无锡市GPS控制网建立的研究
陈 琦1，谢 飞2
（1无锡市测绘院有限责任公司，江苏 无锡 214031；2江苏省测绘工程院，江苏 南京 210013）
摘 要 随着经济全球化的加快发展，“数字地球”和“数字中国”的概念为测绘事业发展提供了新的机遇和更高层次的发展前景。GPS定位技术是目前建立城市三维坐标系统的核心技术，在以常规测量建立的旧控制网和空间大地测量手段建立的新控制网之间架起了桥梁，不但能够保证与地方坐标系的一致，而且测量结果具有足够的精度，能够实现真正意义上的三维定位，满足高精度、高效率、多功能的技术要求。
关键词 GPS 三维控制网
中图分类号： 文献标识码： 文章编号：
1 背景
城市基础测绘在城市规划和经济建设中是一项长期而艰巨的公益性事业，城市的可持续发展需要有测绘工作的支持和保障，实施基础测绘成果的现势性，才能更好地体现城市测绘工作服务于城市社会的各个方面。无锡市城市建设正在迅速的发展，城市面貌发生着日新月异的变化，特别是在2001年确立建设特大城市的前进目标，建立无锡市统一的高精度、三维（GPS）空间基准、高程基准，全市基本比例尺数字化地形图等各项基础测绘工作更显迫切，是测绘工作者义不容辞的责任。
随着空间技术的发展和应用，卫星大地测量提供了三维性和地心性的崭新概念，GPS定位测量技术作为新的大地测量的手段，为建立区域性的高精度基础测绘基准开辟了新的前景。GPS定位测量技术的普及，提供了直接测定地面点三维坐标的精密技术。新的理念为解决无锡市建立高精度、三维GPS空间定位基准，区域性精化大地水准面提供了行之有效的理论方法和科学手段。
利用现代大地测量的高新技术方法和手段，改造已经不适应的无锡市原有三等三角控制网，同时对约900平方公里缺乏基本测绘控制的区域内，尽快地建立集平面、高程、重力场信息于一体的统一完整的综合性城市控制网，必将为无锡市城市规划、经济建设、领导决策、重大工程建设、社会的可持续发展提供高精度、多功能的测绘保障，充分体现城市测绘的服务职能，为加快“数字无锡”工程建设奠定坚实的基础，具有重要的科学意义和社会意义，并将产生巨大的经济效益。
建立“无锡市四等GPS控制网”的主要目的是提供控制点高精度的WGS84地心坐标和1954年北京坐标；并且为精化大地水准面奠定一个坚实的基础，从而为无锡市各种工程建设服务。具体工作包括：选点、埋石、野外数据采集、GPS网基线解算及平差、1954年北京坐标系内的约束平差以及高精度大地水准面的确定。
2总体设计
无锡市四等GPS控制网的建立，由于客观的原因，在认识上和组织实施上分为二个阶段进行。以2001年无锡市行政区变更为契机，因新并入的原锡山市约900平方公里范围内，进行城市规划使用的城市基础测绘资料缺乏，为推进全市区域各项基础测绘工作进入全面实施阶段，在充分分析江苏省C级GPS网点在无锡市范围内所建立的11个点位，其良好的分布状态和有效的控制范围，无锡市的四等GPS网不安排建立框架网，而由省的C级网点所替代，整体网呈全面展开的网形态势（见图1）。不建立框架网的工作，不仅缓解了时间上紧迫的矛盾，而且可以减少人力、物力和财力的投入，不失为一个较理想的总体方案。
图1 无锡市四等GPS控制网及省C级点分布示意图
无锡市四等GPS控制网是由分期实施的11个GPS网组成（见图2）。为此，应注意各网间的有效的方式连接，并在观测时段和重复设站数上得以保证，以获得统一的最优化的整体效果。全网的平均边长为2公里左右，点位宜均匀分布，便于以后使用。
图2 无锡市四等GPS控制网各期作业区图
初期完成了无锡二等水准网的观测工作，在水准路线中联测了约80个四等GPS地面点，点位在网中呈均匀分布，以提供一定数量的观测成果，用于精化无锡市地区的似大地水准面的确定，以获取一个具有生产实用精度的似大地水准面。
3基线解算中几个主要因素的应对措施
基线解算的过程是自动进行的，无需过多的人工干预。处理中，对影响GPS基线解算结果的几个主要因素的应对措施为：
卫星观测时间短：若某颗卫星的观测时间太短，则可以删除该卫星的观测数据，不让它们参加基线解算，这样可以保证基线解算结果的质量。
周跳太多：若多颗卫星在相同的时间段内经常发生周跳，则可采用删除周跳太多的时间段的方法，来尝试改善基线解算结果的质量；若只是个别卫星经常发生周跳，则可采用删除经常发生周跳的卫星的观测值的方法，来尝试改善基线解算结果的质量。
多路径效应严重：由于多路径效应往往造成观测值残差较大，因此，可以通过缩小编辑因子的方法来剔除残差较大的观测值；另外，也可以采用删除多路径效应严重的时间段或卫星的方法。
对流层或电离层折射影响过大：提高截止高度角，剔除易受对流层或电离层影响的低高度角观测数据；分别采用模型对对流层和电离层延迟进行改正。
4 基线质量的检验及结果分析
基线解算完毕后，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、RDOP、RMS、同步环闭合差、异步环闭合差和重复基线较差来进行。对于质量不好的基线应利用卫星的可见性图和残差图来分析影响GPS基线解算结果的因素，重新解算，直至合格。质量不好的基线判断标准主要为：Ratio值小于1.5；方差为 数量级；基线分量闭合差大于4cm；全长相对闭合差大于4ppm的基线。
