本發(fā)明涉及工程測量，具體涉及一種基于gnss與全站儀相結(jié)合的控制網(wǎng)構(gòu)建及解算方法。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)測量技術(shù)中，全站儀作為常用設(shè)備，依賴測站與目標(biāo)點(diǎn)間的通視條件進(jìn)行角度和距離測量，在山區(qū)、峽谷等大落差地形或存在大量遮擋物的環(huán)境下，受限于通視要求，需頻繁搬站、轉(zhuǎn)點(diǎn)，導(dǎo)致測量效率低、誤差累積嚴(yán)重。

2、全球定位系統(tǒng)(gnss)雖能突破通視限制，在全球范圍內(nèi)快速獲取控制點(diǎn)坐標(biāo)，但在高程測量方面精度較差，且在信號(hào)易受遮擋的區(qū)域(如深谷、高樓密集區(qū))定位誤差顯著增大。尤其針對(duì)大落差工況，gnss的高程數(shù)據(jù)常難以滿足高精度工程測量需求，同時(shí)全站儀無法有效覆蓋不通視區(qū)域，導(dǎo)致控制點(diǎn)數(shù)據(jù)采集困難、解算精度不足。

3、目前，現(xiàn)有技術(shù)中g(shù)nss與全站儀的結(jié)合應(yīng)用多局限于單一技術(shù)主導(dǎo)的測量模式，未針對(duì)大落差、不通視工況下的控制點(diǎn)測量難題形成系統(tǒng)性解決方案，難以同時(shí)滿足工程測量對(duì)高精度、高效率、強(qiáng)適應(yīng)性的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于gnss與全站儀相結(jié)合的控制網(wǎng)構(gòu)建及解算方法，通過控制網(wǎng)分層構(gòu)建、互補(bǔ)觀測、針對(duì)性誤差修正及智能解算，系統(tǒng)性解決了大落差、不通視工況下的控制點(diǎn)測量難題，滿足高精度工程測量需求。

2、本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、一種基于gnss與全站儀相結(jié)合的控制網(wǎng)構(gòu)建及解算方法，包括如下步驟：

4、s1.在高處通視區(qū)域布設(shè)gnss首級(jí)控制網(wǎng)，形成廣域坐標(biāo)基準(zhǔn)；在非通視區(qū)域通過全站儀免棱鏡測量，并同時(shí)通過自由設(shè)站法或后方交會(huì)法構(gòu)建加密控制網(wǎng)，觀測首級(jí)網(wǎng)控制點(diǎn)的反光片目標(biāo)；

5、s2.在目標(biāo)區(qū)域通過gnss接收機(jī)采集非通視區(qū)域控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)及衛(wèi)星狀態(tài)信息，同時(shí)通過全站儀在通視區(qū)域采集目標(biāo)點(diǎn)的水平角、垂直角和斜距數(shù)據(jù)；

6、s3.對(duì)gnss數(shù)據(jù)進(jìn)行周跳檢測修復(fù)、粗差剔除及系統(tǒng)誤差修正，對(duì)全站儀數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測值修正、粗差剔除及格式統(tǒng)一；

7、s4.建立包含gnss與全站儀觀測方程的統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型，通過最小二乘法或抗差卡爾曼濾波進(jìn)行參數(shù)求解，獲取控制點(diǎn)三維坐標(biāo)；

8、s5.對(duì)解算結(jié)果進(jìn)行誤差分析，通過精度指標(biāo)評(píng)估結(jié)果可靠性，若不滿足要求則迭代優(yōu)化解算參數(shù)。

