標(biāo)準(zhǔn)化視域下GPS接收機(jī)檢定中數(shù)據(jù)后處理關(guān)鍵問(wèn)題研究

張?jiān)路?/p>

（山東省國(guó)土測(cè)繪院，山東 濟(jì)南 250013）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，國(guó)土建設(shè)方面也取得了極大成就。而通過(guò)對(duì)國(guó)土建設(shè)項(xiàng)目的持續(xù)、快速投入與推進(jìn)，促使我國(guó)在國(guó)土相關(guān)項(xiàng)目基礎(chǔ)設(shè)施中實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，進(jìn)一步發(fā)揮了國(guó)土資源對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的促進(jìn)作用。而在實(shí)際進(jìn)行國(guó)土項(xiàng)目建設(shè)中，為保證建設(shè)質(zhì)量，需要重視GPS接收機(jī)使用，以此獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息，為建設(shè)工作開(kāi)展提供數(shù)據(jù)支持。但在使用GPS進(jìn)行信號(hào)接收時(shí)，數(shù)據(jù)后處理關(guān)鍵問(wèn)題會(huì)影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性以及國(guó)土建設(shè)工作開(kāi)展質(zhì)量。因此，在相關(guān)工作開(kāi)展中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)GPS以及數(shù)據(jù)后處理關(guān)鍵問(wèn)題的研究。

1 GPS信號(hào)接收機(jī)

使用GPS衛(wèi)星發(fā)送導(dǎo)航定位信號(hào)，能夠?yàn)榇罅坑脩籼峁┬畔⒉?shí)現(xiàn)信息共享，將其應(yīng)用于海陸空等領(lǐng)域中，能夠滿足不同領(lǐng)域需求。在相關(guān)設(shè)備支持下，用戶利用接收、跟蹤、變換和測(cè)量GPS信號(hào)的設(shè)備，即GPS信號(hào)接收機(jī)，可隨時(shí)隨地借助GPS信號(hào)獲取定位信息進(jìn)行導(dǎo)航，滿足了使用者的要求。而根據(jù)使用目的不同，用戶對(duì)GPS信號(hào)接收機(jī)的需求存在差異。現(xiàn)階段，世界范圍內(nèi)已有幾十家GPS接收機(jī)生產(chǎn)工廠，產(chǎn)品包含幾百種類(lèi)型，可滿足不同領(lǐng)域信息接收需求。結(jié)合產(chǎn)品的原理、用途、功能等可進(jìn)行準(zhǔn)確分類(lèi)。

從靜態(tài)定位角度而言，GPS接收機(jī)捕獲和跟蹤GPS衛(wèi)星過(guò)程維持固定不變狀態(tài)，通過(guò)提升接收機(jī)測(cè)量的GPS信號(hào)精度，并對(duì)時(shí)間進(jìn)行精準(zhǔn)把控，在GPS衛(wèi)星支持下可獲取用戶所在地信息，并且可在短時(shí)間內(nèi)，解算出接收機(jī)天線所在位置三維坐標(biāo)信息。從動(dòng)態(tài)定位角度而言，是利用GPS接收機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)行軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。在這一過(guò)程中，GPS信號(hào)接收機(jī)放置位置為載體，利用載體上GPS接收機(jī)天線對(duì)GPS衛(wèi)星相對(duì)地球運(yùn)動(dòng)的過(guò)程展開(kāi)跟蹤，可獲取接收機(jī)GPS信號(hào)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)載體狀態(tài)參數(shù)，主要包括瞬間三維位置和三維速度。

在GPS信號(hào)接收機(jī)中，接收機(jī)硬件、機(jī)內(nèi)軟件、GPS數(shù)據(jù)后處理軟件包等作為GPS用戶設(shè)備的重要組成部分，在接收機(jī)中發(fā)揮著不同功能。同時(shí)根據(jù)GPS接收機(jī)結(jié)構(gòu)，可將該設(shè)備劃分為天線單元與接收單元兩部分。對(duì)于測(cè)量的接收設(shè)備而言，通常需要將兩個(gè)單元視為兩個(gè)獨(dú)立部件，在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要將天線單元安置于測(cè)站處，并在測(cè)站附近安置接收單元，并利用電纜線將天線單元與接收單元聯(lián)系起來(lái)，以此使兩者成為一個(gè)整體，或者是直接將天線單元和接收單元制作成一個(gè)整體，并將其安置在測(cè)站點(diǎn)上進(jìn)行觀測(cè)。

