野外地質(zhì)測量中GPS定位的誤差及修正方法

唐興國

（重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局607地質(zhì)隊，重慶 400056）

野外地質(zhì)測量中GPS定位的誤差及修正方法

唐興國

（重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局607地質(zhì)隊，重慶 400056）

針對手持機的特點，通過實際測點分類統(tǒng)計分析各方面因素對誤差產(chǎn)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(zhì)測量中GPS定位存在的誤差及修正方法。

地質(zhì)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(wèi)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(tǒng)。其中影響GPS定位精度的因素可分為以下幾大類：與GPS衛(wèi)星有關的因素(衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)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(shù)據(jù)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(jīng)緯度顯示精確到秒級。為了分析不同因素對GPS誤差產(chǎn)生的影響，基于統(tǒng)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(nèi)進行計算和統(tǒng)計分析實測數(shù)據(jù)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(zhì)調(diào)查系統(tǒng)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(shù)據(jù)獲取一數(shù)據(jù)轉錄一統(tǒng)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(nèi)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(nèi)轉標誤差，主要探討地形、高程對GPS定位誤差的影響。

2 數(shù)據(jù)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(fā)，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(shù)據(jù)，具體如表1所示。

通過對試驗區(qū)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(nèi)繪出GPS定點相對于實際點的漂移投影散點圖。統(tǒng)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(nèi)，72.O%的方位誤差集中在0。～90。范圍內(nèi)。誤差的這種分布規(guī)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(chǎn)生多路徑效應。由于接收機周圍環(huán)境的影響，使得接收機所接收到的衛(wèi)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(wèi)星或接收不到衛(wèi)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(wèi)星信號(6—8顆衛(wèi)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(shù)據(jù)的離散程度來衡量在該種地形地貌下誤差的大小，使用統(tǒng)計學中的AVEDEV函數(shù)來計算某地形下數(shù)據(jù)絕對偏差的平均值。

AVEDEV：result=Σ|x—x|/n X：數(shù)據(jù)平均值，n：樣本數(shù)

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(shù)據(jù)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(guī)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(nèi)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(wèi)星的信號時，它能計算出本地的三維坐標：經(jīng)度、緯度、高度；若只能收到3顆衛(wèi)星的信號，它只能計算出二維坐標：經(jīng)度和緯度，而且這時經(jīng)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(shù)據(jù)，但這數(shù)據(jù)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(guī)律的波動。

3 修正方案探討

從前面對試驗區(qū)數(shù)據(jù)的分析中可以對數(shù)據(jù)給出簡單的修正方案，修正方案根據(jù)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(nèi)落入的點數(shù)目最多為原則。經(jīng)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(shù)據(jù)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(jīng)過修正以后，GPS的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)精度非常適用，可以考慮作為開闊地區(qū)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(qū)域調(diào)查系統(tǒng)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(yōu)越性和方便性，使其應用越來越廣泛。在野外地質(zhì)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(qū)域調(diào)查系統(tǒng)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(shù)據(jù)。

[1]邵連鍵，邵繼紅.淺談地質(zhì)測量野外作業(yè)子系統(tǒng)的實現(xiàn).黑龍江科技信息，2009-09-25.

[2]朱國榮，王敏，江思珉，馬銳，胡波，吳本君.利用3S技術構筑數(shù)字地質(zhì)測量系統(tǒng)——區(qū)域地質(zhì)測量野外作業(yè)子系統(tǒng)的構思與實現(xiàn).第四屆世界華人地質(zhì)科學研討會論文摘要集，2002-05-01.

[3]邵連鍵，蔣永生.淺談地質(zhì)勘探測量GPS定位系統(tǒng)及全站儀的運用.黑龍江科技信息，2009-09-15.

TN96

A