GPS故障分析與綜合檢修方法研究

王 光 俊， 李 德 元

(1.中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072;2.勝利油田地球物理物探開(kāi)發(fā)公司，山東 東營(yíng) 257086)

1 GPS在工程中的應(yīng)用與重要性

隨著GPS硬件技術(shù)的不斷更新，定位理論研究的不斷深入，誤差模型的不斷精化，各種應(yīng)用軟件的成功開(kāi)發(fā)應(yīng)用，GPS定位精度、實(shí)時(shí)性和可靠性都得到了發(fā)展和提高。高精度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分DGPS RTK目前已廣泛的應(yīng)用于電力、公路、鐵路的勘測(cè)設(shè)計(jì)和施工放樣以及石油地質(zhì)勘探、地震調(diào)查測(cè)量、大江大河的水文水資源調(diào)查等。

卡塔爾路塞爾場(chǎng)地平整項(xiàng)目位于卡塔爾多哈市北郊，所在地東臨大海，南接高爾夫球場(chǎng)和新開(kāi)發(fā)區(qū)，西臨阿卡候高速公路，北臨王宮。工程區(qū)域南北方向約7 km，東西方向約5 km。該工程項(xiàng)目承建合同總價(jià)約為4.5億美元，工程總工期900 d，而所投入的主要測(cè)量技術(shù)人員僅為10余人，所投入的關(guān)鍵性測(cè)量設(shè)備主要是天寶5700、5800型GPS主機(jī)6臺(tái)(2套基站+4臺(tái)流動(dòng)站)。整個(gè)工程所有的海岸線邊坡開(kāi)挖與邊坡護(hù)理、開(kāi)挖與填筑的驗(yàn)收計(jì)量全部使用GPS－RTK操作，而且在對(duì)填筑區(qū)域進(jìn)行單元驗(yàn)收和計(jì)量測(cè)量時(shí)，將RTK接收器固定在車架上，操作人員可以駕車直接進(jìn)行，從而大大地提高了作業(yè)效率，這是常規(guī)儀器無(wú)法比擬的。但在施工生產(chǎn)中，一旦GPS用戶接收機(jī)出現(xiàn)故障，整個(gè)測(cè)量組就將癱瘓，從而影響施工測(cè)量生產(chǎn)。由此可見(jiàn)，正確使用、保管、維護(hù)好GPS儀器對(duì)于工程建設(shè)的重要性是顯而易見(jiàn)的。

與傳統(tǒng)的測(cè)繪儀器相比，GPS是集空間定位技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線電通信技術(shù)于一體的自動(dòng)化高精尖電子產(chǎn)品，對(duì)環(huán)境的要求更高，故障也較多，特別是在一些自然條件惡劣的地區(qū)施工中施工故障率較高，對(duì)工程施工進(jìn)度將產(chǎn)生較大影響。

2 GPS常見(jiàn)故障分析

GPS接收機(jī)一般由主機(jī)、(附件)控制器、電臺(tái)、數(shù)據(jù)連線、天線、電源六部分構(gòu)成，產(chǎn)生的故障主要分為主機(jī)故障、附件故障和由環(huán)境引起的故障。

2.1 惡劣的施工環(huán)境

測(cè)繪區(qū)域逐年拓寬，施工氣候環(huán)境、地表環(huán)境日趨復(fù)雜，對(duì)儀器造成損害的情況分類分析見(jiàn)表1:

表1 施工環(huán)境影響表

野外惡劣的施工環(huán)境是導(dǎo)致接收機(jī)電氣性能下降、各種故障頻發(fā)的主要原因。

2.2 儀器超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)

測(cè)量?jī)x器利用率越來(lái)越高，儀器超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，缺乏有效的、周期性的維護(hù)和保養(yǎng)，在一定程度上加速了儀器的老化，使其電氣性能下降。

2.3 施工人員的自身素質(zhì)

隨著從事測(cè)繪的技術(shù)人員的素質(zhì)提高，測(cè)繪質(zhì)量得到了有效控制。

儀器故障呈現(xiàn)多樣化、復(fù)雜化的趨勢(shì)，對(duì)測(cè)量技術(shù)人員在設(shè)備維修方面提出了更高的要求，只有不斷創(chuàng)新，摸索分析出有效的故障解決辦法，才能保證測(cè)繪儀器具有良好的性能和高精度。

3 GPS出現(xiàn)的具體故障分析與解決方法

GPS接收機(jī)正常工作必須滿足三個(gè)基本條件:主機(jī)正常，附件正常，受外界環(huán)境制約的衛(wèi)星信號(hào)、電臺(tái)數(shù)據(jù)鏈正常。檢修中一般通過(guò)觀察故障提示、故障現(xiàn)象，交換器件，壓縮故障，數(shù)字表量取對(duì)地電壓，示波器觀察波形等方法判斷故障所在。

