赵鑫：GPS在公路控制测量中的应用
4 GPS控制网的技术设计
4.1 GPS控制网技术设计的一般原则
GPS测量控制网与传统的测量相比，除了定位精度高，观测时间短，测站间无需通视、全天候、自动化程度高、操作简便、可提供三维坐标等众多优点之外，GPS测量控制网还具有几个比较鲜明的特点：“分级布设，逐级控制”的要求有所淡化；图形强度有所降低；有着严格的网形结构要求和科学的质量控制体系；设计一系列的坐标转换；能提供丰富的三维坐标信息，各GPS网点应该至少提供一个以上的通视方向。而根据上述所说的GPS控制网的特点，进行GPS布网设计时，应遵循以下原则：
1）根据测区实际情况或甲方的具体目的和要求进行合理设计。
进行GPS网技术设计时，应依据国家或行业的有关GPS测量规范（规程）或测量任 务书根据测量任务的范围、目的、精度和密度要求提交成果资料和项目和时间、完成任务的降级指标等，再结合现场踏勘以及当地条件，科学、合理的确定适宜的精度等级、坐标系统、网形结构、数据处理方案、软硬件设备以及后勤保障。
2）既提供通视、又兼顾质量和效率
为了便于常规测量仪器使用GPS控制点的成果，在进行GPS点位设计时应从甲方需求和测区地形、植被等实际情况出发，既要为各GPS点提供至少一个通视方向（通视点不要求是相邻点），更应该兼顾观测效率，尽量减少转站时间。通常来讲应首先将GPS点位选在交通便捷、利于保存、能进行高质量观测的地方，有困难时也可将点位选在一些高楼或山顶上，同时也应顾及三角高程或水准联测的要求。 3）全面考虑各种构网因素
为了保证GPS网点的可靠性和高质量，进行GPS网设计时应将各种构网因素如参与同步观测的接收机台数、测站的重复设站数、闭合环以及符合线路的边数特别事独立边和独立环等因素加以综合考虑。更应该注意对同步基线、异步基线、独立基线以及独立环的理解。
4）与原有的控制点联测
为了求定GPS点在地面坐标系统中的坐标，应在地面坐标系中联测若干个原有控制点，（联测点数不应该少于2~3个），城市GPS网不仅应该联测原城市控制点还应该联测国家控制点。
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辽宁工程技术大学毕业设计（论文）
5）充分利用旧有的控制点的标志和标石
当旧有的控制点的点位满足GPS点的选点要求和观测要求，且标石稳定、完好时应加以充分利用，这样不仅可以节省埋设标石的费用，还可以利用这些公共点位的成果进行坐标转换或成果对比。
6）顾及GPS高程研究和应用
GPS控制测量不仅能提供平面控制，还能进行GPS高程研究和应用，因而当需要利用GPS高程方法求定GPS点的正常高时，在布网时就应顾及GPS点的水准联测问题，同时应根据精度要求和测区的地形特征来合理布设GPS点位。
4.2 GPS网的图形设计
常规测量中对控制网的图形设计是一项非常重要的工作。而在GPS图形设计时，因GPS同步观测不要求通视，所以其图形设计具有较大的灵活性。GPS网的图形设计主要取决于用户的要求、经费、时间、人力以及所投入接收机的类型、数量和后勤保障条件等。 根据不同的用途，GPS网的图形布设通常有点连式，边连式，网连式及边点混合连接四种基本方式。也有布设成星形边接、三角锁形连接等。选择什么样的组网，取决于工程所要求的精度、野外条件及GPS接收机台数等因素。
1）点连式
点连式是指相邻同步图形之间公有一个公共点的连接。以这种方式布点所构成的图形几何强度很弱，没有或极少有非同步图形闭合条件，一般不单独使用。
图4-1点连式图
Fig.4-1 point even type chart
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2）边连式
边接式是指同步图形之间由一条公共基线连接。这种布网方案，网的几何强度较高，有较多的复测边和非同步图形闭合条件。在相同的仪器台数条件下，观测时段数将比点连式大大增加。
图4-2边连式图形
Fig.4-2 side even type graphics
3）网连式
