GPS故障分析与综合检修方法研究

王 光 俊， 李 德 元

(1.中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 610072;2.胜利油田地球物理物探开发公司，山东 东营 257086)

1 GPS在工程中的应用与重要性

随着GPS硬件技术的不断更新，定位理论研究的不断深入，误差模型的不断精化，各种应用软件的成功开发应用，GPS定位精度、实时性和可靠性都得到了发展和提高。高精度的实时动态差分DGPS RTK目前已广泛的应用于电力、公路、铁路的勘测设计和施工放样以及石油地质勘探、地震调查测量、大江大河的水文水资源调查等。

卡塔尔路塞尔场地平整项目位于卡塔尔多哈市北郊，所在地东临大海，南接高尔夫球场和新开发区，西临阿卡候高速公路，北临王宫。工程区域南北方向约7 km，东西方向约5 km。该工程项目承建合同总价约为4.5亿美元，工程总工期900 d，而所投入的主要测量技术人员仅为10余人，所投入的关键性测量设备主要是天宝5700、5800型GPS主机6台(2套基站+4台流动站)。整个工程所有的海岸线边坡开挖与边坡护理、开挖与填筑的验收计量全部使用GPS－RTK操作，而且在对填筑区域进行单元验收和计量测量时，将RTK接收器固定在车架上，操作人员可以驾车直接进行，从而大大地提高了作业效率，这是常规仪器无法比拟的。但在施工生产中，一旦GPS用户接收机出现故障，整个测量组就将瘫痪，从而影响施工测量生产。由此可见，正确使用、保管、维护好GPS仪器对于工程建设的重要性是显而易见的。

与传统的测绘仪器相比，GPS是集空间定位技术、电子技术、计算机技术、无线电通信技术于一体的自动化高精尖电子产品，对环境的要求更高，故障也较多，特别是在一些自然条件恶劣的地区施工中施工故障率较高，对工程施工进度将产生较大影响。

2 GPS常见故障分析

GPS接收机一般由主机、(附件)控制器、电台、数据连线、天线、电源六部分构成，产生的故障主要分为主机故障、附件故障和由环境引起的故障。

2.1 恶劣的施工环境

测绘区域逐年拓宽，施工气候环境、地表环境日趋复杂，对仪器造成损害的情况分类分析见表1:

表1 施工环境影响表

野外恶劣的施工环境是导致接收机电气性能下降、各种故障频发的主要原因。

2.2 仪器超负荷运转

测量仪器利用率越来越高，仪器超负荷运转，缺乏有效的、周期性的维护和保养，在一定程度上加速了仪器的老化，使其电气性能下降。

2.3 施工人员的自身素质

随着从事测绘的技术人员的素质提高，测绘质量得到了有效控制。

仪器故障呈现多样化、复杂化的趋势，对测量技术人员在设备维修方面提出了更高的要求，只有不断创新，摸索分析出有效的故障解决办法，才能保证测绘仪器具有良好的性能和高精度。

3 GPS出现的具体故障分析与解决方法

GPS接收机正常工作必须满足三个基本条件:主机正常，附件正常，受外界环境制约的卫星信号、电台数据链正常。检修中一般通过观察故障提示、故障现象，交换器件，压缩故障，数字表量取对地电压，示波器观察波形等方法判断故障所在。

3.1 主机故障

GPS主机的电路板主要为6～12层的PCB板，元气件大多为(SMD)面贴元件，而且集成专用件比较多，在6～12层PCB上很难手工焊接，除少数几个常见模块损坏时能够换件外，一般均直接更换PCB板。更换面贴元件时，为防止破坏电路板，对维修工具和焊接熟练程度要求较高。

3.1.1 电源板损坏

解决办法:更换电源模块、电容或整块电源板。维护措施:用导热硅胶在电源模块上粘贴散热片，定期充电除尘。

3.1.2 GPS板锁星慢、接收不到卫星信号

(1)内电池损坏，星历文件丢失。存储在电保持存储器中的GPS星历文件靠一个类似于微机中CMOS电池的可充电锂电池维持，电池损坏则星历文件丢失。解决方法:更换内电池。

(2)GPS板坏、GPS接收天线接口电压低。接收机接收不到卫星时，量取GPS接收天线接口电压，一般应为5～12 V，以驱动GPS接收天线中的前置放大器，电压偏低时应更换GPS板。

3.1.3 CPU板固化软件和功能选项丢失

固化软件和功能选项一般存储在主机可擦写编程存储器(EEPROM)中，不正确的操作、潮湿的气候或者设备在容许的工作温度范围外工作都容易造成其丢失，主要表现为:软硬件自检不通过、关键功能(如:RTK、双频锁星、数据记录等)丢失。此类故障一般分别出现在高温、沙尘、潮湿等工区。解决办法:利用厂家专用的芯片擦写程序、专用数据线，更新固件和功能选项。更新时切记仪器不能断电，防止存储芯片损坏。