2 GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)

2.1 空間星座部分

現(xiàn)階段，GPS空間部分是由圍繞地球運(yùn)行的24顆衛(wèi)星組成，衛(wèi)星距地面約1.7萬(wàn)km，全部衛(wèi)星中21顆為工作衛(wèi)星，軌備用衛(wèi)星為3顆。24顆衛(wèi)星于6個(gè)繞地球軌道上均勻分布并運(yùn)行，不同軌道間傾角為55°，軌道平面間相距60°，平均高度為20 200 km，經(jīng)計(jì)算衛(wèi)星繞地球一周時(shí)間約為12個(gè)恒星時(shí)，具體為11時(shí)58分。對(duì)地面觀測(cè)人員而言，日常見(jiàn)到一顆GPS衛(wèi)星時(shí)間與前一天相比會(huì)提前4分鐘。而衛(wèi)星顆數(shù)會(huì)隨時(shí)間、地點(diǎn)變化而產(chǎn)生不同，地平線以上同一時(shí)間至少可見(jiàn)4顆衛(wèi)星，最多為11顆。在使用GPS設(shè)備進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)時(shí)，為更好地滿足用戶需求，需要解算觀測(cè)站獲取到的三維坐標(biāo)信號(hào)，觀測(cè)時(shí)必須同時(shí)至少對(duì)4顆GPS衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)，各顆衛(wèi)星均可發(fā)出導(dǎo)航定位信號(hào)，為用戶進(jìn)行定位提供相應(yīng)信息，而GPS工作衛(wèi)星也是利用自身的功能為地面導(dǎo)航工作開(kāi)展提供支持。在使用GPS工作衛(wèi)星系統(tǒng)工作中，其功能如下：

（1）GPS工作衛(wèi)星工作期間，主要使用時(shí)L波段19 cm和24 cm無(wú)線載波發(fā)送信息以及進(jìn)行導(dǎo)航定位。而獲取到的型號(hào)內(nèi)容包括：粗略導(dǎo)航定位偽距C/A碼、精密時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)、精密測(cè)距碼，其中，精密測(cè)距碼包括衛(wèi)星運(yùn)行空間位置、衛(wèi)星工作狀態(tài)導(dǎo)航電文。

（2）當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)行位置處于地球注入站上空的時(shí)候，地面注入站一般會(huì)使用S波段（即10 cm波段），將工作狀態(tài)導(dǎo)航電文與當(dāng)下運(yùn)行空間位置等信息發(fā)送到衛(wèi)星，并由衛(wèi)星將信息發(fā)送給用戶，采用這種方式展開(kāi)國(guó)土測(cè)繪工作，既可減少測(cè)量工作量，又可提升測(cè)量精準(zhǔn)度和測(cè)量工作開(kāi)展效率。

（3）地面主控站工作期間，主要是經(jīng)過(guò)注入站向衛(wèi)星發(fā)送調(diào)度命令，衛(wèi)星在接收到調(diào)度命令后，根據(jù)需求對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，能夠?qū)πl(wèi)星運(yùn)行軌道偏差進(jìn)行糾正。

2.2 用戶接收部分

在用戶接收部分中，接收機(jī)是一項(xiàng)十分關(guān)鍵的部分，主要相關(guān)的配套設(shè)備包含天線、電源以及數(shù)據(jù)處理軟件等。用戶接收部分的主要功能是接收來(lái)自GPS衛(wèi)星播發(fā)的信號(hào)，這些信號(hào)是根據(jù)設(shè)定的一定數(shù)值的衛(wèi)星高度截止角選擇待測(cè)衛(wèi)星，并對(duì)其信號(hào)進(jìn)行接收。除了接收信號(hào)外，還需要對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行跟蹤，以便能夠及時(shí)獲取定位信息和導(dǎo)航信息，并將導(dǎo)航電文中的廣播星歷、衛(wèi)星鐘改正等參數(shù)提取出來(lái)，通過(guò)一定的數(shù)據(jù)處理后能夠?yàn)楹笃趯?dǎo)航工作的開(kāi)展提供數(shù)據(jù)支撐。

3 GPS衛(wèi)星定位原理

在使用GPS進(jìn)行衛(wèi)星定位中，通常會(huì)應(yīng)用將“一點(diǎn)與另外幾個(gè)點(diǎn)間距離交會(huì)確定點(diǎn)位”的方法，GPS定位原理與這種方法類(lèi)似，其定位原理是借助空間分布衛(wèi)星以及衛(wèi)星與地面點(diǎn)距離交會(huì)確定地面點(diǎn)位置。簡(jiǎn)而言之，GPS定位原理是一種空間距離交會(huì)原理。在使用GPS進(jìn)行定位的時(shí)候，主要是在已經(jīng)確定的地面位置上安裝好GPS接收機(jī)，而同時(shí)獲取到的GPS衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)至少來(lái)源于4科衛(wèi)星，結(jié)合衛(wèi)星星歷可獲取到衛(wèi)星在瞬間位置，并在短時(shí)間內(nèi)計(jì)算出兩個(gè)地點(diǎn)間距離數(shù)據(jù)信息。