9、在本方案中，在高處通視區(qū)域布設(shè)gnss首級(jí)控制網(wǎng)，為整個(gè)測量區(qū)域提供了廣域坐標(biāo)基準(zhǔn)，解決了大范圍的坐標(biāo)框架問題，在非通視區(qū)域利用全站儀免棱鏡測量和自由設(shè)站法或后方交會(huì)法構(gòu)建加密控制網(wǎng)并觀測首級(jí)網(wǎng)控制點(diǎn)反光片目標(biāo)，補(bǔ)充了不通視區(qū)域的測量數(shù)據(jù)。其中，通過gnss接收機(jī)采集非通視區(qū)域控制點(diǎn)三維坐標(biāo)及衛(wèi)星狀態(tài)信息，全站儀采集通視區(qū)域目標(biāo)點(diǎn)水平角、垂直角和斜距數(shù)據(jù)，獲取了全面的測量數(shù)據(jù)，并對(duì)gnss數(shù)據(jù)和全站儀數(shù)據(jù)分別進(jìn)行周跳檢測修復(fù)、粗差剔除、系統(tǒng)誤差修正、觀測值修正以及格式統(tǒng)一等預(yù)處理操作，提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量，建立包含兩者觀測方程的統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型，再用最小二乘法或抗差卡爾曼濾波進(jìn)行參數(shù)求解，得到控制點(diǎn)三維坐標(biāo)，最后，對(duì)解算結(jié)果進(jìn)行誤差分析，依據(jù)精度指標(biāo)評(píng)估可靠性，不滿足要求時(shí)迭代優(yōu)化解算參數(shù)，確保了控制點(diǎn)解算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，能滿足各類工程測量和地形測繪等領(lǐng)域?qū)刂泣c(diǎn)高精度坐標(biāo)的需求。

10、進(jìn)一步地，所述步驟s1中，高處通視區(qū)的gnss首級(jí)控制網(wǎng)采用靜態(tài)觀測模式，觀測時(shí)間不少于45分鐘，衛(wèi)星截止高度角設(shè)為15°-20°，且首級(jí)控制網(wǎng)的點(diǎn)位分布應(yīng)均勻覆蓋測區(qū)，相鄰點(diǎn)間距不超過10km。

11、在本方案中，對(duì)高處通視區(qū)gnss首級(jí)控制網(wǎng)采用靜態(tài)觀測模式，且規(guī)定觀測時(shí)間不少于45分鐘，這確保了衛(wèi)星信號(hào)接收的穩(wěn)定性，積累足夠的觀測數(shù)據(jù)，減少隨機(jī)誤差影響，提高定位精度；將衛(wèi)星截止高度角設(shè)為15°-20°，能有效排除低仰角衛(wèi)星信號(hào)的干擾，避免信號(hào)被遮擋或受多路徑效應(yīng)影響，保證觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量；首級(jí)控制網(wǎng)點(diǎn)位均勻覆蓋測區(qū)且相鄰點(diǎn)間距不超過10km，有利于構(gòu)建合理的控制網(wǎng)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)控制網(wǎng)的整體性和可靠性，為后續(xù)測量提供穩(wěn)定、精確的坐標(biāo)基準(zhǔn)。

12、進(jìn)一步地，當(dāng)gnss處于靜態(tài)觀測時(shí)，載波相位觀測方程為：

13、其中，為載波相位觀測值，f為載波頻率，c為光速，ρ為衛(wèi)星至測站的幾何距離，δρion、δρtrop分別為電離層和對(duì)流層延遲，λ為載波波長，n為整周模糊度，為觀測噪聲。

14、進(jìn)一步地，所述步驟s2中，gnss接收機(jī)采集數(shù)據(jù)時(shí)采樣間隔為15～30秒，且采集過程中確保衛(wèi)星數(shù)不少于4顆，pdop值小于6，全站儀通過測回法采集水平角，觀測2～3個(gè)測回，斜距測量2-3次并取平均值。

15、在本方案中，對(duì)于gnss接收機(jī)，將采樣間隔設(shè)為15～30秒，是在保證獲取足夠觀測數(shù)據(jù)以精確追蹤衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌跡的同時(shí)，避免因采樣過密產(chǎn)生大量冗余數(shù)據(jù)，提升數(shù)據(jù)處理效率。要求采集過程中衛(wèi)星數(shù)不少于4顆且pdop值小于6，是因?yàn)樾l(wèi)星數(shù)充足能保證空間幾何圖形強(qiáng)度，pdop值小則意味著衛(wèi)星分布合理，這兩者共同保障了gnss定位的精度和可靠性，為非通視區(qū)域控制點(diǎn)三維坐標(biāo)的準(zhǔn)確采集奠定基礎(chǔ)，全站儀通過測回法采集水平角并觀測2-3個(gè)測回，以及斜距測量2-3次取平均值，是利用多次測量取平均的方式來有效削弱觀測過程中的偶然誤差，提高水平角和斜距測量的精度。