3.1 主機(jī)故障

GPS主機(jī)的電路板主要為6～12層的PCB板，元?dú)饧蠖酁?SMD)面貼元件，而且集成專用件比較多，在6～12層PCB上很難手工焊接，除少數(shù)幾個(gè)常見(jiàn)模塊損壞時(shí)能夠換件外，一般均直接更換PCB板。更換面貼元件時(shí)，為防止破壞電路板，對(duì)維修工具和焊接熟練程度要求較高。

3.1.1 電源板損壞

解決辦法:更換電源模塊、電容或整塊電源板。維護(hù)措施:用導(dǎo)熱硅膠在電源模塊上粘貼散熱片，定期充電除塵。

3.1.2 GPS板鎖星慢、接收不到衛(wèi)星信號(hào)

(1)內(nèi)電池?fù)p壞，星歷文件丟失。存儲(chǔ)在電保持存儲(chǔ)器中的GPS星歷文件靠一個(gè)類似于微機(jī)中CMOS電池的可充電鋰電池維持，電池?fù)p壞則星歷文件丟失。解決方法:更換內(nèi)電池。

(2)GPS板壞、GPS接收天線接口電壓低。接收機(jī)接收不到衛(wèi)星時(shí)，量取GPS接收天線接口電壓，一般應(yīng)為5～12 V，以驅(qū)動(dòng)GPS接收天線中的前置放大器，電壓偏低時(shí)應(yīng)更換GPS板。

3.1.3 CPU板固化軟件和功能選項(xiàng)丟失

固化軟件和功能選項(xiàng)一般存儲(chǔ)在主機(jī)可擦寫編程存儲(chǔ)器(EEPROM)中，不正確的操作、潮濕的氣候或者設(shè)備在容許的工作溫度范圍外工作都容易造成其丟失，主要表現(xiàn)為:軟硬件自檢不通過(guò)、關(guān)鍵功能(如:RTK、雙頻鎖星、數(shù)據(jù)記錄等)丟失。此類故障一般分別出現(xiàn)在高溫、沙塵、潮濕等工區(qū)。解決辦法:利用廠家專用的芯片擦寫程序、專用數(shù)據(jù)線，更新固件和功能選項(xiàng)。更新時(shí)切記儀器不能斷電，防止存儲(chǔ)芯片損壞。

3.2 附件故障

3.2.1 手持控制器故障

(1)手持控制器按鍵失效，串鍵。這是由于鍵盤導(dǎo)電膜斷路、短路引起的故障。解決方法:判斷為短路時(shí)，用刀片切斷導(dǎo)電膜短路點(diǎn);判斷為斷路時(shí)，用鉛筆或細(xì)銅絲連接斷點(diǎn)，再用502膠封裝即可，否則更換導(dǎo)電膜。

(2)手持控制器操作系統(tǒng)錯(cuò)誤，應(yīng)用軟件錯(cuò)誤。手持控制器操作系統(tǒng)一般為DOS或WINDOWSCE，長(zhǎng)期高溫或低溫條件下操作時(shí)，操作系統(tǒng)易崩潰。如在路塞爾項(xiàng)目這種長(zhǎng)期高溫條件下作業(yè)的情況，手持控制器經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)死機(jī)的情況，此時(shí)觸摸屏和按鍵均無(wú)效，需對(duì)其進(jìn)行復(fù)位處理或者直接取出內(nèi)部電池，同時(shí)應(yīng)該盡可能將儀器置于陰涼地方待儀器內(nèi)部溫度下降。在經(jīng)過(guò)多次復(fù)位操作后，易引起手持控制器漢字庫(kù)丟失，需重裝操作系統(tǒng)，上載應(yīng)用軟件，重新漢化。

3.2.2 電臺(tái)故障

GPS動(dòng)態(tài)RTK作業(yè)依賴穩(wěn)定高效的電臺(tái)數(shù)據(jù)鏈。電臺(tái)有效覆蓋半徑減短的主要原因是發(fā)射電臺(tái)功率降低，接收電臺(tái)靈敏度降低。對(duì)發(fā)射電臺(tái)可在輸出端連接最大頻率500 M以上的功率計(jì)用以監(jiān)視功率，調(diào)節(jié)可變電阻，使輸出功率到標(biāo)稱值。對(duì)于接收電臺(tái)，可在其輸入端接入高頻信號(hào)發(fā)生器，輸出端連接矢量分析儀，監(jiān)視電臺(tái)的靈敏度曲線，調(diào)節(jié)可變電容、電感，使靈敏度曲線的波峰處于電臺(tái)中心頻率附近。發(fā)射電臺(tái)無(wú)輸出時(shí)，一般是不正確的操作(如空載)、高溫作業(yè)導(dǎo)致功放燒壞，更換功放即可。