4 GPS接收機(jī)數(shù)據(jù)后處理關(guān)鍵問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)后處理的關(guān)鍵問(wèn)題展開(kāi)分析，主要高度角、數(shù)據(jù)采樣間隔等，會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大影響，針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題為減少其負(fù)面作用，需要加強(qiáng)對(duì)其研究，并將GPS接收機(jī)檢定工作作為切入點(diǎn)，思考關(guān)鍵問(wèn)題應(yīng)對(duì)措施。

4.1 衛(wèi)星高度截止角

衛(wèi)星高度角的截取直接關(guān)系到衛(wèi)星數(shù)據(jù)觀測(cè)以及基線處理，若觀測(cè)角相對(duì)較低，一旦衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度太弱或信噪比較低，就易引發(fā)信號(hào)失鎖現(xiàn)象，或者導(dǎo)致信號(hào)在傳輸路徑中受大氣折射影響，進(jìn)而引發(fā)搜索失敗。若選擇的衛(wèi)星高度角較大，易導(dǎo)致觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)不足或取得的衛(wèi)星圖形強(qiáng)度較低，該高度角下的衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息難以獲取到最佳基線值。一般而言，在進(jìn)行高度接視角設(shè)置時(shí)，通常設(shè)置為默認(rèn)值，即20°，若同步觀測(cè)衛(wèi)星較少或觀測(cè)時(shí)間較短，對(duì)短基線而言，應(yīng)適當(dāng)降低高度角，并對(duì)獲取到的信息進(jìn)行重新計(jì)算，這樣能夠保證獲取到的基線結(jié)果滿足要求。但同時(shí)應(yīng)注意必須保證觀測(cè)站數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，且環(huán)視條件良好，并對(duì)結(jié)算后的基線進(jìn)行審核，重點(diǎn)審核同步環(huán)和異步環(huán)，從而保證獲取到的信息正確性。若采用設(shè)置默認(rèn)值方式對(duì)基線進(jìn)行結(jié)算后失敗，同時(shí)連續(xù)觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，衛(wèi)星數(shù)量較多，圖形強(qiáng)度因子GDOP值較小，應(yīng)適當(dāng)增加衛(wèi)星高度角并進(jìn)行重新計(jì)算，這樣才能保證取得的結(jié)果更加符合要求，而該現(xiàn)象產(chǎn)生與觀測(cè)環(huán)境地仰角衛(wèi)星信號(hào)的多路徑效應(yīng)與時(shí)間延遲有關(guān)。

4.2 采樣間隔

在衛(wèi)星接收機(jī)中，內(nèi)部采樣頻率指的是野外作業(yè)期間設(shè)置的數(shù)據(jù)采集間隔時(shí)間，通常在1～255 min，采用自由設(shè)置方式，通常默認(rèn)為15 min，接收機(jī)內(nèi)部采樣率通常較高。而對(duì)基線進(jìn)行處理時(shí)，并非全部數(shù)據(jù)需要進(jìn)行處理，而是根據(jù)優(yōu)化原則選擇對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行處理。處理期間通過(guò)采集高質(zhì)量載波相位觀測(cè)值，能夠有效解決周跳問(wèn)題。同時(shí)通過(guò)適當(dāng)提升采集密度，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)周跳的診斷與修復(fù)。因此，在采用快速靜態(tài)作業(yè)或該基線觀測(cè)時(shí)間較短情況下需要對(duì)采樣間隔時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，通常需要將其縮短，這樣能夠進(jìn)一步保證衛(wèi)星系統(tǒng)獲取到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，可為監(jiān)測(cè)工作開(kāi)展提供更加可靠的信息。

4.3 無(wú)效歷元

在國(guó)土測(cè)繪工作中，利用衛(wèi)星系統(tǒng)獲取到的數(shù)據(jù)并非完全準(zhǔn)確，通常會(huì)受到一些因素影響導(dǎo)致出現(xiàn)偏差，如衛(wèi)星健康情況較差，觀測(cè)站環(huán)境不理想，衛(wèi)星數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)常失鎖，衛(wèi)星低仰角受衛(wèi)星信號(hào)太弱、信噪偏低影響引發(fā)失索等。此時(shí)需要對(duì)衛(wèi)星星歷進(jìn)行處理。通過(guò)觀察基線情況，并對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析，可實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)中周跳情況檢查，便于剔除衛(wèi)星中失鎖次數(shù)較多或觀測(cè)理元數(shù)較少的衛(wèi)星，以便于及時(shí)進(jìn)行衛(wèi)星更換，能夠?yàn)槎ㄎ还ぷ鏖_(kāi)展提供有效服務(wù)。

