关于GPS野外测量相关问题及对策的探讨

李明喜

摘要：本文作者结合多年工作经验，主要对GPS技术在野外实际测量工作过程中的主要操作方法和相应的注意事项进行了简单阐述，旨在促进同行的沟通交流，以便找到解决GPS在野外测量中所面临问题的有效对策。

关键词：GPS；野外测量；问题；对策

中图分类号：S151.9+1 文献标识码：A

1引言

20世纪80年代以来，随着GPS定位技术的出现和不断发展完善，测量定位技术发生了革命性的变革，传统的测量手段已经被GPS定位技术所取代，成为目前最为主要的测量技术手段。然而，在实际工作当中由于测量人员对GPS技术缺乏全面的了解，在应用GPS野外测量时，常常都是照搬教材操作指示，严重影响了测量工作的效率和测量精度，使得GPS新技术的运用无法充分发挥其优越性。下面本人结合多年工作经验，主要针对GPS野外测量工作相关方面浅谈几点看法，希望对相关从业人员有所帮助。

2 全球定位系统（GPS)概述

2.1 GPS系统简介

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。GPS起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用。20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS 。主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。在机械领域GPS则有另外一种含义：产品几何技术规范(Geometrical Product Specifications)-简称GPS。

2.2 GPS测量的特点

相对于常规测量来说，GPS测量主要有以下特点：（1） 全球全天候定位。GPS卫星的数目较多，且分布均匀，保证了地球上任何地方任何时间至少可以同时观测到4颗GPS卫星，确保实现全球全天候连续的导航定位服务（除打雷闪电不宜观测外）。（2）测量精度高。GPS观测的精度明显高于一般常规测量，在小于50 km的基线上，其相对定位精度可达10-6m，1000km可达10-9m。在300-1500m工程精密定位中，1小时以上观测时解其平面位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定的边长比较，其边长较差最大为0.5mm，校差中误差为0.3mm。（3）测站间无需通视。GPS测量不需要测站间相互通视，可根据实际需要确定点位，使得选点工作更加灵活方便。（4）观测时间短。随着GPS测量技术的不断完善，软件的不断更新，在进行GPS测量时，静态相对定位每站仅需20 min左右，动态相对定位仅需几秒钟。（5）仪器操作简便。目前GPS接收机自动化程度越来越高，操作智能化，观测人员只需对中、整平、量取天线高及开机后设定参数，接收机即可进行自动观测和记录。（6）能提供三维坐标。GPS测量可同时精确测定测站点的三维坐标，其高程精度已可满足四等水准测量的要求。

2.3 GPS技术的数据链传输

目前绝大部分的测量型GPS都是采用差分定位的接收机，也就是其相对定位通常都是通过载波相位观测值来获取。差分定位模式必须采用超过两台接收机，来实现对同一组卫星的同时观测，然后由参考站改正其载波相位观测值的差分数据，再利用数据链传输到流动站，接着各流动站就能根据对自身观测值和该数据的运算成果实时把流动站的具体所在位置解算出来。由此，我们可以了解到GPS的精确定位其实是需要接收机和数据链的协同传输作业才能完成，不过在具体操作时，不少测量人员却容易忽略了电台作为数据链的主要配置，其在协同作业中同样十分重要。GPS接收机常常配置的电台主要是以下两种：第一种是发射电台，需要和参考站来配套使用，主要作用是能够把参考站的差分改正数据实时有效发射到流动站，目前按照其不同的使用功能，分可调频产品和固定频率产品两种。第二种是接收电台，需要和流动站配套使用，主要作用是接收参考站发射过来的差分改正数据，其频率是固定不变的。一般来说，需要保持这两种电台的频率一致，才能实现数据链的正常通信。当遇到数据链不能接通等问题时，应及时对配套的仪器和设备进行仔细的分析，排除是否存在接收机设置错误等问题，检查是否是发射电台因素而导致，确认是否接收频率和发射频率存在不一致问题，再采取手动调频等方式，来及时挥发数据链的通信。