16、進(jìn)一步地，全站儀水平角觀測方程為βobs＝βtrue+δβ，垂直角觀測方程為αobs＝αtrue+δα，斜距觀測方程為sobs＝strue+δs，其中，βobs、αobs、sobs為觀測值，βtrue、αtrue、strue為真值，δβ、δα、δs為觀測誤差。在數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟中，可依據(jù)這些方程對(duì)觀測值進(jìn)行修正，識(shí)別和剔除包含較大觀測誤差的數(shù)據(jù)，提升數(shù)據(jù)質(zhì)量。在建立統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型時(shí)，它們作為重要組成部分，與gnss觀測方程聯(lián)立，使模型能全面反映測量實(shí)際情況。

17、進(jìn)一步地，所述步驟s3中，gnss數(shù)據(jù)的周跳檢測包括三差法和電離層殘差法，并通過多項(xiàng)式擬合或卡爾曼濾波；粗差剔除通過3σ準(zhǔn)則進(jìn)行處理；系統(tǒng)誤差修正包括電離層誤差修正及對(duì)流層誤差修正；

18、其中，電離層誤差修正公式為其中，為不同頻率的載波相位觀測值，f1、f2為相應(yīng)的頻率；

19、其中，對(duì)流層誤差修正公式為其中，ps為測站氣壓，ts為測站溫度，es為測站水汽壓，k1、k2、k3為模型常數(shù)。

20、周跳檢測采用三差法和電離層殘差法，可敏銳地捕捉到載波相位觀測值中的周跳現(xiàn)象，再借助多項(xiàng)式擬合或卡爾曼濾波進(jìn)行修復(fù)，確保載波相位數(shù)據(jù)的連續(xù)性和準(zhǔn)確性，使基于載波相位的定位計(jì)算更可靠。通過3σ準(zhǔn)則和中位數(shù)法進(jìn)行粗差剔除，能精準(zhǔn)地識(shí)別并去除數(shù)據(jù)中的異常值，避免其對(duì)解算結(jié)果產(chǎn)生不良影響，提升數(shù)據(jù)的整體可靠性。系統(tǒng)誤差修正涵蓋電離層誤差和對(duì)流層誤差修正，電離層誤差修正公式利用不同頻率載波相位觀測值消除電離層延遲對(duì)測量的影響，對(duì)流層誤差修正公式依據(jù)測站的氣壓、溫度和水汽壓等氣象參數(shù)，結(jié)合模型常數(shù)進(jìn)行修正，極大地削弱了這兩種主要系統(tǒng)誤差對(duì)gnss測量的干擾，使得gnss測量數(shù)據(jù)更接近真實(shí)值。

21、進(jìn)一步地,所述步驟s3中，全站儀數(shù)據(jù)的觀測值修正包括對(duì)i角、橫軸誤差修正，以及根據(jù)觀測時(shí)的溫度和氣壓對(duì)斜距進(jìn)行氣象改正,粗差剔除通過限差檢驗(yàn)法進(jìn)行處理；

22、其中，i角修正公式為其中l(wèi)、r為盤左、盤右觀測的垂直角，ρ″為常數(shù)；

23、其中，氣象改正公式為，δs＝sobs×(0.000028×(p-1013.25)-0.00000012×(t-20))，p為氣壓(pa)，t為溫度(℃)。

24、在本方案中，對(duì)i角進(jìn)行修正，依據(jù)盤左、盤右觀測垂直角差值及公式計(jì)算修正量，能有效消除儀器i角誤差對(duì)垂直角測量的影響，提高垂直角測量精度，進(jìn)而提升三角高程測量的準(zhǔn)確性，而橫軸誤差修正可確保水平角測量更精準(zhǔn)，使基于水平角的坐標(biāo)計(jì)算更可靠。根據(jù)溫度和氣壓對(duì)斜距進(jìn)行氣象改正，通過精確的氣象改正公式，將溫度、氣壓等氣象因素對(duì)斜距測量的影響消除或減小，保證斜距測量值的準(zhǔn)確性。粗差剔除采用限差檢驗(yàn)法，依據(jù)測量規(guī)范規(guī)定的限差，識(shí)別并剔除包含粗差的觀測值，避免這些異常數(shù)據(jù)干擾后續(xù)計(jì)算。

