淺談GPS測繪存在誤差及有效提高定位精度

麥衛(wèi)東

（從化市土地開發(fā)整理中心，廣東 從化 510900）

淺談GPS測繪存在誤差及有效提高定位精度

麥衛(wèi)東

（從化市土地開發(fā)整理中心，廣東 從化 510900）

筆者論述了GPS測量誤差的來源，并指出在土地整理測繪項(xiàng)目中提高GPS控制測量平面和高程精度的手段和措施，對(duì)實(shí)際工作有一定的指導(dǎo)作用。

土地整理測繪；GPS衛(wèi)星測量；誤差；定位；精度

近年來，我市國土資源部門依據(jù)土地利用總體規(guī)劃和土地開發(fā)整理規(guī)劃，對(duì)部份地區(qū)的土地進(jìn)行了集中整理開發(fā)。為了保障該項(xiàng)工作的順利開展，首先要獲取準(zhǔn)確的野外地形資料，在時(shí)間緊、工作區(qū)域分散等不利條件下，工作過程中普遍采用了GPS技術(shù)，保證了數(shù)據(jù)資料的精度和工程的進(jìn)度。

1 GPS的誤差來源

我們?cè)诶肎PS進(jìn)行定位測量時(shí)，會(huì)受到諸多因素的影響，產(chǎn)生定位誤差。影響GPS定位精度的因素一般可分為以下四類：

1.1 與GPS衛(wèi)星有關(guān)的因素

1.1.1 信號(hào)誤差

美國政府從其國家利益出發(fā)，通過降低廣播星歷精度，在GPS基準(zhǔn)信號(hào)中加入高頻抖動(dòng)信號(hào)等方法，人為降低普通用戶利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航定位時(shí)的精度。

1.1.2 衛(wèi)星星歷誤差

在進(jìn)行GPS定位時(shí)，計(jì)算在某時(shí)刻GPS衛(wèi)星位置所需的衛(wèi)星軌道參數(shù)是通過各種類型的星歷提供的，但不論采用哪種類型的星歷，所計(jì)算出的衛(wèi)星位置都會(huì)與其真實(shí)位置有所差異，這就是所謂的星歷誤差。

1.1.3 衛(wèi)星鐘差

衛(wèi)星鐘差是 GPS衛(wèi)星上所安裝的原子鐘的鐘面時(shí)與 GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之間的誤差。

1.1.4 衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線相位中心偏差

衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線相位中心偏差是GPS衛(wèi)星上信號(hào)發(fā)射天線的標(biāo)稱相位中心與其真實(shí)相位中心之間的差異。

1.2 與傳播途徑有關(guān)的因素

1.2.1 電離層延遲

由于地球周圍的電離層對(duì)電磁波的折射效應(yīng)，使得GPS信號(hào)的傳播速度發(fā)生變化，這種變化稱為電離層延遲。電磁波所受電離層折射的影響與電磁波的頻率以及電磁波傳播途徑上電子總含量有關(guān)。

1.2.2 對(duì)流層延遲

由于地球周圍的對(duì)流層對(duì)電磁波的折射效應(yīng)，使得GPS信號(hào)的傳播速度發(fā)生變化，這種變化稱為對(duì)流層延遲。電磁波所受對(duì)流層折射的影響與電磁波傳播途徑上的溫度、濕度和氣壓有關(guān)。

1.1.3 多路徑效應(yīng)

由于接收機(jī)周圍環(huán)境的影響，使得接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星信號(hào)中還包含有各種反射和折射信號(hào)的影響，這就是所謂的多路徑效應(yīng)。

1.3 與接收機(jī)有關(guān)的因素

1.3.1 接收機(jī)鐘差

接收機(jī)鐘差是GPS接收機(jī)所使用的鐘的鐘面時(shí)與GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)之間的差異。

1.3.2 接收機(jī)天線相位中心偏差

在 GPS測量時(shí)，觀測值都是以接收機(jī)天線的相位中心位置為準(zhǔn)的，而天線的相位中心與其幾何中心，在理論上應(yīng)保持一致。

1.3.3 接收機(jī)軟件和硬件造成的誤差

在進(jìn)行GPS定位時(shí)，定位結(jié)果還會(huì)受到諸如處理與控制軟件和硬件等的影響。

1.3.4 接收機(jī)的位置誤差

接收機(jī)天線相位中心相對(duì)測站標(biāo)石中心位置的誤差，叫接收機(jī)位置誤差。其中包括天線置平和對(duì)中誤差、盆取天線高誤差。在精密定位時(shí)，要仔細(xì)操作，以盡量減少這種誤差影響。在變形監(jiān)測中，應(yīng)采用有強(qiáng)制對(duì)中裝置的觀測墩。

