手持GPS定位精度與誤差的研究①

王克曉，李鳳友，劉煥玲，邢衛(wèi)軍，任洪文

（1.天津鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300240；2.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京100830；3.山東黃金焦家金礦，山東 萊州261441）

0 引 言

手持式GPS是一種利用新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)，體積小巧、攜帶方便的定位導(dǎo)航設(shè)備，具有全天候、全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力［1－2]。

隨著全球定位系統(tǒng)的發(fā)展，手持式GPS廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域。目前，無(wú)論是靜態(tài)測(cè)量型、動(dòng)態(tài)（RTK）還是手持導(dǎo)航等機(jī)型已廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量、地質(zhì)調(diào)查、資源勘查等眾多領(lǐng)域，并逐步深入到人們的日常生活。近幾年，隨著技術(shù)的不斷完善以及美國(guó)SA政策的解除，手持GPS接收機(jī)的定位精度較之以前有了很大的提高。

鄧鐘對(duì)基于手持式GPS野外導(dǎo)航地圖的制作研究中提到單點(diǎn)定位精度可達(dá)到其標(biāo)稱的10m以內(nèi)的精度，若做一些差分處理，可達(dá)到1～5m以內(nèi)的精度，在比例尺為1∶10 000的地圖上誤差不到1mm［3].王曉明在提高手持GPS定位精度的方法研究中提到，標(biāo)準(zhǔn)五參數(shù)設(shè)置法平面中誤差為3.6m，三維中誤差為5.6m［4].需要系統(tǒng)地研究手持式GPS使用精度以及誤差影響。

1 手持機(jī)的簡(jiǎn)介

手持機(jī)根據(jù)定位精度可以分為：米級(jí)、亞米級(jí)。其中亞米級(jí)中包括精度更高的10～30cm精度的手持機(jī)和10cm以內(nèi)精度的手持機(jī)。

手持機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域：國(guó)土調(diào)查及執(zhí)法監(jiān)察、電力線巡檢、配電GIS系統(tǒng)、數(shù)字城市、林業(yè)資源調(diào)查、污染源普查、地質(zhì)調(diào)查、地籍測(cè)量、農(nóng)業(yè)、通訊行業(yè)和市政工程等。

產(chǎn)品特點(diǎn)與功能：高分辨率VGA顯示器可顯示清晰地圖；具有Bluetooth和無(wú)線局域網(wǎng)連接選項(xiàng)；1GB內(nèi)置存儲(chǔ)器和SD可拆除卡插槽；Windows Mobile v6操作系統(tǒng)；堅(jiān)固耐用的手持機(jī)內(nèi)置可供全天使用的電池；支持北京54、西安80、國(guó)家2000及用戶自定義坐標(biāo)系統(tǒng)，多種數(shù)據(jù)格式的輸出可為不同平臺(tái)軟件直接提供可以使用的數(shù)據(jù)，輸出文件格式包括采用了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口結(jié)構(gòu)，支持多種GIS或者CAD平臺(tái)。

2 手持GPS定位試驗(yàn)方案

手持GPS定位穩(wěn)定性研究主要包含觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)和內(nèi)符合精度兩方面的內(nèi)容。所謂的觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)就是指測(cè)定一個(gè)點(diǎn)需要多長(zhǎng)時(shí)間才能使觀測(cè)結(jié)果的精度比較高而且穩(wěn)定；內(nèi)符合精度是指在不同的觀測(cè)時(shí)段測(cè)定同一個(gè)點(diǎn)的結(jié)果的符合程度［5－7]。

2.1 觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)對(duì)定位精度影響的試驗(yàn)

分別采用3臺(tái)天寶手持GPS（型號(hào)GeoXH）對(duì)某校區(qū)內(nèi)的點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測(cè)，在同一個(gè)點(diǎn)上每間隔一定時(shí)間記錄一次觀測(cè)結(jié)果，觀測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 手持式GPS的不同時(shí)長(zhǎng)的定位結(jié)果

1）快速觀測(cè)結(jié)果分析

從表1中可以看出，使用的3臺(tái)手持式GPS測(cè)量的穩(wěn)定性與時(shí)間的關(guān)系是一致的，當(dāng)在1個(gè)點(diǎn)上持續(xù)觀測(cè)1min以上時(shí)，3臺(tái)儀器各自測(cè)定的X互差最大值在1m以內(nèi)，Y坐標(biāo)各自測(cè)定的互差最大值在1m以內(nèi)，與真實(shí)值的差值在1m以內(nèi)，由此可以得出，其觀測(cè)結(jié)果基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2）實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)結(jié)果分析

