项目现场GPS接收机检验方法的应用

秦维胜

摘   要：本文通过国外项目现场的GPS接收机检验方法的应用表明，在项目现场自己建立超短基线场地，采用超短基线法检验，基本综合体现了整组GPS接收机的精度及其稳定性。同时，在测量GPS投入使用前进行必要的检验，投入合格的设备是必要的，也为国外工程项目中的测绘产品的质量品质提供了依据和保障。

关键词：GPS接收机  超短基线法  静态观测

中图分类号：P228                                   文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2019）06（b）-0040-04

国家加大改革开放以来，各大跨国型企业响应国家国际化发展倡议，加快走出去步伐，与各国各行业的业主投资与合作更加密切，各大工程项目全世界布局，GPS技术在工程项目中的应用极为普遍，GPS接收机也是工程项目中必不可少的精密电子设备。目前工程项目中GPS高精度定位测量均采用双频GPS接收机静态观测，为了保证测绘产品的质量，对项目的GPS接收机必须严格按照国家有关检定检验规程，定期进行仪器检验，合格后方可投入使用。因此，项目现场在GPS接收机投入使用前，选择合适的检验方法来检验其性能，成为广大用户的首要问题。

高精度测量定位用的GPS接收机的检定技术和方法，也是学界众多学者和技术专家们研究的课题。各国行业管理部门也均制定测量用GPS接收机检定规程，并相应投入资金建立专业检验场，对测量仪器进行定期检验并给出权威的认证结果。但许多国家工程项目，除了关键设备必须提交定期的年检证书外，在投入使用前，还要求现场对这些设备进行检验。

本人所在公司属于石油勘探工程类，近20年来，工程项目遍及世界多个国家和地区，特别是近10年来，所有项目合同皆要求新型高精度的GPS接收机是必不可少的设备。业主项目管理基本按国际化标准执行，各项目GPS接收机在投入使用之前，必须进行必要的项目现场（本文也称现场）检验，并且所有GPS接收机都要有所在国家行业或质量管理部门认可的特定公司或机构进行检验的年检证书（也认可经公证的国内年检）。从设备使用安全和产品质量管理方面要求，GPS接收机必须定期年检（一年一次），并取得年检证书。因此，国外工程项目使用的GPS接收机的检验，包括定期本地年检和项目现场检验。在项目开工前，业主需要对投入项目的所有设备进行验收，为检验GPS接收机的性能，采用超短基线法对GPS接收机进行测距检验，具有规范及业主认可的实际意义，也是一种符合野外实际条件、可以检验GPS接收机性能稳定性的主要实用方法。

1  现场超短基线法检验的设计思路

现场GPS接收机超短基线法检验，是采用一组超短基线，多台GPS接收机同时观测，多时段互换GPS接收机位置，分组或整组静态测量，用处理软件解算基线向量并与基线标称值（基线丈量值）比较，所得长度之差值应小于GPS接收机标称值（固定误差）。

GPS接收机内部噪声水平测试。接收机内部噪声，主要是由于接收机硬件性能欠佳引起的，表现为接收机钟差、信号通道时延差和锁相环路误差等，检验方法一般有零基线法和超短基线法。在项目现场没有功率分配器的情况下，采用超短基线法检验。静态测量后进行基线差分处理，各基线向量与基线标称值之差，应小于GPS接收机的标称固定误差，不同时段同一基线向量互差，应小于2mm或不大于仪器厂家给出的标称值。

GPS接收机天线相位中心的稳定性测试，此稳定性是由天线相位中心偏差变化来反映的。GPS天线接收GPS载波信号L1/L2波时的“电气”中心与厂家指定的天线中心即量取天线高的参考点不重合称为天线相位中心偏差，天线相位中心偏差非恒定值，会随着观测条件和仪器老化而变化，同一天线不同时间测得的相位中心偏差也有变化，這种变化反映了天线相位中心的稳定性。采用超短基线相对定位法测试天线相位中心偏差，这也是测绘界常用的野外测定方法。在相距几米的超短基线上，用旋转天线法测定天线相位中心偏差的二维水平分量;用交换天线位置法测定天线相位中心偏差的相对垂直分量（天线垂直偏差分量也可以通过微波暗室法测定）;根据实验资料，该方法能以优于2mm的精度，在野外测定天线相位中心的三维偏差分量。在用同一种类型的GPS天线进行超短基线或短基线GPS静态观测时，由于基线两端GPS天线接收到的卫星数和信号强度基本一致（无干扰），基线GPS天线的电学相位中心随接收到的GPS卫星的变化可认为基本相同，这种情况下，可以认为由于天线相位中心的变化致使基线有个微小的平移，但基线长度及三位分量基本一样，因此解算基线时可以不考虑对天线相位中心的变化进行改正。但长距离、高精度静态测量时，要考虑对天线相位中心的变化进行改正。