1.3.5 周跳

周跳也稱為失周。在精密的GPS相對(duì)定位中采用的觀測值是相位觀測值。相位觀測值是接收機(jī)本機(jī)振蕩產(chǎn)生的相位與接收到的衛(wèi)星載波相位之差，在測量時(shí)，只能測到不足1周的小數(shù)部分（可準(zhǔn)到0.01周）。

周跳對(duì)點(diǎn)位坐標(biāo)的影響。在GPS相位測量中，觀測數(shù)據(jù)中大于10周的周跳，在數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)不難發(fā)現(xiàn)，可予以消除。然而，小于10周的周跳，特別是1～5周的周跳，以及半周跳和1/4周跳則不易發(fā)現(xiàn)，而對(duì)含有周跳的觀測值，周跳的影響視為觀測的偶然誤差，因而嚴(yán)重影響坐標(biāo)的精度。

據(jù)拉查佩利的統(tǒng)計(jì)，一個(gè)周跳對(duì)經(jīng)度、緯度、高程的影響為：

△L＝0.03－0.06 m

△L＝0.10－0.18 m

△L＝0.14－0.16 m

然而，即使只有一個(gè)衛(wèi)星殘存有一個(gè)周跳，也會(huì)使該次定位點(diǎn)位坐標(biāo)有幾毫米至幾厘米的誤差。由此可見，凡精度要求達(dá)到厘米級(jí)或分米級(jí)的GPS定位測量，都必須清除觀測數(shù)據(jù)中的全部周跳。

1.4 其他

（1）控制網(wǎng)布設(shè)不合理或起算數(shù)據(jù)利用不合理引起的誤差。（2）GPS控制部分人為或計(jì)算機(jī)造成的影響。

（3）由于 GPS控制部分的問題或用戶在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)引入的誤差等。

（4）數(shù)據(jù)處理軟件的影響。

（5）數(shù)據(jù)處理軟件的算法不完善對(duì)定位結(jié)果的影響。

2 提高GPS定位精度的有效方法

作業(yè)單位在利用GPS進(jìn)行定位作業(yè)時(shí)，為了提高GPS的定位精度，應(yīng)該從硬件和作業(yè)手段兩個(gè)方面加以改進(jìn)，以提高GPS的定位精度。

2.1 硬件的改進(jìn)

2.1.1 采用合適的GPS接受機(jī)作業(yè)

當(dāng)基線邊長大于10 km時(shí)，采用雙頻接收機(jī)。雙頻接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：①可以基本消除電離層延遲對(duì)點(diǎn)位坐標(biāo)的影響，點(diǎn)間距離可達(dá)100 km；②在快速靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測量中觀測時(shí)間比單頻機(jī)短。

當(dāng)基線邊長小于10 km時(shí)，可以采用單頻接收機(jī)。單頻接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：①需要電子元件較大，對(duì)微處理器的要求較低，不需要昂貴的互相關(guān)器或Z碼發(fā)生器，產(chǎn)品數(shù)量大，價(jià)格只有雙頻接收機(jī)的一半；②不易出故障，平均無故障時(shí)間（MBFT）約為8 000 h；③不受DODP碼保密的限制；④邊長短于10 km時(shí)比雙頻結(jié)果精度高；⑤功耗低、體積小、重量輕，給外業(yè)帶來方便。其缺點(diǎn)是：①點(diǎn)間距離超過20～30 km時(shí)，定位精度受到電離層、對(duì)流層延遲的影響。凡點(diǎn)位相對(duì)精度要求 2×10－6時(shí)，邊長不宜超過20～30 km；②在快速靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測量中觀測時(shí)間比雙頻接收機(jī)長。

2.1.2 作業(yè)前對(duì)GPS接受機(jī)進(jìn)行鑒定

綜上所述，GPS接收機(jī)常存在鐘誤差、通道間的偏差、鎖相環(huán)延遲、碼跟蹤環(huán)偏差、天線相位中心偏差等，所以必須先了解儀器性能、工作特性及其可能達(dá)到的精度水平。它是制定GPS作業(yè)計(jì)劃的依據(jù)，也是GPS定位測量順利完成的重要保證，所以對(duì)GPS測量儀器必須先進(jìn)行作業(yè)前的檢驗(yàn)，沒有檢驗(yàn)的儀器是不能用于作業(yè)的。