3 GPS野外测量中常见问题及对策

3.1 GPS的误差问题

GPS在开展定位工作时，常常会受到各种不同因素的影响。以下几种是最为常见的影响GPS定位精度的误差源：多路径效应、卫星误差、卫星星历误差、SA钟差、卫星信号发射天线相位中心偏差、对流层延迟、电离层延迟、接收机天线相位中心偏差、接收机钟差、接收机软件于硬件所导致的误差、数据处理软件误差以及人为引入的误差等。不过，绝大多数的误差都是只能通过GPS的运营商和设备生产商不断革新技术来不断改进，作为GPS的用户根本无从避免。因此，在实际的野外测量工作中，只能通过尽量减少甚至避免多路径效应因素及人为引入的误差因素对GPS定位精度的影响。

3.2多路径效应问题

多路径效应的定义是受接收机附近环境的干扰作用，导致接收机实际所接收到的卫星信号中还包含了其他各种折射以及反射信号的影响和干扰，是一种目前GPS野外测量工作中较为重要的误差源。虽然随着科学技术的发展，不少GPS的生产商也已经成功开发出了很多能够有效抑制多路径效应的新技术，但是在实际的野外测量工作中，相关测量人员最好还能在选取参考站的站址时尽量采取相关对策来降低多路径效应会造成的不利影响。

具体对策如下：（1）最好选择视野开阔、站点视野内的障碍物的高度角小于15°，且其周围能比较便利的安装和操作接收设备的站点。（2）为便于传递和接收差分改正信号，应尽量把站点设置在相对的制高点上面。（3）应尽量使得测站周围的地貌、地形、植被等小环境和所处的大环境较为一致。（4）不宜选择在山谷、山坡以及测区内的小凹地位置。（5）站点的设置最好能够尽量远离平静的大面积的水域。（6）应远离微波站、电台、电视台等大功率无线电发射源超过200米以上，应远离微波无线电信号以及高压输电线至少50米以上。（7）站点附近不应有像大型建筑物等会对卫星信号具有强烈反射作用的物体。

3.3 人为引入误差问题

3.3.1 GPS仪器架设最容易造成人为引入误差。如果在架设仪器的过程中发生较大误差则必然会导致严重的测量误差，必将严重影响GPS的野外定位精度。

具体对策如下：要实现测量误差处于规范允许范围的有效控制，在架设GPS仪器时应认真做到以下要求：一是确保参考站接收机的天线整平并精准对中，对中误差必须控制在5毫米以内。二是必须通过最少两次以上的严格量取再决定参考站接收机的天线高度，要求其高度精准到1毫米。三是应正确连接电源电缆、通行电缆和GPS天线电缆，要求电台天线和接收机天线二者的距离应大于3米。四是完成仪器架设后，要及时检测至少两个不低于图根精度的已知点，确保检测结果和已知成果的平面较差小于0.2毫米的图上精度，高程较差小于基本等高距的五分之一。

3.3.2 GPS配置集的设置容易造成人为引入误差。GPS工作参数的集合主要体现在GPS设备界面菜单的配置集中，因此正确与否的配置集设置直接关系到GPS设备是否能够以最优状态来开展工作，所以，相关的测量人员在开展每个野外测量项目工作前，都要认真设置配置集并严格检查设置无误。

具体对策：通常情况下，首选卫星截止角为15°，因为该截止角以上卫星的信号的解算精度通常都较高。具体的设置，当然是可以根据有效卫星的数量来进行科学合理的调整，以确保测量的精度。此外，在不同地区开展测量工作时，还要注意正确设定该地的实际所属时区，以确保卫星信号能够更容易被接收机跟踪到，同时还方便在当地时间真实记录好测量数据。

3.3.3 选用怎样的坐标转换方法也容易人为引入误差。通常情况下，在实际的外业施测工作前，测量人员都会把流动站接收机所用的WGS84坐标系统转换为独立的或者当地的坐标系统，以使得流动站的测量数据能够以独立坐标或当地坐标的形式有效反映出来。同时，面对各种各样的测量任务，只有选用正确的恰当的坐标转换方法才能实现对测量精度的保证，以减少甚至防止所选用方法的不正确而造成人为误差。在进行测量线路或大区域时，因为会受到地球曲率的影响，通常建议选用7参数法来转换坐标。在测量独立坐标系统或小区域时，则可以直接把测区看做一个平面，选用一步法转换坐标。

4 结束语

综上所述，对GPS野外测量相关问题及对策的探究具有重要的现实意义，野外测量工作人员们应该不断开拓思路，不断学习和掌握GPS的新技术，不断总结创新，为我国测量工作做出积极的贡献。