CN114485554B - 一种gnss连续运行参考站墩顶水准标志高程联测方法 - Google Patents

一种gnss连续运行参考站墩顶水准标志高程联测方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种GNSS连续运行参考站墩顶水准标志高程联测方法，包括以下步骤：获取水准标志点的垂距观测值、高差观测值和虚拟观测值；通过所获取的高差观测值和虚拟观测值构建高程网平差模型；根据所述高程网平差模型和垂距观测值，计算高程网平差，得到GNSS连续运行参考站墩顶水准标志高程值；检查所得到的GNSS连续运行参考站墩顶水准标志高程值，实现GNSS连续运行参考站墩顶的高程联测；实现GNSS连续运行参考站墩顶的高程联测，大幅度降低了施测难度，提高了施测效率。

Description

一种GNSS连续运行参考站墩顶水准标志高程联测方法
技术领域
本公开属于测绘技术领域，具体涉及一种GNSS连续运行参考站墩顶水准标志高程联测方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
全球导航卫星***(Global Navigation Satellite System，简称GNSS)连续运行参考站是国家重要的空间数据基础设施，是地理空间定位的动态、高精度空间和时间基准，为各行业提供了高效便捷的导航定位服务。利用传统水准测量方法进行高程基准的维持，作业周期且难度大。
为解决这一问题，现代高程基准基于高精度的高程基准面(大地水准面或似大地水准面)，只采用GNSS大地高便可实现高程基准的动态维持。GNSS连续运行参考站并置GNSS观测标志、重力标志和水准标志于一体，形成了集GNSS连续观测、绝对重力观测和水准联测等多种功能于一体的集成化基础设施，是区域高程基准维持的重要节点。由于GNSS连续运行参考站本身受到地壳板块运动和地面沉降影响，高程基准可靠性变差，严重影响了测绘基准的应用服务。因此，有必要对GNSS连续运行参考站进行高程联测以更新参考站的水准高程，维持高程基准的现势性，如何高效、高精度获取GNSS连续运行参考站的水准高程是需要解决的重点问题。
据发明人了解，目前进行GNSS连续运行参考站高程联测主要采用三角高程、几何水准、钢尺丈量等方法，这就存在着作业复杂、精度偏低等难题；同时作业时需要移除天线，直接影响GNSS连续运行参考站的数据接收和参考站网实时导航定位服务。
发明内容
为了解决上述问题，本公开提出了一种GNSS连续运行参考站墩顶水准标志高程联测方法，以天线底盘节点为观测对象，不用移除GNSS天线，不影响参考站导航定位服务；采用高精度激光跟踪仪，且引入虚拟观测量的概念，进行联测整体水准网平差，数学模型严密，可大幅提高联测精度；采用秩亏***平差的方法进行已知水准点间高差值检查，防止主水准点和辅水准点高程变动的影响，实现GNSS连续运行参考站墩顶的高程联测，大幅度降低了施测难度，提高了施测效率。
根据一些实施例，本公开的方案提供了一种GNSS连续运行参考站墩顶水准标志高程联测方法，采用如下技术方案：
一种GNSS连续运行参考站墩顶水准标志高程联测方法，包括以下步骤：
获取水准标志点的垂距观测值、高差观测值和虚拟观测值；
通过所获取的高差观测值和虚拟观测值构建高程网平差模型；
根据所述高程网平差模型和所述垂距观测值，计算高程网平差，得到GNSS连续运行参考站墩顶水准标志高程值；
检查所得到的GNSS连续运行参考站墩顶水准标志高程值，实现GNSS连续运行参考站墩顶的高程联测。
作为进一步的技术限定，所述获取水准标志点的垂距观测值的过程中，以天线底盘节点为观测对象，不移除GNSS天线，基于天线水平延长杆和设置在所述天线水平延长杆的凹槽中的靶球，采用高精度激光跟踪仪进行垂距观测值的跟踪观测。
进一步的，所述水准标志点的高差观测值为所述水准标志点与所述天线底盘节点之间的高差，在数值上等于所述高精度激光跟踪仪的垂直高度与所述水准标志点的垂距观测值二者之和。
作为进一步的技术限定，所述水准标志点的虚拟观测值是GNSS天线底盘中心点高差观测值的真实值应与天线底盘的高差观测值之差。
作为进一步的技术限定，所述构建高程网平差模型时，采用间接平差模型进行网平差的计算。
进一步的，所述高程网平差模型包括间接平差模型和随机模型。
进一步的，采用间接平差模型进行网平差，建立高程网平差模型。
进一步的，采用最小二乘原理进行所述高程网平差模型的误差计算。
进一步的，所述平差结果与所述高程网平差模型的误差、垂距观测值和高差观测值有关。
