GPS RTK的誤差分析及質量控制

李軍民

摘 要：文章重點分析了GPS RTK測量的誤差來源及其對GPS RTK測量的影響分析，提出了減小誤差的方法從而加強質量控制，最后示例分析了GPS RTK定位技術的精度及內不符合精度。

關鍵詞：誤差分析；精度；質量控制

1 GPS RTK測量的誤差來源及其影響

1.1 與衛(wèi)星有關的誤差及分析

1.1.1 衛(wèi)星星歷誤差

衛(wèi)星星歷誤差的產生是多種攝動力對GPS衛(wèi)星作用的結果，并且這些攝動力的作用規(guī)律也難以測定。而衛(wèi)星作為已知點參與定位解算，一旦衛(wèi)星星歷中含有誤差，單點定位的精度將在很大程度上受到影響，這也是精密相對定位中的重要誤差來源。

現在，對于這種誤差的解決辦法有兩種：一是獨立定軌，保證導航和實時定位可靠性的精度；二中軌道松弛法，在平差過程中，把衛(wèi)星軌道當作初始值，衛(wèi)星軌道改正數為未知數，最后同時求出測點坐標和軌道改正數[1]。

1.1.2 衛(wèi)星鐘差

只有衛(wèi)星鐘和接收機鐘時間保持一致才能保證準確的定位測量，然而實際中它們與理想中的GPS時相比是不可能完全一致的，雖然這種差異大概在1ms內，但是這1ms的等效距離大約為300km[2]。

為了能夠精確地確定衛(wèi)星鐘差，通常的做法都是進行持續(xù)監(jiān)測衛(wèi)星鐘運行狀態(tài)，然后建立鐘差改正模型，改正后由衛(wèi)星鐘差引起的誤差將在6 m以內。

1.2 衛(wèi)星信號的傳播誤差

1.2.1 電離層折射的影響

GPS衛(wèi)星信號在傳播過程中遇到電離層，其路徑就會發(fā)生變化，并且這種影響隨著傳播路徑線與地平線夾角的增大而減小。

通常采用以下方法來減弱電離層的影響：利用雙頻觀測；通過導航電文可以獲得電離層模型，可以利用電離層模型加以修正，但是它只有一定的改善作用，有效性僅為75%左右；在作業(yè)過程中可以用兩臺（含）以上儀器同時觀測，并提取觀測值之差，這時的殘差將不會超過10-6。

1.2.2 對流層折射的影響

對流層會使GPS信號發(fā)生折射作用，因此其傳播路徑就會發(fā)生變化——稱為對流層延遲，這時其影響隨著衛(wèi)星信號高度角的增大而減小。

可以有效利用下列方法消弱對流層的影響：采用對流層模型加以改正；把對對流層有影響的因素當作未知參數，在數據平差過程中一起求解；觀測量求差，此方法與上述消弱電離層對GPS信號影響的方法相同。

1.2.3 多路徑效應

高反射物體的反射作用是多路徑效應產生的主要原因，通常情況下這種影響的范圍一般在5～9cm，在遇到糟糕的環(huán)境時甚至能達到15cm，因此在高精度測量工作當中，多路徑效應是必須要考慮的。

目前可以采用以下方法減弱多路徑效應：測站的選擇要合適，要盡量遠離反射物體，如成片的水域、信號塔、雷達站、高層建筑物、山谷等；天線的選擇要合理，如選擇扼流圈天線；有效地增加測量時間，這樣可以減弱多路徑效應的周期性影響[3]。

1.3 與接受機有關的誤差及分析

1.3.1 接收機鐘差

由于成本的限制，接收機通常采用石英鐘，石英鐘與原子鐘相比誤差更大。接收機鐘差將會嚴重影響作業(yè)成果的精度，所以需要采用有效的方法將其削弱甚至消除。

目前通常采用下列方法有效削弱接收機鐘差的影響：在求解參數的過程中，將所有時段觀測得到的接收機鐘差都當作獨立的未知數進行求解；在接收機鐘差和時間之間建立函數關系式，當然這個關系式必須完全正確可靠，這樣才能有效減弱接收機鐘差；也可以通過在衛(wèi)星間一次求差的方法來削弱接收機鐘差，和第一種方法本質相同。

1.3.2 天線相位中心位置偏差

GPS信號輸入的強度和方向不同時，天線相位中心的位置就會變化，從而導致與其幾何相位中心不符，進而對測量結果有一定的影響。在實際測量工作中，消弱這種影響通常采用同種型號的儀器，在相距不遠的兩個或多個觀測站上，同步觀測同一組衛(wèi)星，通過觀測值求差來實現。

1.4 其他因素誤差

其他的誤差因素主要包括坐標轉換參數誤差、參考站坐標誤差、地球自轉的影響。

2 GPS RTK測量的質量控制方法

2.1 精確求解坐標轉換參數

GPS RTK在作業(yè)時直接獲取的是WGS-84坐標系統(tǒng)，而在實際工作中所使用的往往是北京54或者地方坐標系下的坐標，因此在數據處理時必須進行坐標系的轉換，精確地得到坐標轉換參數才能使結果更趨近于真值。

