浅谈GPS测量的精度控制

浅谈GPS测量的精度控制
【摘要】由于GPS测量技术具有精度高、选点灵活等优点，近年来GPS测量技术在工程中应用越来越普遍。

本文将介绍影响GPS静态测量及动态测量精度的各种因素及精度控制措施。

【关键词】GPS 精度静态动态
一前言
GPS静态测量技术是指，根据已制定好的测量方案，在组成同步环的未知待定点上安置一定数量的GPS接收器，使得同步环上的点能够同步接收来自卫星的信号，整个接收过程要等到完成对环路所有的观测才能结束。

完成观测后，再利用Trimble公司出品的GPS Suivey软件，进行基线向量的解算及网平差。

GPS 动态测量技术常被称作GPS—RTK（Real Time Kinematic）实时动态技术，与静态测量技术相比，GPS—RTK测量技术对测量结果精度的控制不够。

下面将分别介绍GPS静态测量及动态测量的精度影响因素及相应的控制措施。

二GPS静态测量精度控制
GPS静态测量的工作原理是通过地面的接收信号装置接收来自卫星的信号，以确定未知点的坐标及高程。

在信号发出、信号传输、信号接收及其它因素影响等产生的误差都会对GPS静态测量的精度产生影响，为减小以上误差对测量结果的影响，应分析误差来源，努力消除影响因素。

（一）GPS静态测量精度影响因素：
在GPS静态测量的信号发出、信号传输及信号接收等过程中，存在系统误差及偶然误差两类误差类型，而常规的测量误差则重要来自偶然误差，系统误差往往比偶然误差对测量结果的影响要大很多，应积极采取消除措施。

1系统误差：
系统误差主要来自星历误差、接收机钟差、卫星钟差及大气发生折射引起的误差，应总结系统误差规律，将误差控制在合理范围以内。

下面将介绍常见系统误差。

（1）星历误差：
卫星星历为GPS测量系统提供卫星位置数据，卫星星历的误差会导致卫星位置确定出现误差，星历误差属于原始误差。

该误差是由卫星跟踪站的位置及数
量、观测值的多少及精度、轨道模型及软件水平所共同确定的，在精密相对定位中重要的误差影响因素，会造成距离测量出现1.5m~15m的误差。

（2）卫星钟差：
由于高空中的卫星位置不断发生变化，只有确切地对卫星位置进行确定，才能保证测量精度。

在GPS卫星中虽设有原子钟，但这与理想状态下的GPS始终之间存在着频率偏差或频率漂移等随机误差，随偏差量较小，但会致使实际测量偏差很大，又由于信号传播时间在对确定测定站点与卫星距离时作用突出，所以时钟误差会导致测量结果出现1.5m~5m的误差。

（3）电离层折射引起的误差：
在GPS信号的传输过程中，常需要穿越位于地面以上50km~1000km的大气电离层，在穿越过程中常受到电离层内的带电介质的非线性散射性的影响，使得信号的原有传播路径发生变化，并且受到自由电子的作用，信号的传送速度也会受到影响。

由于路径受到了干扰，使得理论计算得出的距离就不再是接收机与卫星的实际距离，使测量结果出现偏差，如造成天顶方向出现高达50m、地平方向出现高达150m的偏差。

（4）接收机钟的误差：
接收机钟与卫星钟之间存在同步差时，会引起距离测量的误差。

相比于卫星钟，对接收机钟的稳定性要求不高，只要保证在定位期间内保证稳定即可，可选择具有短期稳定性好、价格低廉及质量较轻等优点的石英钟作为接收机钟。

2 偶然误差：
GPS静态测量中的偶然误差主要指多路径误差。

接收机在接收卫星发送信号时，接收机不仅接收来自卫星发出沿多个路径到达接收机天线的信号，还会接收天线周围物体反射的卫星信号，这种多个信号的叠加作用会使变位中心的位置发生变化，对时延效应产生一定的影响，这就是多路径误差，其误差大小与接收机周围反射物体的反射系数及距离有直接关系，该误差属偶然误差。

其作用原理如下图所示：
（二）GPS静态测量精度的控制措施：
1系统误差的控制：
（1）星历误差的控制：
由于对于距离较近的两个或多个的观测站受星历误差的影响程度相近，可根据两个测站间的距离，对同一个卫星测量结果进行求差调整，以得到相对正确的结果；有条件的工程可对卫星轨道的取值进行调整，但此方法作业量较大，适用范围较小；还可建立自己的GPS卫星网络，对特定工程进行独立的定位。