进一步的，采用重心基准秩亏***平差检查所得到的GNSS连续运行参考站墩顶水准标志高程值。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开以天线底盘节点为观测对象，不用移除GNSS天线，不影响参考站导航定位服务；采用高精度激光跟踪仪，且引入虚拟观测量的概念，进行联测整体水准网平差，数学模型严密，可大幅提高联测精度；采用秩亏***平差的方法进行已知水准点间高差值检查，防止主水准点和辅水准点高程变动的影响，实现GNSS连续运行参考站墩顶的高程联测，大幅度降低了施测难度，提高了施测效率。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开实施例一中的GNSS连续运行参考站墩顶水准标志高程联测方法的流程图；
图2是本公开实施例一中的GNSS连续运行参考站墩标外部结构示意图；
图3是本公开实施例一中的天线延长杆的结构示意图；
图4是本公开实施例一中的GNSS连续运行参考站墩顶水准标志高程联测的俯视结构图；
图5是本公开实施例一中的GNSS连续运行参考站墩顶水准标志高程联测的数据观测过程的俯视结构图；
其中，1、GNSS天线，2、天线连接杆，3、GNSS连续运行参考站墩柱，4、地面，5、天线水平延长杆，6、天线水平延长杆凹槽，7、天线底座。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本公开实施例一介绍了一种GNSS连续运行参考站墩顶水准标志高程联测方法。
本实施例提出了一种GNSS连续运行参考站墩顶水准标志高程联测方法，利用激光跟踪仪对天线底盘节点直接进行垂距测量，进行水准网平差，获取墩顶水准标志1985国家高程值；与传统水准高程联测相比，施测难度大幅降低，施测效率大幅提高；以天线底盘节点为观测对象，不用移除GNSS天线，不影响参考站导航定位服务；采用高精度激光跟踪仪，且引入虚拟观测量的概念，进行联测整体水准网平差，数学模型严密，可大幅提高联测精度；采用秩亏***平差的方法进行已知水准点间高差值检查，防止主水准点和辅水准点高程变动的影响，实现GNSS连续运行参考站墩顶的高程联测。
如图1所示的一种GNSS连续运行参考站墩顶水准标志高程联测方法，包括以下步骤：
获取水准标志点的垂距观测值、高差观测值和虚拟观测值；
通过所获取的高差观测值和虚拟观测值构建高程网平差模型；
根据所述高程网平差模型和所述垂距观测值，计算高程网平差，得到GNSS连续运行参考站墩顶水准标志高程值；
检查所得到的GNSS连续运行参考站墩顶水准标志高程值，实现GNSS连续运行参考站墩顶的高程联测。
GNSS连续运行参考站墩标外部结构如图2所示，基于此结构进行墩顶水准标志高程联测，如图3、图4和图5所示，具体过程如下：
(1)观测
(1.1)确定如图4所示的GNSS观测墩标底部附近的4个已知的水准标志点，其高程值H1，H2，H3，H4，其中H1为主水准点，其余为辅水准点。在水准标志点H1上架设三脚架，高精度激光跟踪仪得高度大于1米，整平对中用于放置激光追踪仪的三脚架。结合图3，利用天线水平延伸杆5，与GNSS天线底座7上沿a点进行连接，将靶球放置在天线水平延伸杆凹槽6中，根据激光追踪仪测量的天顶距角度值，反复调整靶球位置，保证靶球中心点位于水准标志点垂直方向上。
如图5所示，利用激光追踪仪固定在一水平方向对靶球进行第一测回垂直距离观测，以90°水平角为间隔，旋转激光跟踪仪分别进行第二、第三、第四测回垂直距离观测，求取四个测回平均值，以排除整平及激光追踪仪自动安平对垂直距离测量的影响。获取垂距观测值平均值S1，以120°水平角为间隔量取三个方向仪器斜高，并进行垂直改正，也可直接测量三个方向的仪器垂高，获取仪器垂高平均值为L1，得到已知水准点H1与天线底盘节点a高差h1为：
h1＝S1+L1
(1.2)依次采用上述方式在已知水准点H2，H3，H4上架设激光跟踪仪进行观测，测量垂距观测值S2，S3，S4，相应的仪器垂高分别为L2，L3，L4，得到已知水准点H2，H3，H4与天线底盘节点b，c，d间的高差h2，h3，h4为：
h2＝S2+L2
h3＝S3+L3
h4＝S4+L4
如图5所示，对于GNSS天线底盘中心点H0，其高程真值应与天线底盘a，b，c，d点的高程值相差一个常数，该常数为天线的外形尺寸，可精确获得，设为k，即
h1'＝h2'＝h3'＝h4'＝k
由于天线底盘制造及观测误差的存在，h1'，h2'，h3'，h4'不可能严格为k，将其看作期望为k的虚拟观测量，即：E(h1')＝E(h2')＝E(h3')＝E(h4')＝k。
(2)网平差
由于4个高差实际观测条件一致，且已知水准点与天线底盘节点间水平距离相近，测站数都为1。测量获取的4个高差观测值h1，h2，h3，h4和4个虚拟观测值h1'，h2'，h3'，h4'均视为不相关的等精度观测。
采用间接平差模型进行网平差，建立高程网平差模型。在本实施例中，观测值个数n＝8,必要观测值个数为t＝5,多余观测个数r＝n-t＝3。
(2.1)间接平差模型
函数模型：
