GPS接收机检定中测量误差超限处理方法的研究

张 健 曹瑞基/山东省计量科学研究院

在GPS接收机检定中，面对“测量误差超限”应如何处理，应怎样确定引起误差超限的原因，能否由此判定仪器不合格或者精度达不到指标要求？该文提出了一套处理测量误差超差的方法，对GPS接收机的检定和测量人员具有重要意义。

0 引言

在全球定位系统（GPS）接收机的检定中，数据后处理是个关键环节，是将GPS接收机野外标准点上采集的数据通过数据后处理软件进行基线解算的过程，然后才能对仪器进行精度评定。

“基线解算值”与“标准基线值”之差称为“测量误差”，根据GPS接收机不同的精度，对于不同的测量距离都有一个相应的测量误差极限值。

按照JJF 1118-2004 《全球定位系统（GPS）接收机校准规范》（以下简称《规范》）要求，对于≤5 km的基线，GPS接收机的测量误差应小于标称标准差；对于＞5 km的基线，测量误差应小于标称标准差 的2倍。

对于GPS接收机，当测量误差超限时，并不能盲目判定仪器不合格或者达不到精度指标要求，因为导致GPS测量误差因素不仅有来自卫星的，也有GPS信号传输中电离层和对流层等带来的误差，还有GPS数据处理软件等带来的误差。

当“误差超限”时应该如何进行数据处理，特别是卫星干预后基线解算值仍然超差时，应如何对仪器下结论？经过多年对GPS接收机检定工作的实践，提出一套处理误差超限的方法。

1 查看公共时段卫星数据质量

在《规范》中，对于不同长度的基线，最短观测时间有相应的规定，基线越长测量时间越长（表 1）。

表1 基线长度与测量时间关系

测量时间，是指2台以上GPS接收机的同步测量时间。GPS数据后处理时，只有同步测量时间内的数据才是有效数据，因此，当测量误差超限时，首先查看同步测量时间，时间短会导致误差超限。单台接收机的数据没法生成基线，是无效数据。

在保证测量时间的前提下，卫星的数据质量是最关键的。由于“GPS检定场”各观测点周围视野空旷，没有遮挡，当GPS信号出现严重周跳时（如图1所示），便可以断定误差超限是GPS接收机本身造成的。此接收机的基线测量误差为217.5 mm，限差6.5 mm，可以断定此仪器不合格。

图1 GPS 静态测量数据

周跳严重的现象在一体化接收机上出现的比较多，主要是由于接收机天线、主机集成在一起，相互间“电磁串扰”造成的。

2 改变高度角和采样间隔对基线处理

当GPS数据质量较好且没有严重周跳，而测量误差超限时，可以改变“高度角”和“采样间隔”，重新进行数据后处理。《规范》要求，一般情况下，将高度角设置为15°、数据采样率（采样间隔）设置为15 s。

1）增大高度角而采样间隔不变

由于低仰角卫星信号穿过更多的大气层，GPS信号传播的速度在高密度的大气层中传输并不同于真空（或空气）中的传输，那么位置的解算就会变得更加不精确。

在卫星数目较多时，此方法可以提高基线结果的精度。如国产某GPS接收机HD-5800N在2007年4月24日的测量数据。当高度角由15°增大到30°，基线的测量误差在不断减小，见表2。

表2 某GPS接收机增大高度角基线解算

2）减小高度角而采样间隔不变

在有些情况下，增大高度角效果不显著，特别是当测量时段可见卫星数较少的情况，此时可以适当减小高度角，增加卫星数，低仰角的卫星很可能对于基线解算提供很大的帮助。

3）改变采样间隔而高度角不变

在改变高度角不奏效的情况下，可以改变数据采样间隔，比如将采样间隔由15 s减小到5 s或10 s，增加数据的密度，然后进行数据处理。当然要做到这一点必须在外业测量时，数据采样间隔设置为1 s或5 s，这样增加了数据文件的大小，数据采集时必须留有足够的内存空间。