3.2 附件故障

3.2.1 手持控制器故障

(1)手持控制器按键失效，串键。这是由于键盘导电膜断路、短路引起的故障。解决方法:判断为短路时，用刀片切断导电膜短路点;判断为断路时，用铅笔或细铜丝连接断点，再用502胶封装即可，否则更换导电膜。

(2)手持控制器操作系统错误，应用软件错误。手持控制器操作系统一般为DOS或WINDOWSCE，长期高温或低温条件下操作时，操作系统易崩溃。如在路塞尔项目这种长期高温条件下作业的情况，手持控制器经常会出现死机的情况，此时触摸屏和按键均无效，需对其进行复位处理或者直接取出内部电池，同时应该尽可能将仪器置于阴凉地方待仪器内部温度下降。在经过多次复位操作后，易引起手持控制器汉字库丢失，需重装操作系统，上载应用软件，重新汉化。

3.2.2 电台故障

GPS动态RTK作业依赖稳定高效的电台数据链。电台有效覆盖半径减短的主要原因是发射电台功率降低，接收电台灵敏度降低。对发射电台可在输出端连接最大频率500 M以上的功率计用以监视功率，调节可变电阻，使输出功率到标称值。对于接收电台，可在其输入端接入高频信号发生器，输出端连接矢量分析仪，监视电台的灵敏度曲线，调节可变电容、电感，使灵敏度曲线的波峰处于电台中心频率附近。发射电台无输出时，一般是不正确的操作(如空载)、高温作业导致功放烧坏，更换功放即可。

3.2.3 电缆和电池故障

电缆包括50 Ω同轴电缆和RS232多芯串行电缆。由于滩海海水腐蚀，高山密林地区经常被拖挂，高温高寒地区发软发脆等原因造成电缆断裂、短路、阻抗增大、接口断针，根据随机资料中的电路图，采用电烙铁配合小型台钳即能维修好。

损坏的电池往往是电池组中的个别电池出现故障。如果电池没有老化，可以通过更换单个电池或大电流或15 V电压激活后一般即能恢复其性能。

3.3 环境引起的故障

GPS作业时远离不优良的卫星信号和电台数据链。环境引起的故障主要是指环境对卫星信号、电台数据链的影响，从而使GPS接收机不正常工作。

3.3.1 卫星系统引起的故障

包括多路径效应、卫星健康质量差、工作时段卫星结构(PDOP)差、可视卫星数量少等故障。这些故障导致GPS接收机不定位、定位时间过长和定位质量差。

防止多路径效应可通过远离大面积反射面、增加测站高度、增大卫星抑制角等方式避免。卫星健康质量、卫星结构(PDOP)、可视卫星数量均与施工工区定位的工作时段有关，每天在某一时段(1～2个h)这些因素不好时，GPS接收机不能正常工作，造成常说的“时间段”现象，时间段每天提前4 min。解决这一故障的最好方法是利用星历预报软件观察预报每天的可视卫星数、图形结构、卫星健康状况，避免“时间段”，屏蔽掉有问题的卫星，合理安排施工。

3.3.2 电台数据链引起的故障

测量施工一般使用RTK技术，浅海施工时使用RTD技术。RTK技术必须依靠高质量的无线电台数据链，RTK电台数据链波段一般选择视线传播的甚高频波段(UHF)，RTD技术采用MF中波波段。

山地和城区施工时视线传播的高频GPS电台数据链容易被阻挡、吸收，致使其覆盖半径减小。解决的方法是增大电台的发射功率;架高发射天线;使用中继站;单一频率多基站，虚拟基站。中继站的中继方式根据情况不同可采用同频中继，换频中继，延时中继。浅海RTD施工时，要提高电台的作用距离，关键是铺好RTD中波发射基站的地网，提高发射效率。

在工业发达的城区或者靠近大型机电设备群施工时，GPS电台数据链容易受到诸如大型电动设备、无线电通讯设备等引起的同频干扰。如在进行路塞尔场地项目施工测量时，当RTK与大型作业机群太靠近时，RTK无线电接收出现异常，经协调将机群关闭后，RTK无线电接收正常。

4 结语

笔者针对GPS在工程建设中的应用越来越广泛的情况，分析并提出了GPS在生产中出现的一些故障产生的原因及解决办法，通过在生产中的实际应用，提高了GPS设备的使用效率，有效地保障了野外测量生产的正常进行。随着电子技术和GPS技术的发展，新的问题也会不断出现，在今后的工作中，我们将不断进行分析和总结。这些技术和经验，对于保障测绘工作的正常展开具有重要的意义，同时也将产生可观的经济效益。

［1］ 徐绍铨，等.GPS测量原理及应用［M］.武汉:武汉测绘科技大学出版社，1998.