标系下的三维或二维坐标、基线向量改正数、基线长度、基线方位角等，以及相关的精度信息。需要时，还应输出坐标转换参数及其精度信息。

5.2.7 计算GPS控制网点的正常高，应符合下列规定：

1 应先利用已联测高程的GPS点的正常高和经GPS控制网平差得到的大地高，求其高程异常值。

2 应根据联测高程点的分布、地形、转换后高程的精度，选择适宜的数学模型（如直线拟合法、曲线拟合法、平面拟合法、曲面拟合法、双B样条拟合法以及插值法等）进行GPS高程转换。

5.2.8 首级GPS控制网平差以后，应进行精度检查，相邻点基线分量中误差应满足下表的规定。

相邻点基线分量中误差 级别 水平分量（㎜） D级 E级 20 20 垂直分量（㎜） 40 40 5 3 相邻点间平均距离（㎞）

7 结束语

GPS用于油气管道控制测量已经得到了广泛的应用，在实际作业过程中，只有严格按照规范的要求进行外业数据采集与内业计算检查，才能得到合格的控制网成果。同时，又要兼顾油气管道的特点，在满足规范要求的前提下，减少外业工作内容，缩短工作周期。

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