淺談GPS測(cè)量在控制測(cè)量中的應(yīng)用

李繼金

（廣西 賀州 542800）

淺談GPS測(cè)量在控制測(cè)量中的應(yīng)用

李繼金

（廣西 賀州 542800）

全球定位系統(tǒng)（GPS）主要應(yīng)用于測(cè)繪、導(dǎo)航等領(lǐng)域，其具有快速、高效、方便等特點(diǎn)，提高了工作效率，降低了工作成本，得到了人們的廣泛應(yīng)用。本文首先介紹了GPS原理特性，對(duì)GPS誤差來源、對(duì)策進(jìn)行分析，并通過實(shí)例探討了保障和提高GPS測(cè)量精度的方法，最后指出了需要注意的細(xì)節(jié)。

誤差來源；對(duì)流層折射；電離層折射；多路徑效應(yīng)

引言

全球定位系統(tǒng)（GPS）啟用后，因其高效、快速、使用方便等優(yōu)良特性而被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，如測(cè)繪、導(dǎo)航等。在測(cè)繪領(lǐng)域，使用GPS測(cè)量可以快速精確地測(cè)定點(diǎn)位三維坐標(biāo)，且可全天候作業(yè)，與傳統(tǒng)測(cè)繪手段相比，大大降低了工作強(qiáng)度和成本，因此在許多方面將取代常規(guī)測(cè)量。隨著儀器設(shè)備和技術(shù)手段的不斷改進(jìn)，許多作業(yè)人員開始出現(xiàn)麻痹思想，忽略了GPS測(cè)量的一些基本要求及原則，常導(dǎo)致測(cè)量成果錯(cuò)誤或達(dá)不到相應(yīng)等級(jí)要求。GPS測(cè)量并不是完美的，它有一定的要求和原則，只有方法措施得當(dāng)，才能保證成果的正確性及其精度。本文將著重探討保證和提高GPS測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量的方法、細(xì)節(jié)。

1 GPS定位誤差來源與對(duì)策

1.1 衛(wèi)星部分

（1）星歷誤差：由星歷所給出的衛(wèi)星在空間的位置與實(shí)際位置之差，在一個(gè)觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)屬于系統(tǒng)誤差特性，是起算數(shù)據(jù)誤差，是重要的誤差源。解決星歷誤差的措施：建立自己的衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)獨(dú)立定軌；將衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星軌道在平差模型中設(shè)置為初始值，將其改正數(shù)作為一個(gè)未知數(shù)，采用軌道松弛法，通過平差計(jì)算得到軌道的改正數(shù)以及測(cè)站位置；在兩個(gè)或多個(gè)觀測(cè)站所獲得的同一衛(wèi)星的同步觀測(cè)值，記錄下來并進(jìn)行求差計(jì)算。

（2）鐘誤差：衛(wèi)星的原子鐘與理想的GPS時(shí)之間存在著偏離或漂移。解決鐘誤差措施：按公式Δts=a0+a1（t-t0）+a2（t-t0）2加以改正。

（3）相對(duì)論效應(yīng)誤差：衛(wèi)星鐘和接收機(jī)所處的狀態(tài)（運(yùn)動(dòng)速度和重力位）不同引起衛(wèi)星鐘和接收機(jī)之間產(chǎn)生相對(duì)鐘誤差的現(xiàn)象。解決相對(duì)論效應(yīng)誤差措施：在衛(wèi)星鐘上加上改正值Δf=4.449×10-10f。

1.2 信號(hào)傳播部分

（1）電離層折射誤差：電離層中的氣體分子受到太陽等射線的輻射，產(chǎn)生強(qiáng)烈的電離形成大量的自由電子和正離子。當(dāng)GPS信號(hào)通過電離層時(shí)信號(hào)的路徑發(fā)生彎曲，傳播速度也發(fā)生變化，導(dǎo)致求得的距離產(chǎn)生偏差。減弱電離層影響的措施有：利用雙頻載波GPS觀測(cè)；利用電離層改正模型加以改正；利用兩臺(tái)接收機(jī)在基線的兩端進(jìn)行同步觀測(cè)，取其觀測(cè)量之差。