（2）卫星钟差的控制：
为控制测量的精度，应采取主控站测定每颗服务卫星的钟参数，并将所得的钟参数输入卫星系统，通过卫星电文将数据发给测量用户。

可将卫星钟的同步差控制在20ns以内，且实际的等效距离偏差可控制在6m以内，对于所剩误差，可通过相对定位中的差分法在以此求差过程中进行消除调整。

（3）电离层折射影响的控制：
在控制电离层折射影响的方法中存在一种与控制星历误差的方法类似的方法，即相对定位技术（也称作差分处理技术），工作原理与前述方法相近，这里不再赘述；可采取双频接收机进行伪距的测量，并依据电离层折射及信号频率的相关特定，对所得伪距值进行处理，便可得到电离层的折射修改值，此法工程应用性较强，但在使用时应选择最佳观测时机；当遇到电子含量过大及卫星高度角偏小的情形时，为满足GPS的精度的要求，可采用Fritzk及Brunner提出的电离层延迟改正模型进行精度控制，可将精度控制在2mm范围以内。

（4）接收机钟的误差的控制：
为减弱接收机钟差，可采取假设每个观测的时刻的接收机钟差为一个独立的未知数，并在对数据加工处理中，将未知数与观测站的位置参数共同求解；还可假设接收机钟差是相关联的，通过建立钟误差模型来对多项式系数求解；也可通过卫星见求一次差来减弱接收机钟差。

2 偶然误差的控制：
为减弱多路径误差，应在选择测量站点时，尽量避开周围反射物较多的位置，选择地面草生植物较多的地带进行站点布置，不宜在水域、山坡、盆地及高层建筑附近设置观测站点。

三GPS动态测量精度控制
（一）GPS动态测量精度影响因素：
对于在GPS静态中的常见误差，在GPS动态测量系统以采取测量操作控制、软件修正及接收机技术改进的方法予以一定的削弱，但还存在着其它方面的影响因素，主要受转换参数及测量工作的控制区域的影响。

下面进行逐一说明。

1转换坐标参数的影响：
在GPS测量中采用的是WGS—84的坐标系统，这与我国的坐标系统不同，在测量过程中，需将WGS—84的坐标系统转换为我国的坐标才能进行GPS动态测量。

由于坐标系统是测量的基础，所以参数转换的精度直接影响着GPS动态系统的测量结果的精度。

转换参数又同时受到其它因素的影响，包括以下几点：
（1）控制点的选择：
在转换控制点时，即使在同一个测区进行控制点的选择，不同的位置及精度都会导致坐标转换参数的不同。

（2）WGS—84坐标获取方式：
WGS—84坐标的不同获取方式，会对转换参数及RTK的测量精度产生影响，还应保证基准站的坐标与转换参数时使用的坐标一致，避免出现系统误差。

（3）转换参数的确定：
可利用一步法及经典Helmert法，进行转换参数的求解。

在进行平面位置的二维转换时，可利用一步法方便地将WGS—84坐标转换成地方坐标。

2测量工作控制区域的影响：
为保证RTK的测量精度，应将测量工作区域范围控制在转换控制点的控制圆区域以内。

（二）GPS动态测量精度的控制措施：
1转化参数的控制：
（1）转换控制点的选用：
为保证动态测量的精度，在进行转换控制点的选择时，应选用等级较高的控制点，并在平面布置上，应尽量将转换控制点均匀地布设在测区内。

（2）转换参数的确定：
为满足转换的精度要求，可先运用单点定位的方法对基准站进行测量，并得到其WGS—84坐标，再使用动态测量的方法对转换控制点进行测量，得到其WGS—84坐标，再利用一步法得到转换参数。

（3）转换参数的核查：
在确定转换参数后，可利用动态测量的方法在转换控制点及其它控制点进行精度比较，以核查转换参数及审核原控制点的精度，经多次审核及调整后，便能得到最为合理的转换参数。

2建立多个基准站点：
为提高动态测量的精度，可在条件允许的条件下，在一个区域内设置多个固定的基准站点，将这些基准站点的转换系数及WGS—84坐标进行统一。

这样可保证在对一个待测点进行观测时，可选用不同的基站点对其实施测量，取不同基站点的测量均值。

条件允许时，还可在多个基准站点上同时架设基准站，而流动站则通过改变基准站的发射频道，几个对基准站完成测量，既完成检验任务，还可提高动态测量精度。

3设置检验控制点：
在动态测量中，可在基准站点的周围设置负责检验工作的控制点，在动态测量工作开始前，进行判断卫星信号是否正常及仪器使用是否正确等操作，以提高动态测量的精度。

四结语
尽管GPS测量技术精度已经远远高于普通测量技术，但我们应看到在GPS 系统中，还是存在许多需要改进或值得注意的问题，我们应把精益求精当做重要的职业操守，努力发现测量中的问题，积极提高测量精度。

注：文章中所涉及的公式和图表请用PDF格式打开。