2.2 作業(yè)方法和手段的改進(jìn)

2.2.1 設(shè)計(jì)的要求

由GPS測量的誤差源可以看出，GPS網(wǎng)的設(shè)計(jì)已免除了測角、邊角同測和測邊網(wǎng)等的傳統(tǒng)要求，它不需要點(diǎn)間通視，也不需要考慮布設(shè)什么樣的圖形，不需要設(shè)立在制高點(diǎn)上（哪里需要就可以設(shè)置在哪里），所以GPS網(wǎng)的設(shè)計(jì)非常靈活。但也應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：①除特殊需要外，一般GPS基線長度相差不宜過大，這樣可使GPS測量的精度分布均勻；②GPS網(wǎng)不要有開放式的網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，應(yīng)構(gòu)成封閉式閉合環(huán)和子環(huán)路；③若條件允許，應(yīng)構(gòu)成連續(xù)三角網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，有利于提高整網(wǎng)的精度和點(diǎn)位精度的均勻分布。

2.2.2 選點(diǎn)的要求

選點(diǎn)的要求：①點(diǎn)位應(yīng)便于接收設(shè)備的架設(shè)和操作，視野開闊，被測衛(wèi)星的地平高度角應(yīng)大于15 °；②應(yīng)盡量消除多路徑影響，防止GPS信號(hào)通過其他物體反射到GPS天線上，因此應(yīng)避開強(qiáng)反射的地面，避開強(qiáng)反射環(huán)境，如山谷、山坡、建筑物等；③避開強(qiáng)電磁波干擾，設(shè)站應(yīng)遠(yuǎn)離雷達(dá)站、電臺(tái)、微波中繼站等。

2.2.3 觀測的要求

觀測的要求：①觀測時(shí)應(yīng)該嚴(yán)格對(duì)中，觀測前和觀測后兩次量取儀器高；有特殊要求的可以建立觀測墩，以減小對(duì)中誤差；②要有足夠的觀測時(shí)間，保證野外觀測數(shù)據(jù)的可靠性和有效性。

2.2.4 計(jì)算

要進(jìn)行觀測數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)，對(duì)同步環(huán)、異步環(huán)、復(fù)測基線按規(guī)范進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，無效數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行重測，保證數(shù)據(jù)的可靠性。

平面坐標(biāo)起算數(shù)據(jù)和高程起算數(shù)據(jù)應(yīng)該均勻分布在網(wǎng)中，以提高平面和高程的擬合精度；特別是高程起算點(diǎn)的分布是否合理，對(duì)高程擬合精度有很大的影響，應(yīng)采用水準(zhǔn)測量的方式，將高程均勻引測到測區(qū)平均高程面控制點(diǎn)上，且起算高程點(diǎn)在控制網(wǎng)中要布設(shè)均勻。

3 結(jié)束語

（1）GPS控制布網(wǎng)靈活，操作簡單，有利于提高工作效率，降低生產(chǎn)成本，提高測量速度和工作效益。

（2）GPS控制只要觀測數(shù)據(jù)可靠，平面起算數(shù)據(jù)和高程起算數(shù)據(jù)設(shè)置合理，能得到較好的平面精度和高程精度。

（3）靜態(tài) GPS作業(yè)，基線較長時(shí)要適當(dāng)延長觀測時(shí)間，以取得良好的觀測數(shù)據(jù)。

（4）GPS網(wǎng)選點(diǎn)很重要，一定要按照規(guī)范要求進(jìn)行合理選點(diǎn)，地平高度角大于15 °，上方應(yīng)該比較開闊，沒有遮擋，同時(shí)遠(yuǎn)離雷達(dá)站、電臺(tái)、微波中繼站等。

（5）合理選用控制起算資料，使起算控制點(diǎn)均勻分布在網(wǎng)中，提高精度。

Discussion on Existing Errors of GPS Mapping and how to I m prove the Location Accuracy

Mai Weidong

The author discusses the sources of GPS measurement error, and points out the means and measures to improve the GPS control survey’s accuracy and elevation in the land consolidation and mapping project. It w ill provide some guidance for the actual work.

and consolidation mapping; GPS satellite measurement; error; location; accuracy

P228.4

A

1000－8136（2010）36－0016－02