通過大量的實踐與分析可得：控制點必須均勻分布，同時這些控制點要覆蓋到整個GPS基準站網，由這些控制點求得坐標轉換參數才是合理的；這些控制點的點位精度越高越好，可由靜態(tài)相對定位獲得；為了獲得精度較高的坐標轉換參數，通常采用嚴密的七參數轉換法，求得的參數須用已知點檢驗其精確度。

2.2 正確選擇基準站

基準站應滿足GPS基本的觀測條件，另外必須能夠播發(fā)或傳輸差分改正信號。一般基準站都選在視野開闊、周圍盡量沒有成片的水域、信號塔、雷達站、高層建等地點，以便消除或者消弱多路徑效應的影響，提高RTK的測量質量。

2.3 作業(yè)時段的選擇

通過以往的經驗總結PDOP值較大的時間段是很容易出現粗差的，所以就要求我們選擇PDOP值小的時段作業(yè)。經過衛(wèi)星預報分析總結，中午12點左右PDOP值相對較大，不適合RTK測量，所以應該盡量避開這個時間段作業(yè)，這樣初始化時間短，效率高，精度高。

2.4 進行重復觀測來提高點位精度

通常情況下這些控制點需要獨立測量兩次，測到數據后進行重新求解整周模糊度，然后做兩次收斂，當這兩次求解的坐標值之差不大于±5cm，取其平均數當作最終結果。

2.5 解決盲點

基準站架設在地勢開闊、位置較高的地方，同時提高流動站天線的高度，這樣可以有效解決有數據鏈信號接收的問題，從而解決盲點；如果是點位觀測條件不好，衛(wèi)星信號差導致無法作業(yè)，應該在該點位附近選擇條件好的位置加測圖根控制點，然后利用全站儀補測該點。

2.6 加強觀測中的校核

在觀測中進行校核有如下兩種方法。

（1）已知點檢核比較法：在控制網內多布設幾個多余的控制點，利用靜態(tài)GPS測出這些控制點的坐標，然后將RTK測出的成果與靜態(tài)GPS結果做認真對比，及時發(fā)現問題和原因并利用正確合理的方法進行改正。

（2）重測比較法：當初始化成功后，選取2個已經測過或者高精度的點位進行重測檢核，確認沒有差錯后再進行正式的作業(yè)。

3 示例數據分析

該測區(qū)位于重慶市，南北約1000m，西北約600m，總面積約0.6km?，共有10個GPS控制測量點，它們的坐標都已經采用靜態(tài)GPS測量平差的方法測出?，F根據相關RTK測量規(guī)范進行了RTK作業(yè)，數據平差后分析如下：

3.1 RTK數據分析（表1）

由表1可以得出，X，Y，Z各分量的差異值都在-19～9 mm。其結果與靜態(tài)測量數據比較可以看出，測量穩(wěn)定性明顯降低，造成這種結果的原因是RTK測量比較受天氣狀況（如空氣濕度）、衛(wèi)星狀況或者數據鏈傳輸狀況等多種因素的影響。雖然RTK測量的精度及穩(wěn)定性不及靜態(tài)GPS測量，但也有作業(yè)效率高，沒有誤差積累等各種優(yōu)點，完全能夠滿足一般工程的精度要求，實用價值高。

3.2 RTK測量數據的內部符合精度

內符合精度是指RTK多次測量值與測量算術平均值的較差，即

由表1和表2可以看出，RTK測量X坐標的內符合精度最大值為19.7mm，最小值為4.4mm，平均值為10.3mm；Y坐標的內符合精度最大值為19.1mm，最小值為3.5mm，平均值為10.0mm；Z坐標的內符合精度最大值為14.2mm，最小值為1.0mm，平均值為4.3mm。由此可看出RTK測量的內部符合精度較高，相對穩(wěn)定，可以在施工測量中作業(yè)。

4 結束語

GPS RTK定位技術相比常規(guī)測量及靜態(tài)GPS測量來說，其有很大的優(yōu)點，作業(yè)效率大大提高，帶來了很高的經濟效益。目前選擇高精度RTK儀器和合適的作業(yè)方式，通過文章中提出的質量控制，將能得到更加穩(wěn)定可靠的高精度成果。相信隨著RTK技術的不斷發(fā)展與成熟，其將會在很多領域得到廣泛的應用。

參考文獻

[1]王婷婷.GPS測量誤差分析及控制[J].電子工程，2008，（3）：20-21.

[2]呂代和.GPS測量的集中誤差及相應處理辦法[J].貴州科學，2007，（25）：194-195.

[3]余兵.RTK在工程測量中的應用初探[J].科技創(chuàng)新導報，2010，（20）：101.