3.2.3 電纜和電池故障

電纜包括50 Ω同軸電纜和RS232多芯串行電纜。由于灘海海水腐蝕，高山密林地區(qū)經(jīng)常被拖掛，高溫高寒地區(qū)發(fā)軟發(fā)脆等原因造成電纜斷裂、短路、阻抗增大、接口斷針，根據(jù)隨機(jī)資料中的電路圖，采用電烙鐵配合小型臺(tái)鉗即能維修好。

損壞的電池往往是電池組中的個(gè)別電池出現(xiàn)故障。如果電池沒(méi)有老化，可以通過(guò)更換單個(gè)電池或大電流或15 V電壓激活后一般即能恢復(fù)其性能。

3.3 環(huán)境引起的故障

GPS作業(yè)時(shí)遠(yuǎn)離不優(yōu)良的衛(wèi)星信號(hào)和電臺(tái)數(shù)據(jù)鏈。環(huán)境引起的故障主要是指環(huán)境對(duì)衛(wèi)星信號(hào)、電臺(tái)數(shù)據(jù)鏈的影響，從而使GPS接收機(jī)不正常工作。

3.3.1 衛(wèi)星系統(tǒng)引起的故障

包括多路徑效應(yīng)、衛(wèi)星健康質(zhì)量差、工作時(shí)段衛(wèi)星結(jié)構(gòu)(PDOP)差、可視衛(wèi)星數(shù)量少等故障。這些故障導(dǎo)致GPS接收機(jī)不定位、定位時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和定位質(zhì)量差。

防止多路徑效應(yīng)可通過(guò)遠(yuǎn)離大面積反射面、增加測(cè)站高度、增大衛(wèi)星抑制角等方式避免。衛(wèi)星健康質(zhì)量、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)(PDOP)、可視衛(wèi)星數(shù)量均與施工工區(qū)定位的工作時(shí)段有關(guān)，每天在某一時(shí)段(1～2個(gè)h)這些因素不好時(shí)，GPS接收機(jī)不能正常工作，造成常說(shuō)的“時(shí)間段”現(xiàn)象，時(shí)間段每天提前4 min。解決這一故障的最好方法是利用星歷預(yù)報(bào)軟件觀察預(yù)報(bào)每天的可視衛(wèi)星數(shù)、圖形結(jié)構(gòu)、衛(wèi)星健康狀況，避免“時(shí)間段”，屏蔽掉有問(wèn)題的衛(wèi)星，合理安排施工。

3.3.2 電臺(tái)數(shù)據(jù)鏈引起的故障

測(cè)量施工一般使用RTK技術(shù)，淺海施工時(shí)使用RTD技術(shù)。RTK技術(shù)必須依靠高質(zhì)量的無(wú)線電臺(tái)數(shù)據(jù)鏈，RTK電臺(tái)數(shù)據(jù)鏈波段一般選擇視線傳播的甚高頻波段(UHF)，RTD技術(shù)采用MF中波波段。

山地和城區(qū)施工時(shí)視線傳播的高頻GPS電臺(tái)數(shù)據(jù)鏈容易被阻擋、吸收，致使其覆蓋半徑減小。解決的方法是增大電臺(tái)的發(fā)射功率;架高發(fā)射天線;使用中繼站;單一頻率多基站，虛擬基站。中繼站的中繼方式根據(jù)情況不同可采用同頻中繼，換頻中繼，延時(shí)中繼。淺海RTD施工時(shí)，要提高電臺(tái)的作用距離，關(guān)鍵是鋪好RTD中波發(fā)射基站的地網(wǎng)，提高發(fā)射效率。

在工業(yè)發(fā)達(dá)的城區(qū)或者靠近大型機(jī)電設(shè)備群施工時(shí)，GPS電臺(tái)數(shù)據(jù)鏈容易受到諸如大型電動(dòng)設(shè)備、無(wú)線電通訊設(shè)備等引起的同頻干擾。如在進(jìn)行路塞爾場(chǎng)地項(xiàng)目施工測(cè)量時(shí)，當(dāng)RTK與大型作業(yè)機(jī)群太靠近時(shí)，RTK無(wú)線電接收出現(xiàn)異常，經(jīng)協(xié)調(diào)將機(jī)群關(guān)閉后，RTK無(wú)線電接收正常。

4 結(jié)語(yǔ)

筆者針對(duì)GPS在工程建設(shè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛的情況，分析并提出了GPS在生產(chǎn)中出現(xiàn)的一些故障產(chǎn)生的原因及解決辦法，通過(guò)在生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用，提高了GPS設(shè)備的使用效率，有效地保障了野外測(cè)量生產(chǎn)的正常進(jìn)行。隨著電子技術(shù)和GPS技術(shù)的發(fā)展，新的問(wèn)題也會(huì)不斷出現(xiàn)，在今后的工作中，我們將不斷進(jìn)行分析和總結(jié)。這些技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于保障測(cè)繪工作的正常展開(kāi)具有重要的意義，同時(shí)也將產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 徐紹銓，等.GPS測(cè)量原理及應(yīng)用［M］.武漢:武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社，1998.