4.4 坐標(biāo)系統(tǒng)確定

在使用GPS接收機(jī)期間，確定坐標(biāo)系統(tǒng)直接關(guān)系的信息獲取水平，而針對(duì)不同坐標(biāo)系統(tǒng)與之相應(yīng)的坐標(biāo)獲取或確定方式不同。

4.4.1 標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)

標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)使用中主要采用標(biāo)準(zhǔn)的WGS-84、北京54以及國(guó)家80坐標(biāo)系，選擇時(shí)可直接在網(wǎng)平差設(shè)置中選擇，并嚴(yán)格按照投影中央子午線，確定正確原點(diǎn)經(jīng)度。

4.4.2 自定義坐標(biāo)系統(tǒng)

從已知參數(shù)方面而言，常規(guī)自定義坐標(biāo)系是從標(biāo)準(zhǔn)國(guó)家坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換而來(lái)，多數(shù)情況下需要重新定義常數(shù)、中央子午線或投影橢球高，在這期間需要對(duì)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行選擇與確定，包括橢球的參數(shù)、加常數(shù)、投影中央子午線、投影橢球高等。從未知參數(shù)方面而言，若對(duì)工程坐標(biāo)系進(jìn)行完全獨(dú)立自定義，尤其是與國(guó)家點(diǎn)聯(lián)測(cè)或與投影變形超過(guò)規(guī)范要求時(shí)，可以選擇標(biāo)準(zhǔn)橢球，如北京54橢球參數(shù)，然后利用固定一點(diǎn)或和一個(gè)方位角方式進(jìn)行處理，具體的處理方法是，將基線某一點(diǎn)的單點(diǎn)作為起點(diǎn)，利用高精度紅外激光測(cè)距儀將基線另一段另一點(diǎn)的邊長(zhǎng)測(cè)出，經(jīng)修改后投影到確定高度，即側(cè)區(qū)的平均高程面。然后采用真北方向假定一個(gè)方位角計(jì)算出基線中點(diǎn)坐標(biāo)，以獲取到的兩點(diǎn)為結(jié)束點(diǎn)。采用與截面相同的橢球參數(shù)、投影橢球高以及可測(cè)去中央子午線，這樣能夠保證滿足規(guī)范要求，且在小比例尺圖上可與國(guó)家坐標(biāo)系聯(lián)系起來(lái)。當(dāng)下一些工程單位經(jīng)常采用自定義坐標(biāo)系統(tǒng)方式，若設(shè)計(jì)單位在設(shè)置時(shí)確定了控制點(diǎn)，并在提供坐標(biāo)成果情況下，施工單位利用GPS加密控制點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)平差，可簡(jiǎn)化信息獲取過(guò)程，并獲取更加精確檢測(cè)結(jié)果。因此，很多工程施工中僅需要聯(lián)測(cè)設(shè)計(jì)提供的成果進(jìn)行平差即可。若有關(guān)單位未提供控制點(diǎn)成果，在使用GPS進(jìn)行控制點(diǎn)觀測(cè)時(shí)，需要確定好坐標(biāo)系統(tǒng)，而在選擇自定義坐標(biāo)系統(tǒng)時(shí)，需要結(jié)合未知數(shù)情況進(jìn)行網(wǎng)平差。在使用GPS進(jìn)行具體觀測(cè)時(shí)，可在某端選取一個(gè)點(diǎn)，并以該點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)為起點(diǎn)設(shè)計(jì)平面直角坐標(biāo)，然后借助高精度紅外激光測(cè)距儀將其與基線另一端的邊長(zhǎng)測(cè)出，經(jīng)嚴(yán)格改正后投影到側(cè)距平均高程面，然后假定一個(gè)方位角確定基線中點(diǎn)坐標(biāo)，并采用相關(guān)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)算，以此進(jìn)行約束平差。

5 結(jié)論

在國(guó)家建設(shè)過(guò)程中國(guó)土測(cè)繪工作發(fā)揮著至關(guān)重要作用，通過(guò)獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，不僅能夠?yàn)榻ㄔO(shè)工作順利開(kāi)展提供可靠參考，而且利于提升建設(shè)工作開(kāi)展效率。標(biāo)準(zhǔn)化視域下，在進(jìn)行測(cè)繪工作的過(guò)程中，GPS信號(hào)接收機(jī)是不可或缺的工具。同時(shí)為保證獲取到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性與可靠性，需要落實(shí)對(duì)GPS信號(hào)接收機(jī)檢定工作，并對(duì)檢定中數(shù)據(jù)后處理關(guān)鍵問(wèn)題展開(kāi)分析研究。