（2）對(duì)流層折射誤差：對(duì)流層與地面接觸并從地面得到輻射熱能，其溫度隨高度的上升而降低，GPS信號(hào)通過對(duì)流層時(shí)，使傳播的路徑發(fā)生彎曲，導(dǎo)致測(cè)量距離產(chǎn)生偏差。削弱對(duì)流層折射影響的措施有：采用對(duì)流層模型加以改正；引入描述對(duì)流層影響的附加待估參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理中一并求得；利用同步觀測(cè)量求差；利用水汽輻射計(jì)直接測(cè)定信號(hào)傳播的影響。

（3）多路徑效應(yīng)誤差：測(cè)站周圍的反射物所反射的衛(wèi)星信號(hào)（反射波）進(jìn)入接收機(jī)天線，和直接來自衛(wèi)星的信號(hào)（直接波）產(chǎn)生干涉，導(dǎo)致觀測(cè)值偏離真值。削弱多路徑誤差的措施有：測(cè)站應(yīng)遠(yuǎn)離大面積平靜的水面；測(cè)站不宜選擇在山坡、山谷和盆地中；測(cè)站應(yīng)離開高層建筑物；觀測(cè)時(shí)汽車不要停放得離測(cè)站過近；選擇設(shè)置有抑徑板、對(duì)極化特性不同的反射信號(hào)有較強(qiáng)抑制作用的接收天線。

1.3 信號(hào)接收部分

（1）接收機(jī)鐘誤差：GPS接收機(jī)鐘與衛(wèi)星鐘不同步引起的等效距離誤差。減弱接收機(jī)鐘差的措施：將接收機(jī)在每個(gè)觀測(cè)時(shí)刻的鐘差最為未知數(shù)，且該未知數(shù)為獨(dú)立的，與觀測(cè)站的位置參數(shù)一起進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與求解；將接收機(jī)的時(shí)鐘差表示為時(shí)間多項(xiàng)式，并在觀測(cè)量的平差計(jì)算中將多項(xiàng)式的系數(shù)進(jìn)行求解；接收機(jī)的鐘差通過在衛(wèi)星間求一次差來進(jìn)行消除。

（2）接收機(jī)的位置誤差：指的是標(biāo)石中心位置與接收機(jī)天線相位中心的誤差。減弱措施：認(rèn)真對(duì)中并置平接收機(jī)。

（3）天線相位中心位置誤差：觀測(cè)時(shí)相位中心的瞬時(shí)位置與理論上的相位中心不一致的誤差。措施：觀測(cè)站的天線應(yīng)按天線附有的方位標(biāo)進(jìn)行定向，使之根據(jù)羅盤指向磁北極，偏差保持在3°以內(nèi)。

1.4 其它影響：地球潮汐、地球自轉(zhuǎn)

（1）地球潮汐：地球在太陽和月球的萬有引力作用下，固體地球要產(chǎn)生周期性的彈性形變（固體潮），地球的負(fù)荷發(fā)生周期性的變動(dòng)，使地球產(chǎn)生周期的形變（負(fù)荷潮汐）。措施：加改正數(shù)。

（2）地球自轉(zhuǎn)：當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)傳播到觀測(cè)站時(shí)，與地球相固聯(lián)的協(xié)議地球系相對(duì)衛(wèi)星的上述瞬時(shí)位置已產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)（繞Z軸）。措施：加改正數(shù)。

2 關(guān)于GPS外業(yè)工作

2.1 選點(diǎn)

選點(diǎn)時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)：

（1）點(diǎn)位應(yīng)設(shè)在易于安裝接收設(shè)備，而且要求視野開闊，位置較高的點(diǎn)上；

（2）為了減少GPS信號(hào)因?yàn)檎系K物被遮擋或者吸收，要求視場(chǎng)周圍15°以上不得有障礙物，且點(diǎn)位目標(biāo)要顯著；

（3）點(diǎn)位設(shè)置應(yīng)遠(yuǎn)離高壓輸電線，同時(shí)還要遠(yuǎn)離想電視臺(tái)、微波站等大功率的無線電發(fā)射源，一般距離要大于200m，其微波無線電信號(hào)傳送通道應(yīng)大于50m，這樣才能防止GPS信號(hào)不會(huì)受到電磁場(chǎng)的干擾；