25、進(jìn)一步地，所述步驟s4中，建立統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型時(shí)，轉(zhuǎn)換公式為：

26、其中，δx、δy、δz為平移參數(shù)，ωx、ωy、ωz為旋轉(zhuǎn)參數(shù)，m為尺度因子，xwgs-84、ywgs-84、zwgs-84為gnss測量得到的坐標(biāo)。通過引入平移參數(shù)、旋轉(zhuǎn)參數(shù)和尺度因子，它能夠?qū)nss測量得到的坐標(biāo)精確轉(zhuǎn)換到所需坐標(biāo)系，統(tǒng)一了坐標(biāo)基準(zhǔn)。這使得后續(xù)基于統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)求解變得可行，無論是采用最小二乘法還是抗差卡爾曼濾波，都能在這個(gè)統(tǒng)一的框架下更準(zhǔn)確地計(jì)算控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

27、進(jìn)一步地，采用最小二乘法時(shí)，通過迭代解算誤差方程：v＝bδx-l，直至殘差|v|＜3σ且迭代次數(shù)＜10次，其中v為殘差向量，b為系數(shù)矩陣，δx為未知數(shù)向量，l為常數(shù)項(xiàng)向量。通過迭代解算誤差方程，不斷調(diào)整未知數(shù)向量，使得計(jì)算值與觀測值之間的殘差逐漸減小，設(shè)置殘差小于3σ作為終止條件之一，確保了最終解算結(jié)果的誤差在合理范圍內(nèi)，3σ準(zhǔn)則是一種常用的衡量數(shù)據(jù)離散程度和誤差范圍的標(biāo)準(zhǔn)，以此為依據(jù)可保證解算結(jié)果的可靠性；同時(shí)設(shè)置迭代次數(shù)小于10次，既能避免因迭代次數(shù)過多導(dǎo)致計(jì)算效率低下，又能防止出現(xiàn)迭代不收斂的情況。在這個(gè)過程中，系數(shù)矩陣b反映了觀測值與未知數(shù)之間的關(guān)系，常數(shù)項(xiàng)向量l則結(jié)合了觀測值和模型的已知信息，它們共同作用于每一次的迭代計(jì)算，在建立統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用最小二乘法迭代求解，不斷優(yōu)化未知數(shù)向量，進(jìn)而得到滿足精度要求的控制點(diǎn)三維坐標(biāo)，最終保障了整個(gè)控制點(diǎn)解算方法的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

28、進(jìn)一步地，所述步驟s5中，誤差分析包括計(jì)算點(diǎn)位中誤差，點(diǎn)位中誤差計(jì)算公式為其中mx、my分別為控制點(diǎn)在x、y方向上的中誤差。計(jì)算點(diǎn)位中誤差，依據(jù)控制點(diǎn)在x、y方向上的中誤差，能直觀反映出控制點(diǎn)在平面位置上的精度狀況，判斷其是否滿足工程測量的精度要求。

29、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

30、本發(fā)明通過構(gòu)建分層控制網(wǎng)，利用gnss進(jìn)行首級(jí)控制網(wǎng)的大范圍覆蓋，能有效克服通視障礙，不受地形限制地獲取廣域坐標(biāo)基準(zhǔn)，全站儀在加密控制網(wǎng)中采用免棱鏡測量技術(shù)，結(jié)合自由設(shè)站法和后方交會(huì)法，可靈活地在不通視區(qū)域進(jìn)行測量，大大拓展了測量的適用范圍，使復(fù)雜地形的測量工作得以順利開展。