2  超短基线法检验需要注意的问题

现场采用超短基线法检验时，需要注意以下几个问题。

2.1 选择理想的检验场地，并埋置标石

选择一块周边开阔，无遮挡、无电磁干扰源，避免多路径干扰源的平整地，建立基线点网。各种干扰源会造成GPS接收机的观测质量下降，一般地GPS接收机所观测的GPS信号是直接波和反射波的合成波，所谓“多路径误差”，设立基线点应尽可能避开邻近水面、平坦光滑的地面、盐碱地带、有金属矿区和带有强反射镜面物或建筑物区域，同样也需要避开附近有强电磁辐射的区域，并稳固埋置带有固定标识的标石。

2.2 设置GPS静态观测和基线处理参数

目前使用的GPS接收机，均是高精度趋向一体化的精密设备，可以采用默认参数设置进行GPS静态观测，在处理观测数据时选定处理参数，观测前可根据GPS星历做出预报，选合适时段进行检验，确保GPS接收机在检验期间，PDOP无显著变化。根据研究资料可知，GPS接收机的GPS信号信噪比随着卫星高度角的降低而减小，且当卫星高度角在30°以下时，信噪比随卫星高度角降低的速率愈加明显，特别是L2更为明显。另外随着测站位置的差异，即使卫星高度角相同，信噪比降低的速率也有差异（在超短基线法检验时，因测点靠近基本可以忽略）。虽然较小的卫星高度截止角，能获得较小的PDOP，但截止角越小，对流层影响也越明显，测量误差将增大。因此，卫星高度截止角宜选在20°以下。建议设置静态观测参数如下：

观测卫星数≧4颗;

观测卫星高度截止角≧15°且≤20°;

数据采样率≤10s（目前内存容量完全可以满足观测数据的存储）;

观测期间：根据星历预报，安排合适时段观测。

3  超短基线法检验的流程控制

第一步，准备好一个经过多次精确测定的钢卷尺，可计算尺长改正因子;第二步，按要求测设一组基线长度在1～5m的超短基线，端点分别稳固埋置带标石，端点分布较均匀并可组成较强几何图形结构的网形，用测定的钢卷尺，多次精确丈量各基线水平距离，记录各基线量测数据（可读数至0.1mm），加改正并计算基线长度作为各基线标称值（取至mm）;第三步，将GPS接收机分组或整组方式（最好一组不超过6台GPS接收机），按编号不同时段变换仪器，GPS天线必须严格对中、整平且天线定向标志指北，安置在基线端点上进行同时静态观测，并精确量取各站天线高（取至mm）;每个时段最好观测30min以上，这步很重要，操作是否认真规范，将直接影响检验结果;第四步，通过差分计算处理各基线向量，由于基线很短，可以有效消除卫星轨道误差、大气折射误差（传播误差）和多路径效应等外界因素影响，获得观测基线向量与各基线标称值之差，这些便主要反映了GPS接收机的内部噪声水平。并与GPS接收机标称精度比较，可评定各台GPS接收机性能。

4  现场GPS接收机超短基线法检验实例

笔者所在公司自2008年来，在世界多个国家和地区执行项目，根据项目合同要求，项目现场在投入使用前，均采用超短基线检验法对GPS接收机进行检验，本文选取公司在南美玻利维亚圣特尔莫山地石油勘探项目，采用超短基线法检验GPS接收机的实例，阐明该方法的做法和实用意义。

该项目我们投入了新采购的最新型6台套Leica GNSS GS15型GPS接收机，支持GPS/GLONASS/Galileo/BeiDou四星系统。

按照本文前述现场超短基线组建立要求，我们在主营地里，建立相邻两点间距大约2m左右的超短基线组，按顺序将六个GPS点命名为CAL01 、CAL02……CAL06。并用检验过的钢卷尺，3次重复丈量两两点距离，得到15条基线标称值，如表1。