（4）為了避免與減少多路徑效應(yīng)對(duì)GPS信號(hào)的影響，點(diǎn)位附近不能有強(qiáng)烈干擾衛(wèi)星信號(hào)接收的物體或者大面積的水域。

2.2 觀測(cè)

觀測(cè)時(shí)應(yīng)遵循的原則：

（1）嚴(yán)格對(duì)中置平GPS。

（2）當(dāng)天線需要安置在三角點(diǎn)覘標(biāo)的觀測(cè)臺(tái)或回光臺(tái)上時(shí)，應(yīng)先將覘標(biāo)頂部拆除，以防止對(duì)GPS信號(hào)的遮擋，若無法拆除覘標(biāo)頂部，就應(yīng)進(jìn)行偏心觀測(cè)，在離三角點(diǎn)100m以內(nèi)選擇確定偏心點(diǎn)，歸心元素以解析法精密測(cè)定；

（3）天線的定向標(biāo)志需要指向正北，需要注意當(dāng)?shù)卮牌堑挠绊懀行p弱中心偏差對(duì)其影響；

（4）架設(shè)天線高度應(yīng)在1m以上；

（5）觀測(cè)始末，在圓盤天線間隔120°的三個(gè)方向各量取3次天線高（誤差不超過3mm），取平均值；

（6）當(dāng)確認(rèn)外接電源電纜及天線等各項(xiàng)連接完全無誤后，才可接通電源，啟動(dòng)接收機(jī)；

（7）開機(jī)后確保接收機(jī)的相關(guān)顯示指標(biāo)都處于正常狀態(tài)下，并且通過自檢后，才可以輸入相關(guān)的時(shí)段控制信息；

（8）在接收機(jī)開始進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄后，需要對(duì)觀測(cè)到的衛(wèi)星號(hào)、衛(wèi)星數(shù)量、相位測(cè)量殘差、實(shí)時(shí)定位結(jié)果、存貯介質(zhì)記錄等進(jìn)行查看與分析；

（9）不允許在一個(gè)時(shí)段觀測(cè)過程中從事以下操作工作：改變衛(wèi)星高度角，關(guān)閉又重新啟動(dòng)，改變數(shù)據(jù)采樣間隔，改變天線位置，按動(dòng)關(guān)閉和刪除文件等功能鍵；

（10）時(shí)段開始、中間、結(jié)束各測(cè)定一次氣象元素，時(shí)段較長時(shí)可適當(dāng)增加觀測(cè)次數(shù)；

（11）在觀測(cè)過程中，接收機(jī)旁不可使用對(duì)講機(jī)，為防雷擊，雷雨季節(jié)應(yīng)關(guān)機(jī)停測(cè)，并卸下架設(shè)天線。

3 賀州市東部產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移工業(yè)園GPS控制測(cè)量

3.1 工程項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于東經(jīng) 111°15′至東經(jīng) 111°17′，北緯 24°47′至北緯 24°50′，任務(wù)是在工業(yè)園區(qū)內(nèi)測(cè)設(shè)兩個(gè)E級(jí)平面GPS控制點(diǎn)00E2和00E3，起始參考點(diǎn)為國家C級(jí)GPS控制點(diǎn)0LYJ和DYKS，（見圖1）。0LYJ及DYKS點(diǎn)位開闊，衛(wèi)星高度角15°以上無任何障礙物，00E2及00E3點(diǎn)位衛(wèi)星高度角15°以上有少許樹枝樹葉。附近無大功率無線電發(fā)射源，亦無大面積水域及大型建筑。

圖1 網(wǎng)圖

3.2 GPS觀測(cè)

（1）本次測(cè)量采用四臺(tái)（規(guī)范要求≥3臺(tái)）中海達(dá)HD8200G單頻靜態(tài)GPS接收機(jī)（標(biāo)稱精度：5mm+1ppm，規(guī)范要求≤10mm＋3ppm）進(jìn)行同步觀測(cè)。衛(wèi)星截止高度角設(shè)為15°。觀測(cè)數(shù)據(jù)如圖2～5。

