浅析GPS测量技术在测绘中的应用

　　摘要：本文笔者简单分析了GPS在测量过程中的误差来源，结合工作实践介绍了提高GPS控制平面和高程精度的重要手段和措施。仅供参考。
　　关键词：GPS；误差来源；手段
　　
　　1GPS误差来源
　　1.1与GPS卫星有关的误差因素
　　1.1.1信号误差
　　美国政府从其国家利益出发，通过降低广播星历精度，在GPS基准信号中加入高频抖动信号等方法，人为降低普通用户利用GPS进行导航定位时的精度，被称为SA政策。
　　1.1.2卫星星历误差
　　在进行GPS定位时，计算在某时刻GPS星历提供的，但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异，这就是星历误差。
　　1.1.3卫星钟差
　　卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间之间的误差。
　　1.1.4卫星信号发射天线相位中心偏差
　　卫星信号发射天线相位中心偏差是GPS卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实之间的位置差异。
　　1.2与传播途径有关的因素误差
　　1.2.1电离层延迟：由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为电离层延迟。电磁波所受电离层折射的影响与电磁波的频率以及电磁波传播途径上电子总含量有关。
　　1.2.2对流层延迟：由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，使GPS信号传播速度发生变化，这种变化称为对流层延迟。电磁波所受对流层折射的影响与电磁波传播途径上的温度、湿度和气压有关。
　　1.2.3多路径效应：由于GPS接收机周围环境的影响，使得GPS接收机所接收到的卫星信号中还包含有各种反射和折射信号的影响，这就是所谓的多路径效应。
　　1.3与GPS接收机有关的因素
　　1.3GPS接收机钟差
　　GPS接收机钟差是GPS接收机所使用的钟的钟面时与GPS标准时之间的差异。
　　1.3.2GPS接收机天线相位中心偏差
　　在GPS测量时，观测值都以GPS接收机天线的相位中心位为准的，而天线的相位中心与其几何中心，在理论上应保持一致。但是观测时天线的相位中心随信号
　　而有所变化，这种偏差影响可达数毫米至厘米。
　　1.3.3GPS接收机软件和硬件造成的误差
　　在进行GPS定位时，定位结果还会受到诸如处理与控制软件和硬件等的影响。
　　1.3.4GPS接收机的位置误差
　　GPS接收机天线相位中心相对测站标石中心位置的误差，叫GPS接收机位置误差。其中包括天线置平和对中误差，量取天线高误差。
　　1.3.5周跳
　　周跳也称为失周。在精密的GPS相对定位中采用的观测值是相位观测值。相位观测值是GPS接收机本机振荡产生的相位与接收到的卫星载波相位之差。在量测时，只能测到不足1周的小数部分(可准到0.01周)。理想条件下，GPS接收机在锁住卫星后可保持跟踪，从而测出包括整数部分的相位变化量。在实际观测条件下，GPS接收机往往会由于某种原因(如卫星信号被挡住)对卫星短时间失去跟踪，在失去跟踪时间内相位的变化就不能被测出，称为失周或失锁，也称为周跳。周跳对点位坐标的影响：在GPS相位测量中，观测数据中大于10周的周跳，在数据预处理时不难发现，可予以消除。然而，小于所计10周的周跳，特别是1～5周的周跳，以及半周跳和1／4周跳，不易被发现，而对含有周跳的观测值周跳的影响视为观测的偶然误差，因而严重影响坐标的精度。据拉查佩利统计，—个周跳对经度、纬度、高程的影响为：△L=O.03～0.06m，△B=0.10～O.18m，△h=0.14～0.16m，然而，即使只有一个卫星残存一个周跳，也会使该次定位点位坐标有几毫米至几厘米的误差。由此可见，凡精度要求达到厘米级或分米级的GPS定位测量，都必须清除观测数据中的全部周跳。
　　1.4其他