表2中15条基线3次丈量值，取均值至毫米，将以此丈量均值作为各基线的标称值。认真规范操作仪器，天线架设精确对中、整平、脚架踩实稳定，精确量取天线高，6个GPS点上轮流安置完6台GPS接收机，共进行6个时段静态观测;六时段静态观测信息统计表，如表2。

选取GPS静态观测和数据处理技术参数如下。

观测卫星数≧5;

卫星截止高度角≧15°;

观测记录采样率：5s（处理基线时，可以按5的倍数确定数据采样率）;

观测时间：30min左右。

本次检验采用Trimble Business Center软件进行基线向量解算，计算出6个GPS点之间的水平距离，静态观测6个时段，两点之间水平距离得出6个不同的值，取均值与基线标称值（丈量值）比较，得差值，如表3。

从基线解算处理成果统计，同一基线不同时段的基线向量互差，绝对值最大为3mm，均不大于接收机的快速静态观测水平标称精度固定误差的2倍之6mm;各基线与基线标称值之差值绝对值在0～3mm之间。

依据同样的方法，我们在亚马逊流域贝尼河石油勘探项目中，对投入的7台Leica GX1230GG型GPS接收机（静态观测水平标称精度：Hz 5mm + 0.5ppm / V 10mm + 0.5ppm），支持GPS/GLONASS双星系统，建立超短基线组，进行7时段静态观测，采用Leica Geo Office（LGOLGO）数据处理软件进行基线向量解算，按选取的13条基线，计算出各基线的水平距离，两点之间水平距离会得出7个不同的值，取均值与该组基线标称值比较求得差值，如表4。

从表4中可以看出各基线的不同时段观测成果的最大值和最小值且差值在3mm之内，完全满足GPS接收机超短基线法检验时，同一基线不同时段静态测量水平距离互差不大于该GPS接收机静态测量标称精度固定误差的2倍之10mm;各基线与基线标称值之差值绝对值在0～3mm之间。

本文探索项目现场GPS接收机的超短基线法检验的应用，关于天线相位中心偏差已在GPS接收机年检时定期检验，各基线互差数据统计类似于本文中表4数据统计，这里不再列出。从表中各基线与基线标称值之差值绝对值在0～3mm之间，满足测量GPS接收机检定规程中给出的超短基线法检验时，各基线向量（水平距离）与基线标称值之差，不大于GPS接收机的标称固定误差，参考测绘行业标准《全球 定位系统（GPS）测量型接收机检定规程》，完全满足的超短基线法检验时，各基线向量（水平距离）与基线标称值之差，小于GPS接收机的标称固定误差。因此，我们认为该组GPS接收机性能优良、稳定，可以投入项目使用，也获得了业主测绘技术管理部门的批准。因此，我们认为计划投入的GPS接收机定位精度高、性能稳定，可以投入项目使用。也获得了业主测绘技术管理部门的批准。

5  结语

目前关于GPS接收机的检验的方法，有规程可循，在世界各个国家也得到了长足的普及和发展。

通过国外项目现场的检验方法的应用表明，采用超短基线法检验GPS接收机的性能，方法正确、简单，且适合野外现场操作，特别是在一些国家GPS接收机的检验条件不足或有一定局限性的情况下，我们分析多个项目的仪器检验结果和对比后认为，在项目现场自己建立超短基线场地，在野外现场仅采用超短基线法，每个时段按编号顺序将整组GPS接收机变换观测点位置的办法（GPS点数、GPS接收机台数和静态测量的时段数相同），可对GPS接收机的综合性能进行检验。在基线计算处理后，得出各基线水平距离均值与其标称值之差，该组差值波动的范围和大小，基本综合体现了整组GPS接收机的性能及其稳定性。同时，在测量GPS投入使用前进行必要的檢验，投入合格的设备是必要的，也为国外工程项目中的测绘产品的质量品质提供了依据和保障。

因此，国外项目现场GPS接收机超短基线法检验，结合当地化的设备定期年检，可作为投入项目使用的GPS接收机的综合性能检验的主要方案。现场超短基线法检验GPS接收机的方法是符合野外实际情况、操作规范及业主认可的主要方法，且具有很强的实用意义。

参考文献

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[2] [美]Elliott D. Kaplan，ChristopherJ Hegarty编著，寇艳红 （译者），GPS 原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2007.

[3] 杨锋.GPS接收机检验的实例分析[J].露天采矿技术，2012（1）：25.