其中，高差观测值系数矩阵 是一个待求量，表示天线底盘a，b，c，d和天线底盘中心点H0的高程；/>d＝[-H1 -H2 -H3 -H4 0 0 0 0]。
随机模型：
D＝σ0 2Q＝σ0 2P-1
其中，σ0取1，P取单位矩阵(8×8)。
(2.2)平差计算
误差方程：
其中，为未知点高程值改正数，l＝L-(BX°+d)，L为/>的观测值。
根据最小二乘原理，VTPV＝min，则可得BTPV＝0，代入误差方程：
平差结果为：
由此可得GNSS连续运行参考站墩顶水准标志高程值。
(2.3)考虑到4个已知水准点可能存在沉降变化，可采用重心基准秩亏***平差进行已知点水准高程检查，重心基准方程为：
STX＝0
其中ST＝[1 1 1 1 1 1 1 1 1]。
本实施例以天线底盘节点为观测对象，不移除GNSS天线，不影响参考站实时导航定位服务；采用高精度激光跟踪仪，且引入虚拟观测量的概念，进行联测整体水准网平差，数学模型严密，可大幅提高联测精度；采用秩亏***平差的方法进行已知水准点间高差值检查,防止主水准点和辅水准点高程变动的影响；无需辅助设施，实现GNSS连续运行参考站墩顶高程的快速联测，大幅度降低了施测难度，提高了施测效率。
基于本实施例所介绍的方法，能够高精度、高效地进行GNSS连续运行参考站高程联测，较传统方法大幅减少施测工作量，大幅提高施测效率和联测精度，对于利用GNSS连续运行参考站开展国家坐标框架建立与维持、广域实时精密定位具有重要意义，对于推进现代测绘基准的广泛使用，为用户提高更高精度、范围更广的测绘地理信息服务，以及大力促进测绘地理信息应用将产生显著效果。
实施例二
本公开实施例二介绍了一种GNSS连续运行参考站墩顶水准标志高程联测方法的算例。
本实施例的目的是提供一种GNSS连续运行参考站墩顶水准标志高程联测方法，具体计算方法如下：四个已知点高程值，底盘4个节点与已知点的高差，见表1：
表1已知点高程及高差观测值(单位：m)
以模型号天线为例，由天线的外形尺寸可得k为47.5mm，h1'＝h'2＝h3'＝h'4＝0.0475m。按本发明中方法进行网平差。迭代直至收敛，可得H0＝7.9542m，即本实施例可实现亚毫米数量级的高精度正常高联测。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种GNSS连续运行参考站墩顶水准标志高程联测方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取水准标志点的垂距观测值、高差观测值和虚拟观测值；其中，所述获取水准标志点的垂距观测值的过程中，以天线底盘节点为观测对象，不移除GNSS天线，基于天线水平延长杆和设置在所述天线水平延长杆的凹槽中的靶球，采用高精度激光跟踪仪进行垂距观测值的跟踪观测；所述水准标志点的高差观测值为所述水准标志点与所述天线底盘节点之间的高差，在数值上等于所述高精度激光跟踪仪的垂直高度与所述水准标志点的垂距观测值二者之和；所述水准标志点的虚拟观测值是GNSS天线底盘中心点高差观测值的真实值应与天线底盘的高差观测值之差；
通过所获取的高差观测值和虚拟观测值构建高程网平差模型；具体的，函数模型为：
其中，高差观测值分别为已知水准点H1，H2，H3，H4与天线底盘节点a，b，c，d间的高差，/>分别为天线底盘节点a，b，c，d与天线底盘中心点H0的高差的虚拟观测值，系数矩阵/> 是一个待求量，表示天线底盘a，b，c，d和天线底盘中心点H0的高程，/>d＝[-H1 -H2-H3 -H4 0 0 0 0]，为已知水准标志点高程值组成的常数矩阵；
根据所述高程网平差模型和所述垂距观测值，计算高程网平差，得到GNSS连续运行参考站墩顶水准标志高程值；
检查所得到的GNSS连续运行参考站墩顶水准标志高程值，实现GNSS连续运行参考站墩顶的高程联测。
2.如权利要求1中所述的一种GNSS连续运行参考站墩顶水准标志高程联测方法，其特征在于，所述构建高程网平差模型时，采用间接平差模型进行网平差的计算。
3.如权利要求1中所述的一种GNSS连续运行参考站墩顶水准标志高程联测方法，其特征在于，所述高程网平差模型包括间接平差模型和随机模型。
4.如权利要求1中所述的一种GNSS连续运行参考站墩顶水准标志高程联测方法，其特征在于，采用最小二乘原理进行所述高程网平差模型的误差计算。
5.如权利要求1中所述的一种GNSS连续运行参考站墩顶水准标志高程联测方法，其特征在于，所述平差结果与所述高程网平差模型的误差、垂距观测值和高差观测值有关。
6.如权利要求1中所述的一种GNSS连续运行参考站墩顶水准标志高程联测方法，其特征在于，采用重心基准秩亏***平差检查所得到的GNSS连续运行参考站墩顶水准标志高程值。
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