GPS控制测量中的精度控制分析

GPS控制测量中的精度控制分析

蔡锦春

惠州市国土资源局惠城区分局516001

摘要：GPS测量技术具有可全天候作业、观测精度高、测量时间短、不要求控制点之间通视等优点，但也会受到多种因素影响而产生误差，因此本文对GPS控制测量中的精度控制进行了分析。

关键词：GPS；控制测量；精度控制

GPS是美国国防部建立的高精度定位和导航系统，全称为全球卫星定位系统。GPS技术投入民用以来，以其具备全天候作业、精度高、观测速度快、不要求观测点之间通视等优点，在测绘、导航等领域获得广泛应用[1]。但是GPS测量过程中，受到卫星信号、接收机状态、测站周边环境、仪器操作等多因素影响，测量结果存在一些偏差[2]。针对GPS测量技术中的优势及其局限性进行精度分析，对工程实践具有指导和借鉴意义。因此，本文对GPS控制测量中的精度控制进行了分析。

1GPS控制测量方法与误差来源

1.1GPS控制测量方法

控制测量是在测区范围内选定若干控制点，这些点构成一定的几何图形，再在统一坐标系中采用精密测量仪器及精确测算方法确定这些点的平面位置和高程，用以测算其他碎部点的平面位置和高程。由此可知，控制测量分为平面控制测量和高程控制测量。常规控制测量采用三角网、三边网、导线网等布设平面控制网，以水准测量建立高程控制网或采用三角高程测量方法，所采用的仪器是经纬仪、全站仪、水准仪等。

在GPS测量中不需要点间通视，因为没有常规控制测量中测角、边角同测、测边网等要求；而且也不用设置几何图形和考虑图形强度，所以GPS控制测量布网更加灵活。

在布设GPS控制网时，一般由一个或若干个观测环组成，这些环满足闭合条件；一、二级GPS控制网可采用网连式、边连式布网，三、四级GPS控制网可采用铰链导线式、点连式布网；GPS基线长度不宜过长，以确保GPS测量精度分布均匀，且GPS控制网中不应出现自由基线。

选点时，不需要所有控制点都通视，但首级控制网中每个GPS点至少与一个相邻点通视。点位应有利于其他测量方法扩展和联测，如果需要水准联测还应勘测水准路线。点位应易于长期保存，所以所选基础必须稳固。此外，还应便于观测，故应选开阔地带，高度角应大于15°。点位附近不能有干扰卫星信号接收的设施、设备。然后埋设标石。

观测采用GPS接收机。观测方法分绝对定位和相对定位，由于绝对定位精度较低，测量工作中一般采用相对定位，也称作差分GPS定位。GPS相对定位又分为静态相对定位和动态相对定位，前者观测时间长达1～1.5h或更长，但目前采用整周未知数快速逼近技术，观测时间已缩短至几分钟；而后者定位精度为10～50m，但利用差分技术可使定位精度缩小到1～2cm。观测时，按照仪器操作手册进行观测，先对中整平，再量取天线高。开始观测后实时实地填写观测手簿。观测结束将数据传输到计算机进行处理，先检查数据质量，再进行基线解算和平差处理。

1.2GPS控制测量误差来源

GPS控制测量误差主要来源于4个方面：1）卫星方面，包括星历误差（卫星轨道误差）、卫星钟误差和相对论效应；2）信号传播方面，包括电离层折射误差、对流层折射误差、多路径效应；3）信号接收方面，包括观测误差、接收机钟误差、载波相位观测的整周未知数、天线相位中心位置偏差；4）其他方面，包括地球自转与潮汐影响。上述误差中，轨道误差、卫星钟误差、接收机钟误差、大气折射误差等属于系统误差，卫星信号多路径效应、观测误差等属于偶然误差。因为系统误差远大于偶然误差，所以系统误差是GPS控制测量的主要误差源。