（2）從圖2～5可看出，每臺(tái)接收機(jī)同步觀測(cè)有效衛(wèi)星數(shù)達(dá)到了四顆以上，有效衛(wèi)星總數(shù)也都超過了四顆，觀測(cè)時(shí)間最少的00E2達(dá)到了107min，規(guī)范要求為80min（40分/時(shí)段，60%的測(cè)站再觀測(cè)一個(gè)時(shí)段）。參數(shù)均高于E級(jí)GPS測(cè)量規(guī)范要求。圖1和圖2中斷斷續(xù)續(xù)的數(shù)據(jù)為質(zhì)量不佳數(shù)據(jù)，從工程概況可知，應(yīng)該是樹枝樹葉遮擋衛(wèi)星信號(hào)，使接收機(jī)失去對(duì)衛(wèi)星的跟蹤造成的。

3.3 內(nèi)業(yè)解算

采用中海達(dá)HDS軟件進(jìn)行解算，觀測(cè)數(shù)據(jù)、解算數(shù)據(jù)等相關(guān)數(shù)據(jù)如圖 6、表 1～2。

3.3.1 閉合差、基線解（見圖6）

在進(jìn)行基線解算前，對(duì)原始采集數(shù)據(jù)進(jìn)行了編輯，把質(zhì)量不佳的數(shù)據(jù)剔除（不參與解算），圖1和圖2中斷斷續(xù)續(xù)的數(shù)據(jù)即為觀測(cè)質(zhì)量不佳的數(shù)據(jù)，把質(zhì)量不佳的數(shù)據(jù)剔除掉才能提高基線解算精度。軟件采用了改進(jìn)的Hopfield對(duì)流層改正模型。從圖6可看出精度遠(yuǎn)高于要求的≤10PPM。

3.3.2 基線最弱邊相對(duì)中誤差（見表1）

從表1看出，1：90704的精度遠(yuǎn)高于1：20000的要求。

3.3.3 最弱點(diǎn)平面中誤差（見表2）

從表2看出，本項(xiàng)目最弱點(diǎn)平面中誤差僅為2.1mm，遠(yuǎn)小于5cm的要求。

4 總結(jié)

隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，GPS的應(yīng)用越來越普及，給我們現(xiàn)實(shí)生活帶來的便利也越來越明顯。然而輕視作業(yè)規(guī)則，忽略觀測(cè)質(zhì)量將給我們帶來意想不到的后果，造成時(shí)間、人力、物力、財(cái)力的浪費(fèi)。在GPS測(cè)量中，注意一些常被忽略的嚴(yán)重影響測(cè)量精度的細(xì)節(jié)，才能保證和提高GPS測(cè)量精度：

（1）點(diǎn)位要選在視野開闊，≥15°高度角無反射物，無障礙物，無電磁場(chǎng)的干擾；

（2）觀測(cè)時(shí)應(yīng)固牢三角架，要嚴(yán)格置中精平儀器，認(rèn)真丈量儀器高，防止人為誤差；

（3）適當(dāng)延長觀測(cè)時(shí)間；

圖2

圖3

圖4

圖5

圖6 閉合差、基線解

（4）數(shù)據(jù)解算前，剔除質(zhì)量不佳的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

GPS現(xiàn)在已發(fā)展到應(yīng)用于地球地殼的變形研究、高精度變形觀測(cè)等高新技術(shù)領(lǐng)域。相信它的應(yīng)用將越來越廣，對(duì)人類發(fā)展也將發(fā)揮更大的作用。

表1 基線最弱邊相對(duì)中誤差

表2 最弱點(diǎn)平面中誤差

[1]徐紹銓，張華海，楊志強(qiáng)，王澤民，編著.GPS測(cè)量原理及應(yīng)用.

[2]劉大杰，施一民，過靜，編著.全球定位系統(tǒng)（GPS）的原理與數(shù)據(jù)處理.

[3]《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》.

P228.4

A

1004-7344（2016）18-0179-03

2016-5-11

李繼金（1982-），男，中級(jí)工程師，本科，主要從事工程測(cè)繪工作。