　　控制网点位布设不合理或起算数据利用不合理引起的误差。GPS控制部分人为或计算机造成的影响：由于GPS控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的起算数据误差等。数据处理软件的影响：数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。
　　2提高GPS定位精度的有效方法
　　在利用GPS进行测量作业时，为了提高GPS的定位精度，应该从硬件和作业手段两个方面加以改进，以提高GPS的作业质量。
　　2.1硬件的改进
　　2.1.1采用合适的GPS接收机作业
　　当基线边长大于10公里时，采用双频接收机。双频接收机的优点是：(1)以基本消除电离层延迟对点位坐标的影响，点间距离可达1000km；(2)在快速静态和动态测量中观测时间比单频机短。当基线边长小于10公里时，可以采用单频接收机。单频接收机的优点是：(1)需要电子元件较大，对微处理器的要求较低，不需要昂贵的互相关器或z码发生器，产品数量大，价格只有双频接收机的一半；(2)不易出故障，平均无故障时间(MBFT)约为800Oh；(3)不受DODP码保密的限制；(4)边长短于10km时比双频结果精度高；(5)功耗低，体积小，重量轻，给外业测量带来方便。缺点是：点间距离超过20～30km时，定位精度受到电离层、对流层延迟的影响较大。凡点位相对精度要求2×10-6时，边长不宜超过20～30km；在快速静态和动态测量中观测时间比双频接收机要长。
　　2.1.2作业前对GPS接收机进行鉴定
　　上面已经谈到GPS接收机常存在钟误差、通道问的偏差、锁相环延迟、码跟踪环偏差、天线相位中心偏差等。所以必须先了解仪器性能、工作特性及其可能达到的精度水平。它是制定GPS作业计划的依据，也是GPS定位测量顺利完成的重要保证。
　　2.2GPS作业方法和手段的改进
　　2.2.1GPS控制网设汁的要求
　　由GPS测量的误差来源可以看出，GPS控制网的设计已免除了测角、边角同测和测边网等的传统作业方法。它不需要测点间的相互通视，也不需要考虑布设什么样的图形，不需要设置在制高点上(哪里需要就可以设置在哪里)。所以GPS控制网的设计是非常灵活的。但也应注意以下几个问题：(1)除了特殊需要，一般GPS控制网边基线长度相差不要过大，这样可以使GPS测量的成果精度分布均匀；(2)GPS控制网不要有开放式的网型结构，最好应构成封闭式闭合环和子环路；(3)条件允许，GPS控制网应构成连续三角网型结构，有利于提高整个控制网的精度和点位精度的均匀分布。
　　2.2.2GPS控制网选点的要求
　　(1)控制点位应便于接收设备的架设和操作，视野开阔，被测卫星的地平高度角应大于15°。(2)应尽量消除多路径影响，防止GPS信号通过其它物体反射到GPS接收天线上，因此，应避开强反射环境，如山谷、山坡、建筑物等。(3)避开强电磁波干扰，设站应远离雷达站、电台、微波中继站等。
　　2.2.3GPS观测的要求
　　(1)观测时应该严格对中，观测前和观测后两次量取仪器高；有特殊要求的可以建立观测墩，以减小对中误差。(2)要有足够的观测时间，保证野外观测数据的可靠性和有效性。
　　2.2.4GPS测量计算
　　(1)要进行观测数据的检验，对同步环、异步环、复测基线按规范进行统计分析，无效数据应该剔除或进行重测，保证数据的可靠有效性。(2)平面坐标起算数据和高程起算数据应该均匀分布在网中以提高平面和高程的拟合精度；特别是高程起算点的分布是否合理，对高程拟合精度有很大的影响，应采用水准测量的方式增加高程起算点，将高程均匀引测到测区高程控制点上，且起算高程点在控制网中布设均匀。
　　3总结
　　(1)GPS控制布网灵活，操作简单，有利于提高工作效率，降低生产成本，提高测量速度和工作效益。(2)GPS控制只要观测数据可靠，平面起算数据和高程起算数据设置合理，能得到较好的平面精度和高程精度。(3)静态GPS作业时，基线较长时要适当延长观测时间，以取得良好的观测数据。(4)GPS控制网选点很重要，一位相对精度要求进行合理选点，通常选点应在观测的卫星与地平高度角大于15°以上，且位置比较开阔，没有遮挡，同时远离雷达站、电台、微波中继站等。(5)合理选用控制起算资料，使起算控制点均匀分布在网中，提高点位精度。