從表1中觀測(cè)時(shí)間為10s的結(jié)果與觀測(cè)時(shí)間為30s以及以后的觀測(cè)值相比較，X坐標(biāo)值差值最大的為0.84m左右，最小的達(dá)到0.06m左右；Y坐標(biāo)最大的差值在0.87m左右，最小的差值在0.36m左右。顯然，動(dòng)態(tài)觀測(cè)結(jié)果跳躍較小，穩(wěn)定性相對(duì)不錯(cuò)。

2.2 內(nèi)符合精度大小的試驗(yàn)

評(píng)價(jià)儀器的可靠性需要從儀器的精度和儀器的穩(wěn)定性兩方面入手。對(duì)于同一臺(tái)手持機(jī)如果外界觀測(cè)條件一樣，只是觀測(cè)的時(shí)間段不一樣，得到差別較大的測(cè)量結(jié)果，而測(cè)量結(jié)果的差異又沒(méi)有規(guī)律，這樣無(wú)法談?wù)搩x器的可靠性和精度［8－9]。針對(duì)這種情況，試驗(yàn)中通過(guò)不同的時(shí)間段對(duì)相同的點(diǎn)重復(fù)的觀測(cè)研究?jī)x器的穩(wěn)定性。通過(guò)在不同的觀測(cè)時(shí)間段重復(fù)觀測(cè)相同的點(diǎn)來(lái)研究手持機(jī)的穩(wěn)定性。重復(fù)觀測(cè)選在上午10點(diǎn)和下午3點(diǎn)兩個(gè)時(shí)間段，重復(fù)觀測(cè)相同的點(diǎn)位，由此可以得出，相同點(diǎn)兩次觀測(cè)求差結(jié)果如表2所示。

表2 相同點(diǎn)兩次觀測(cè)求差

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)利用公式（1）可以計(jì)算出4種觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)的測(cè)量穩(wěn)定度。

式中的L為相同觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)的不同觀測(cè)時(shí)段的觀測(cè)值較差；n為較差的個(gè)數(shù)。

實(shí)時(shí)定位的穩(wěn)定度為 mL＝±0.41m；

30s定位的穩(wěn)定度為 mL＝±0.34m；

60s定位的穩(wěn)定度為 mL＝±0.19m；

120s定位的穩(wěn)定度為 mL＝±0.13m.

當(dāng)某一個(gè)點(diǎn)受到外界的影響變化相對(duì)較大時(shí)，這個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)必須被剔除掉。在這次試驗(yàn)中，點(diǎn)3由于受到外界建筑物的影響，在計(jì)算穩(wěn)定度時(shí)剔除該點(diǎn)，則

實(shí)時(shí)定位的穩(wěn)定度為 mL＝±0.38m；

30s定位的穩(wěn)定度為 mL＝±0.28m；

60s定位的穩(wěn)定度為 mL＝±0.17m；

120s定位的穩(wěn)定度為 mL＝±0.11m.

據(jù)以上數(shù)據(jù)可以得出，手持GPS定位時(shí)長(zhǎng)120s以上的穩(wěn)定度要比實(shí)時(shí)定位穩(wěn)定度高3倍，定位時(shí)長(zhǎng)60s和120s的穩(wěn)定度可以認(rèn)為是同等的。

2.3 手持GPS絕對(duì)定位精度試驗(yàn)

絕對(duì)定位精度是指測(cè)量值與真實(shí)值的符合程度，手持GPS絕對(duì)定位的準(zhǔn)確度指測(cè)量的結(jié)果與其真實(shí)位置符合程度。為了使真實(shí)坐標(biāo)更加準(zhǔn)確，采用國(guó)家80坐標(biāo)為基礎(chǔ)進(jìn)而解算出來(lái)的坐標(biāo)（也就是地方80坐標(biāo)）；通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，將國(guó)家80坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成手持式GPS的設(shè)置坐標(biāo)，也就是WGS－84坐標(biāo)。真實(shí)坐標(biāo)的點(diǎn)位誤差相對(duì)于手持式GPS的定位誤差的影響非常小，可以忽略不計(jì)，這種地方坐標(biāo)值可以認(rèn)為是坐標(biāo)真值。觀測(cè)值與其差值就是真誤差Δ，依據(jù)公式

可以得出6種不同觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)的絕對(duì)定位精度列于表3中。

表3 剔除粗差前的外符合精度

將dx或dy的值的水平精度偏低的點(diǎn)認(rèn)為含有粗差，所以將這些點(diǎn)剔除重新進(jìn)行外符合精度分析，如表4所示。

表4 剔除粗差后的外符合精度

根據(jù)表3和表4可得：實(shí)時(shí)定位的精度最低，相對(duì)于剔除粗差前的精度有所提高。20s和30s的定位精度基本相同；60s和120s的定位精度最高，可以認(rèn)為定位精度相同。

2.4 手持GPS相對(duì)定位精度試驗(yàn)

由于距離測(cè)量是通過(guò)兩端點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算而獲得，故在此將距離測(cè)量稱為相對(duì)定位，因此，手持式GPS相對(duì)定位精度也即距離測(cè)量精度。在試驗(yàn)中采用了同步相對(duì)定位和異步相對(duì)定位2種方法。同步相對(duì)定位指計(jì)算距離的兩端點(diǎn)坐標(biāo)為同步觀測(cè)值，異步相對(duì)定位指計(jì)算距離的兩端點(diǎn)坐標(biāo)為異步觀測(cè)值。觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5.