网连式是指相邻同步图形之间有两个以上的公共点相连接，这种方法需要4台以上接收机。显然，这种密集的布网方法，它的几何强度和可靠性指标是相当高的，但花费的经费和时间较多，一般仅适于较高精度的控制测量。 4）边点混合连接式
边点混合连接式是指把点连式与边连式有机地结合起来，组成的GPS网，既能保证网的几何强度，提高网的可靠性指标，双能减少外业工作量，降低成本，是一种较为理想的布网方法。
表4-3边点混合式图形
Fig.4-3 edge point hybrid graphics
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5）三角锁(或多边形)连接
用点连式或边连式组成连续发展的三角锁同步图形，此连接形式适用于狭长地区的GPS布网，如铁路、公路及管线工程勘测。 6）导线网形连接(环形图)
将同步图形布设为直伸状，形如导线结构式的GPS网，各独立边应组成封闭状，形成非同步图形，用以检核GPS点的可靠性。适用于精度较低的GPS布网。该布网方法也可与连式结合起来布设。 7）星形布设
星形图的几何图形简单，其直接观测边间不构成任何闭合图形，所以其检查发现粗差的能力比点连式更差，但这种布网只需要两台仪器就可以作业。若有三台仪器，一个可作为中心站，其它两台可流动作业，不受同步条件条件限制。由于方法简便，作业速度快，星形布网广泛地应用于精度较低的工程测量、地质、地球物理测点、边界测量、地籍测量和碎部测量等。
在实际布网设计时还要注意以下几个原则:
a、GPS网的点与点间尽管不要求通视，但考虑到利用常规测量加密时的需要，每点应有一个以上通视方向。
b、为了顾及原有城市测绘成果资料以及各种大比例尺地形图的沿用，应采用原有城市坐标系统。对凡符合GPS网点要求的旧点，应充分利用其标石。 c、GPS网必须由非同步独立观测边构成若干闭合环或附合路线。
4.3 GPS网的基准设计
GPS测量获得的是GPS基线向量，它属于WGS-84坐标系的三维坐标差，而实际需要的是国家坐标系或地方独立坐标系的坐标。所以GPS网的技术设计时，必须明确GPS成果所采用的坐标系统和起算数据，即明确GPS网所采用的基准。这项工作被称之为GPS网的基准设计。
GPS网的基准包括方位基准、尺度基准和位置基准。
方位基准一般以给定的起算方位角值确定，也可以由GPS基线向量的方位作为方位基准。尺度基准一般由地面的电磁波测距边确定，也可由两个以上的起算点间的距离确定，同时也可以由GPS基线的距离确定。
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GPS网的位置基准，一般都是由给定的起算点坐标确定。因此，GPS网的基准设计，实质上主要是指确定网的位置基准设计。具体设计时，应充分考虑以下几个问题： 1)为求定GPS点在地面坐标系中的坐标，应在地面坐标系选定起算数据和联测原有地方控制点若干点，用以坐标转换。在选择联测点时，既要考虑充分利用旧资料，又要使新建的高精度GPS网不受旧资料精度较低的影响，因此，大中城市GPS控制网应与附近的国家控制点联测3个以上。小城市或工程控制可以联测2～3个点。
2)为保证GPS网进行约束平差后坐标精度的均匀性以及减少尺度比误差影响，对GPS网内重合的高等级国家点或原城市等级控制网点，除未知点连结图形观测外，对它们也要适当地构成长边图形。
3)GPS网经平差计算后，可以得到GPS点在地面参照坐标系中的大地高，为求得GPS点的正常高，可根据具体情况联测高程点，联测的高程点需均匀分布于网中，对丘陵或山区联测高程点应按高程拟合曲面的要求进行布设。具体联测宜采用不低于四等水准或其精度相等的方法进行。
4)新建GPS网的坐标系应尽是与测区过去采用的坐标系统一致，如果采用的是地方独立或工程坐标系，一般还应该了解以下参数: a)所采用的参考椭球; b)坐标系的中央子午线经度; c)纵横坐标加常数;
d)坐标系的投影面高程及测区平均高程异常值; e)起算点的坐标值。
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