当改变高度角或者数据采样间隔能提高基线的精度时，说明不是GPS接收机本身造成的超差。

3 数据拆分后进行数据处理

当改变“高度角”和“采样间隔”后，测量基线解算值仍然超差时，例如某GPS接收机GX1230在2007年5月10日的检定中的情况，基线处理结果见表3。

表3 某GPS接收机GX1230数据处理

此时，可以根据软件功能将数据拆分或截取某一时段进行处理。

美国Trimble数据后处理软件TGO（Trimble Geomatics OfficeTM）提供了截取某一时段数据的功能，可以在测量时段内设置“起始时间”和“结束时间”（如图2所示），选取某一时段的数据进行处理。

图2 TGO数据处理截取数据的窗口

通过数据拆分或截取某一时段数据，可以将卫星时段不好的数据去掉，在很多情况下，基线解算结果会得到很大提高。

4 查看“残差图”禁止质量差的卫星数据

如果数据拆分后基线处理结果仍没有得到改善，此时需要查看卫星“残差图”。残差是为了得到控制网的整体闭合差，对观测值进行的修正数或平差值，显示了从卫星接收数据的质量。残差值越大则卫星数据质量越差，见图3。

根据残差情况，对卫星数据进行适当干预，禁止残差较大或者周跳严重的卫星数据。

从图3看出，卫星8的残差较大，可以禁止此卫星的数据。基线重新解算后，若测量误差减小，说明是个别卫星数据质量差的原因导致误差超差。

图3 卫星“残差图”

5 数据转化为RENIX文件采用高精度软件处理

由于GPS软件是引起测量误差不确定度的重要来源[1]，特别是国产GPS接收机数据后处理软件，由于算法不完善，基线处理有时会带来较大的误差。

此时可以将GPS数据转换为标准的RENIX文件，采用高精度GPS数据后处理软件进行处理，比如天宝的TGO(Version 1.63)版本等。

例如，某GPS接收机V8在2008年3月17日的测量数据基线解算值严重超差。当采用软件的默认数据采样间隔60 s，高度角20°时，解算基线为 4114.1248 m，误差 12.5 mm，仍然超差。而采用其他3种软件的数据处理结果是一致的，见表4。

表4 高精度GPS软件处理V8数据基线结果

这说明某软件HDS2003在数据处理算法上有不合理的地方，并不是接收机本身造成的误差超限。

6 查看星历预报重新测量

当尝试各种方法后仍然没有找到“误差超限”的根源，仍然不能判定仪器不合格。

此时建议，重新对GPS接收机进行检定测量。为了保证测量数据的可靠，首先，查看“星历预报”，选择 GDOP（Geometrical Dilution of Precision）值较好的时段，通常GDOP值要小于4（见图4、图5），对仪器重新进行测量。

图4 2009-1-14“GPS检定场”W001点DOP值

由于GPS卫星不是地球同步卫星，卫星运行周期是11 h 58 min，所以，卫星每天绕地球2圈，而且每天观测到同一颗卫星的时间要提前4 min。从两图的比较中可以看出：卫星不好的时段一直在提前。

图5 2009-3-14“GPS检定场”W001点DOP值

对于经过第二次检定测量的GPS接收机，如果数据处理结果仍然不能满足精度指标要求，那就可以断定GPS接收机不合格。

7 结束语

伴随着我国GPS产业化步伐的加速，GPS接收机已经在国民经济的测绘、水利、石油、电力、资源勘探、交通、航海等领域有了广泛的应用，也必将为我国经济发展作出更大的贡献。

通过对GPS接收机检定中误差超限处理方法的研究，提出了一套处理测量误差超差的方法，希望能为广大GPS接收机检定人员和工程测量人员提供一定的参考和帮助，以便提高工作效率，更好地为我国经济建设服务。

[1] 张健，曹瑞基，董书艺. GPS接收机测量误差不确定度评定的探讨[J]. 计量技术，2009, (01).

[2] 张健. Trimble GPS 5700检定应注意的问题[J].中国计量，2005,(11).

[3] 张健, 董书艺. Trimble GPS 5700 使用中应注意的问题[J]. 上海计量测试，2005, (04).

[4] 张秀民，曹瑞基，张慧，张健，赵德清. XML技术在计量检测业务管理系统中的应用研究[J]计量技术，2007,(04).

[5] 全国几何量角度计量技术委员会. JJF 1118-2004[S]. 北京：中国计量出版社，2004.