表5 相對(duì)定位精度

這5段距離的實(shí)際長(zhǎng)度都是232m.由表4不難看出：同步距離測(cè)量要比異步距離測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定且精度高。這是因?yàn)?臺(tái)手持機(jī)在同一時(shí)段內(nèi)觀測(cè)了相同的一組衛(wèi)星，包含有部分相同的誤差，因此，測(cè)量值具有比較高的相關(guān)性，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，有效地消除和削弱了衛(wèi)星星歷誤差及衛(wèi)星鐘差、電離層、對(duì)流層對(duì)測(cè)距的影響，提高了定位精度。

3 手持GPS定位精度及穩(wěn)定性分析

3.1 高程定位精度的問(wèn)題

由于手持機(jī)進(jìn)行定位時(shí)，因?yàn)槌钟腥说纳砀叩膮^(qū)別；進(jìn)行點(diǎn)位測(cè)量時(shí)，不可能每次都把手持機(jī)放到地面的點(diǎn)位上；應(yīng)用手持機(jī)測(cè)量大多數(shù)情況下是直接手持，而不是固定到對(duì)中桿上；進(jìn)行點(diǎn)位測(cè)量時(shí)，測(cè)量者手持儀器距地面點(diǎn)的高度并不是固定不變的；結(jié)合這些實(shí)際問(wèn)題，從而對(duì)于高程的精度就沒(méi)有做進(jìn)一步的研究。

3.2 平面定位精度的問(wèn)題

據(jù)以上數(shù)據(jù)和圖1可以得出，實(shí)測(cè)觀測(cè)值與其真值比較，X，Y坐標(biāo)分布比較均勻。但是手持式GPS定位中還存在著明顯的系統(tǒng)誤差，誤差均在1 m以內(nèi)，如果對(duì)所使用的儀器進(jìn)行誤差模擬來(lái)改善系統(tǒng)誤差對(duì)單點(diǎn)定位精度的影響，所測(cè)得數(shù)據(jù)可以得到更高的精度。

圖1 GPS定位誤差分布圖

觀測(cè)值的系統(tǒng)誤差為

利用上述公式可以得出改正后的殘差如表6所示。

表6 系統(tǒng)誤差改正后的殘差

從表中數(shù)據(jù)對(duì)比分析，當(dāng)定位時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)以后，定位結(jié)果的殘差會(huì)比較小，在某些特殊情況下，可能由于人為的操作不當(dāng)，或者是由于天氣原因，致使某些結(jié)果會(huì)有反常情況的發(fā)生。但是，總體的趨勢(shì)還是正確的。也就是說(shuō)適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)定位時(shí)間后，會(huì)得到精度更高的結(jié)果。

利用以上數(shù)據(jù)對(duì)定位后的點(diǎn)位進(jìn)行處理后，可以得出精度比較高的點(diǎn)位坐標(biāo)。得到的這些坐標(biāo)，可能會(huì)因?yàn)榈乩砦恢茫髿鈱?，電離層或者是對(duì)流層等的影響從而影響定位的精度。所以，針對(duì)某些特定的情況下，得出處理后得到的定位點(diǎn)的精度如表7所示。

從表7的數(shù)據(jù)分析中可以得出，在不同的定位模式下，也就是說(shuō)不同的定位時(shí)間對(duì)定位點(diǎn)的定位精度有較大的影響。根據(jù)表中的數(shù)據(jù)對(duì)比，當(dāng)定位時(shí)間延長(zhǎng)后，定位精度就會(huì)越來(lái)越高。在某些精度要求不是很高，可以選擇短時(shí)間的定位，這樣可以節(jié)省定位時(shí)間，提高作業(yè)效率；如果要求定位結(jié)果的精度相對(duì)比較高時(shí)，可以延長(zhǎng)定位時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果要求的精度很高，最好采用GPS接收機(jī)進(jìn)行靜態(tài)定位。

表7 處理后得到的定位點(diǎn)的精度

4 結(jié) 論

通過(guò)試驗(yàn)可以得出，不經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理的天寶（型號(hào)XH）手持式GPS實(shí)時(shí)單點(diǎn)定位的水平精度可以控制在亞米級(jí)的水平上。但是，在某些地區(qū)，如果延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間至兩分鐘以上，或者手持機(jī)所測(cè)得數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理之后，單點(diǎn)定位上的水平精度甚至達(dá)到半米之內(nèi)或者更高。

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