检核通过各时段所有基线的同步环闭合差后，只保留独立基线，再检核异步环闭合差，发现包含大浮区10月16日A时段610点（龙王山）的异步环闭合差超限。分析发现，其水平方向分量的闭合差合格，只垂直方向分量的闭合差超限，估计由610点天线高错误导致。查原始数据记录，确定天线高应由0.448m改为1.448m。第二区基线向量利用PowerADJ软件进行异步环检核，共检核异步环7个，所有的异步环统计结果都符合限差，其中最大的3.743ppm，最小的为0.695ppm。
5 网平差方案
考虑到无锡GPS控制网野外数据采集时间跨度较长（七年）、所采用的仪器及处理的软件也不一致等原因，平差的总体原则设计为：分区平差，约束边界。具体方法为：将无锡GPS控制网分成两个区进行平差，先对第一区进行平差，其基准为8个省级C级点；然后进行第二区平差，基准为1个省级C级点和部分第一区与第二区的公共点（2个）；公共点成果采用第一区平差所得的结果。在选取公共点的时候，注意到两个测区的边界点坐标的比较，选取精度高和匹配好的控制点。在平差的过程中，应注意基准点的核实，采用逐步的固定基准点，来检验别的基准点是否正确，在所有的基准点都已验证正确的条件下，再固定所有的基准点进行网的三维和二维约束平差。
6 精度分析
固定8个点的X，Y作二维约束平差：二维约束平差后，平均点位误差为1.430cm；最弱点为0313，其中点位误差 2.8cm ，两个分量的最大中误差2.152cm（dx）； 1.744cm（dy）；两个分量的平均中误差：1.094cm（dx）、0.919cm（dy）。
固定9个点的X，Y作二维约束平差：最弱点为0137，点位中误差 2.9cm；平均点位误差 1.463cm；两分量方向最大中误差2.255cm（dx）、1.826cm（dy）；两方向平均中误差1.118cm （dx）、0.940cm（dy）。
固定5个点的X，Y作二维约束平差：最弱点为0328 踏青湾，点位中误差为3.823cm；平均点位误差1.749cm；两分量方向最大中误差2.892cm（dx）、2.536cm（dy）；两分量方向平均中误差1.362cm （dx）、1.095cm（dy）。
三种方案的比较：第二种方案与第一种方案比较：X坐标平均较差1cm；Y坐标平均较差0.6cm。第三种方案与第一种方案比较：X坐标平均较差7cm；Y坐标平均较差3cm。第三种方案与第二种方案比较：X坐标平均较差6cm；Y坐标平均较差4 cm。根据三种方案的点位精度和坐标较差比较分析，可知，方案1的精度相对最高。方案3中5个点多集中在网的中部，分布不是很均匀，所以从平差结果的比较看三个方案中其精度最低。
7 结论
（1）GPS网布设均匀，结构合理，观测时间符合设计要求，采用混联式观测，能够满足所需的精度要求。
（2）GPS网的基线处理采用GPSurvey和SKI软件，平差采用GPSurvey和Power ADJ软件进行，数据处理模型严密，方法合理。
（3）GPS网的起算数据准确可靠，结果精度高。基线处理的精度达到了工程技术设计的要求。
（4）控制网的平均边长为1857.28m。三维约束平差后，平均相对精度为1/200000，最弱边相对精度为1/78447，边长为0.916km；坐标分量在水平方向上的平均精度为0.86cm，大地高方向为2.01cm。最弱点为0025，其水平精度为2.08cm，大地高精度为4.00cm。
（5）GPS网的三维约束平差结果建立了该地区在ITRF93框架下的三维大地坐标基准，并与江苏省C级GPS网的基准一致。同时也确定了控制点精确的1954年北京坐标。
（6）高精度控制点坐标为今后基础测绘基准的最终建立提供了科学的依据，也可为高精度、高分辨率似大地水准面的建立提供均匀、可靠和精确的数据。
Study on the GPS Control Network Builded by Wuxi
Chen Qi1，Xie Fei2
（1Wuxi Surceying &Mapping Institute Co.,Ltd.，Wuxi Jangsu 214031；
Surveying and Mapping Engineering Institute ofJiang Su Province, Nanjing Jiangsu 210013）
Abstract：With the development of the economical globalization speeding up， the digital Earth and digital China has become the inevitable trend. The GPS localization technology is at present establishes the city three dimensional coordinates system the core technology. Old control net was established by the routine measurement. And newly control net was established by the space geodetic survey method. GPS set up the bridge between them. Not only can guarantee with the place coordinate system consistency， but also the measurement result has the enough precision.
Key words：GPS，three dimensional control network