野外地質測量中GPS定位的誤差及修正方法

唐興國

（重慶市地質礦產勘查開發局607地質隊，重慶 400056）

野外地質測量中GPS定位的誤差及修正方法

唐興國

（重慶市地質礦產勘查開發局607地質隊，重慶 400056）

針對手持機的特點，通過實際測點分類統計分析各方面因素對誤差產生的影響程度，進而得出修正，提高測量精度和實用性。本文主要探討了野外地質測量中GPS定位存在的誤差及修正方法。

地質測量；地形因素；誤差分析；修正方法

引言

GPS的英文全稱是Navigation Satellite Timing andRanging／Global Positioning System。含義就是利用導航衛星進行測時和測距，對海、陸、空進行全方位實時二維導航與定位，構成全球定位系統。其中影響GPS定位精度的因素可分為以下幾大類：與GPS衛星有關的因素(衛星星歷誤差、衛星鐘差等)；與傳播途徑有關的因素(電離層延遲、對流層延遲、多路徑效應等)；與接收機有關的因素(接收機天線相位中心偏差、接收機精度等)；數據分析的軟硬件誤差等。

1 試驗方案設計

本次試驗所用的手持GPS是美國麥哲倫(Mage1.1an)公司推出的GPS315手持式儀器，定點經緯度顯示精確到秒級。為了分析不同因素對GPS誤差產生的影響，基于統計分析原則，可以利用GPS在野外定若干個樣點的坐標，并利用微地形法則將其實際位置標注在地形圖手圖上，回到室內進行計算和統計分析實測數據記錄項目包括每個點的GPS坐標、地形、高程以及定點時的天氣和時間。同時記錄該點較其他點的特殊因素(比如某一點的植被較好)。實際操作時，利用計算機輔助地質調查系統Geo.Survey，對比計算實際點與GPS所定的點的距離誤差以及方位角誤差，然后分別得出各種地形、高程、天氣等因素對GPS定位誤差影響。以下是本次試驗流程：數據獲取一數據轉錄一統計比較一分析原因一提出校正模型。測量實際點的誤差主要來源于地形圖底圖本身誤差、野外定點誤差和室內轉標誤差，本文在使用大比例尺(1:2000)地形圖的基礎上，忽略地圖誤差和室內轉標誤差，主要探討地形、高程對GPS定位誤差的影響。

2 數據分析

按照上述方案，本文通過對某礦體多個樣點進行對比研究，從實際出發，針對手持型GPS的定位誤差進行分析實際取得100余個點位的數據，具體如表1所示。

通過對試驗區樣本與手圖實際值的對比計算，在極坐標系(以距離誤差為極半徑，以方位誤差為極角)內繪出GPS定點相對于實際點的漂移投影散點圖。統計結果表明GPS點相對于實際點的漂移并非雜亂無章，顯示72.2%的漂移距離誤差集中在0～80m范圍內，72.O%的方位誤差集中在0。～90。范圍內。誤差的這種分布規律可以認為是在影響GPS定位精度的眾多因素中有一個指導性因素的指示。

地形的影響主要是引起信號傳播過程中產生多路徑效應。由于接收機周圍環境的影響，使得接收機所接收到的衛星信號中還包含有各種反射和折射信號的影響，致使接受機無法捕獲衛星或接收不到衛星的信號，使定位精度人為降低。在城市或在野外使用GPS時，接收機有時僅僅能接收到2～4顆衛星信號(6—8顆衛星才能做到精確定位)，而且時間短促，加之手持型接收機的定位精度一般也就在20—30m左右(排除以上因素)，這樣誤差達到50m，甚至近百米也就不足為奇。在地形因素中，還有一個非常重要的問題——水。而水對電磁波有很強的反射能力，因此在湖面湖邊等處，GPS定位的精度也大打折扣。對于多路徑效應，目前在手持機方面還沒有很成熟的方法加以克服。

可以使用數據的離散程度來衡量在該種地形地貌下誤差的大小，使用統計學中的AVEDEV函數來計算某地形下數據絕對偏差的平均值。

AVEDEV：result=Σ|x—x|/n X：數據平均值，n：樣本數

表1即反映了各地形因素下的偏差平均值。在地形因素影響下，偏差平均值越大，數據越混亂，在這種地形下的GPS誤差也就越大。

表1 地形因素下的偏差平均值

圖1和圖2分別是不同地形因素下距離誤差和方位誤差的分布。從這些圖表可以非常直觀地看出在各個不同地形下誤差的大小。

從以上的分析不難得出，在野外使用手持型GPS時，山腰、山脊、山頂、無山平坦處等地形下，GPS所受的影響相對較小。而在陡崖、溝谷等地GPS所受的影響較大。陡崖處的接收機定位誤差很大，又無規律可尋，可以考慮使用GPS相對定位代替絕對定位，至于在山腰等處的定位點可以加上修正模型加以更正。

圖1 不同地形因素下距離誤差平均值

圖2 不同地形因素下角度誤差平均值

此外，高程、時間不是影響誤差的關鍵因素。在地表范圍內甚至不能單純的說高程是影響GPS定位精度的因素。手持型GPS高程定位能力是比較差的，GPS能夠收到4顆及以上衛星的信號時，它能計算出本地的三維坐標：經度、緯度、高度；若只能收到3顆衛星的信號，它只能計算出二維坐標：經度和緯度，而且這時經度、緯度也不是一個很準確的值。這時它可能還會顯示高度數據，但這數據是無效的。在野外定點時，不推薦使用手持GPS進行高程測量。

從理論上講時間對GPS野外測量誤差沒有影響，實踐中GPS定位的距離誤差不受使用時間影響，而方位誤差則在時間因素上成不規律的波動。

3 修正方案探討

從前面對試驗區數據的分析中可以對數據給出簡單的修正方案，修正方案根據誤差類型可以分兩種：第一種即對圖2的二維坐標系進行坐標平移，重新設定原點按照以一定半徑的圓內落入的點數目最多為原則。經過嘗試，選定(36m，50。)為新的原點，也就是說要對GPS點進行向5O。方向偏移36m的修正，修正的數據如表2所示。

表2 原始距離誤差與修正后的距離誤差對照表

可以看出，經過修正以后，GPS的數據精度大大增加。再考慮地形因素，尤其對于山頂、山脊、山腰等地形下的數據精度非常適用，可以考慮作為開闊地區進行GPS手持接收機測量的一條具有參考價值的修正方法。

第二種方案是利用計算機輔助區域調查系統提供的相對定位方式來消除隨機誤差，即利用未知點在己知點的相對方位來定點，并且在運用這種相對定位方式時，同一類地形條件之間相對定位更為有效。本文提出的方法對于不同型號的GPS都是適用的。

結束語。GPS在工程測量、導航定位等應用中所具有的優越性和方便性，使其應用越來越廣泛。在野外地質測量中小巧方便的手持GPS機能夠起到輔助定點和導航的重要作用，從上面各因素對距離誤差和方位角誤差的影響分析可以看出，但是我們可以利用二維坐標系、計算機輔助區域調查系統提供的相對定位方式來消除隨機誤差，這樣我們可以得到更為準確的數據。

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