2GPS控制测量精度控制与应用

2.1GPS控制测量中的精度控制措施

2.1.1GPS控制测量误差消除方法

由于系统误差是有规律的，主要从以下方面进行消除：1）通过建立系统误差模型修正观测量；2）在数据处理时引入未知参数，然后在数据处理过程中与其他未知参数一并求解；3）将不同观测站对同一卫星进行同步观测的数据求差。

对于星历误差来说，采用精密星历并在平差时将卫星轨道参数作为未知参数纳入模型，大部分误差都可以消除。卫星钟误差主要通过卫星地面控制系统跟踪修正和在接收机间求一次差分来彻底消除。相对论效应主要由厂家对接收机进行修正。消除电离层折射误差的措施包括使用双频观测、利用电离层改正模型、利用同步观测值求差、选择有利观测时段。消除对流层折射误差措施包括采用对流程模型进行改正、引入附加参数在数据处理时一并求出、利用同步观测求差。消除多路径效应措施包括选择合适站址、选择屏蔽良好的天线、延长观测时间、选择更好的GPS接收机。消除观测误差的方法包括适当增加观测量、通过仔细操作以消除天线位置误差。消除接收机钟误差的方法包括将接收机钟差作为未知数并在数据处理时一并求解、平差时将接收机钟差表示为时间多项式、在卫星间求差、采用外接原子钟[3]。载波相位观测的整周未知数和周跳在精密定位中是关键性问题，可通过多次差法、卡尔曼滤波法、伪距与相位组合法、电离层残差法进行削弱。消除天线相位中心位置偏差可使用同一类型天线，在两个或多个观测站上同步观测同一组卫星，通过对观测值求差来削弱相位中心偏差的影响。地球自转与潮汐影响一般可不去考虑。

2.1.2GPS控制测量数据处理与精度控制

GPS数据预处理或数据质量检查的目的是通过平滑滤波检验剔除粗差、统一数据格式以及对数据进行修正。基线向量解算则是一个平差计算过程，目的是发现数据粗差并消除，包括观测值残差分析、基线长度解算、基线向量环闭合差计算与检验，精度评定可采用单位权中误差估值、平差值精度估计。通常，可采用RMS、RATIO、RDOP、重复基线、闭合差等。GPS网平差包括GPS控制网三维平差、GPS向量网二维平差、GPS高程控制。

2.2GPS控制测量精度控制工程应用

有这样一个案例，为了检验GPS控制网的测量精度，使用全站仪三角测量进行验证。在GPS控制网中选择3个基点A、B、C，构成三角形，边长大约300～400m，并且这3个基点可以相互通视。分别采用GPS与全站仪测量3基点，全站仪测量时采用三反射棱镜。各基点之间距离测量结果如下：AB边，全站仪291.483m，GPS291.479m，相差0.004m；BC边，全站仪387.623m，GPS387.618m，相差0.005m；CA边，全站仪421.596m，GPS421.594m，相差0.002m。基点高程差测量结果为：A、B两点，全站仪与GPS测量差为0.003m；B、C两点，全站仪与GPS测量差为0.007m；C、A两点，全站仪与GPS测量差为0.005m。可见，GPS控制测量有较高精度。

3结语

虽然GPS测量有诸多优点，然而在测量过程中受到卫星信号、接收机状态、测站周边环境、仪器操作等多种因素的影响，测量结果必然存在一定误差。为了削弱或消除测量误差，必须弄清误差产生的根源，然后在外业观测和内业处理过程中针对误差源规范操作并选择合适的基线解算与平差方法，就能将误差控制在允许的精度范围内。

参考文献：

[1]郭文彬，李军.GPS测量精度控制[J].中州煤炭，2016，50（8）：165-167.

[2]高应龙.论静态GPS和动态RTK技术在控制测量中的应用[J].陕西煤炭，2017，36（2）：106-109.

[3]布金伟，左小清.GPS在山区大比例尺数字测图及控制测量中的应用[J].昆明冶金高等专科学校学报，2016，32（5）：38-43.