高山峽谷地形中GPS定位測(cè)量誤差的分析和討論

靳　祠,秦巖賓,賈家琳（.成都理工大學(xué)　地球科學(xué)學(xué)院,成都　60059；.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院　測(cè)繪工程系,四川　崇州　63）

高山峽谷地形中GPS定位測(cè)量誤差的分析和討論

靳祠1,秦巖賓1,賈家琳2
（1.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,成都610059；2.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院測(cè)繪工程系,四川崇州611231）

摘要：介紹了GPS定位測(cè)量中的誤差影響和來(lái)源，重點(diǎn)對(duì)高山，峽谷特殊地形中的GPS點(diǎn)位的選取、施測(cè)等方面進(jìn)行討論。

關(guān)鍵詞：GPS測(cè)量技術(shù)；誤差分析；特殊地形

1　前言

GPS定位測(cè)量技術(shù)，為測(cè)量技術(shù)的發(fā)展——特別是控制測(cè)量——帶來(lái)了很大的革新。相較于傳統(tǒng)的測(cè)量方法技術(shù)，GPS定位測(cè)量技術(shù)以其定位精度高，觀測(cè)時(shí)間短，操作簡(jiǎn)便，全天候等特點(diǎn)著稱(chēng)[1]。隨著技術(shù)的日漸成熟，它的身影已經(jīng)出現(xiàn)在了各種各樣的行業(yè)應(yīng)用中。所以了解分析GPS定位測(cè)量誤差的影響和來(lái)源，是十分必要的。

2　各個(gè)誤差源影響及消除方法

（1）星歷誤差，又稱(chēng)為衛(wèi)星軌道誤差，是由于衛(wèi)星星歷所提供的衛(wèi)星空間位置和它的實(shí)際位置的差值。衛(wèi)星星歷又分為廣播星歷和后處理星歷，通過(guò)兩者來(lái)得到衛(wèi)星準(zhǔn)確位置的軌道參數(shù)值。但是，兩者所提供的軌道參數(shù)計(jì)算出的衛(wèi)星位置與實(shí)際位置不符，故存在誤差。其中廣播星歷推算的位置誤差可以達(dá)到20～30m；后處理星歷雖然能夠?qū)⒄`差優(yōu)化到1m左右，但它本身很難獲得。基線要求不長(zhǎng)時(shí)，可以通過(guò)利用觀測(cè)值求差的方法消除衛(wèi)星星歷誤差的影響，采用精密星歷的方法也能消除。

（2）衛(wèi)星鐘差，包括頻偏、頻飄、鐘差及鐘的隨機(jī)誤差，它屬于系統(tǒng)誤差。只有保證GPS衛(wèi)星上的原子鐘和接收機(jī)鐘與GPS時(shí)相一致，才能提高GPS測(cè)量的測(cè)時(shí)精度，從而提高GPS測(cè)量精度。否則，不經(jīng)改正，最大等效距離誤差可達(dá)到300km。與衛(wèi)星鐘差一樣，接收機(jī)鐘差也是與GPS時(shí)不一致產(chǎn)生的，引起的等距離誤差可達(dá)300m，正因?yàn)槠涞挠绊懞艽螅圆豢珊鲆暋２捎苗姴钅Ｐ瓦M(jìn)行誤差值的修正，能達(dá)到減少的效果；利用觀測(cè)量的線性組合，在衛(wèi)星間進(jìn)行求一次差也能消除。

（3）接收機(jī)天線相位中心偏差：由于接收信號(hào)的強(qiáng)度、方向、角度等不同，會(huì)影響相位中心的偏移，從而造成偏差的產(chǎn)生。采用相同類(lèi)型天線采集觀測(cè)值、指北方向線指北定向來(lái)削弱硬影響。

（4）電離層折射誤差：當(dāng)信號(hào)從衛(wèi)星傳播至電離層時(shí)，信號(hào)的路徑會(huì)彎曲，使傳播速度發(fā)生變化，繼而使信號(hào)傳播的速度乘上其傳播時(shí)間得到的距離與衛(wèi)星到接收機(jī)的距離不一致，產(chǎn)生的延遲值在天頂方向白天可達(dá)15m，夜晚達(dá)到1～3m左右。低仰角狀況下則一般在9～45m。

要改正電離層誤差，首選雙頻觀測(cè)技術(shù)消除，它是利用雙頻觀測(cè)量的色散效應(yīng)（即折射改正數(shù)隨頻率變化）削弱誤差，達(dá)到改正的目的。

（5）對(duì)流層折射誤差，是GPS信號(hào)通過(guò)對(duì)流層時(shí)傳播的路徑發(fā)生變化，除了與大氣壓力、溫度、濕度等有關(guān)，還和信號(hào)的高度角有關(guān)，在天頂方向可達(dá)2.3m；在地面方向可達(dá)20m。不過(guò)，采用改正模型可以消除大部分對(duì)流層折射誤差，用相對(duì)定位消除殘差。

（6）多路徑效應(yīng)，GPS信號(hào)由接收機(jī)接收時(shí)，由于測(cè)站周邊反射物的影響，接收機(jī)接收到的信號(hào)分為直接接收和間接接收，兩者相互干擾使觀測(cè)值偏離真值。資料表明：在基線邊長(zhǎng)10km以下的GPS定位測(cè)量中，多路徑效應(yīng)是最主要的誤差源之一。它嚴(yán)重影響定位精度，甚至?xí)?dǎo)致信號(hào)失鎖，影響GPS定位測(cè)量工作。

3　高山、峽谷地形——以川西高原為例進(jìn)行GPS　D級(jí)網(wǎng)定位測(cè)量工程簡(jiǎn)介及問(wèn)題

（1）測(cè)區(qū)多屬狹長(zhǎng)河谷地帶，城區(qū)沿河道而建，兩側(cè)都是高山，山間樹(shù)木茂盛，形成了天然的信號(hào)屏障，測(cè)區(qū)大部位于河谷之中，甚至有的地帶縱深幾公里，寬度卻只有幾百米，造成高度角變小，接收衛(wèi)星數(shù)量少，多路徑效應(yīng)誤差嚴(yán)重等問(wèn)題。點(diǎn)位選擇時(shí)，充分考慮其影響，選擇在視野開(kāi)闊，利于長(zhǎng)期保存，便于操作、發(fā)展的地點(diǎn)。由于測(cè)區(qū)的地形特殊性，為了滿(mǎn)足點(diǎn)位密度設(shè)計(jì)的要求、方便聯(lián)測(cè)和擴(kuò)展的需要，提高測(cè)點(diǎn)精度，故工程中建造了部分房頂標(biāo)志。

房頂標(biāo)志的建造，有益于在GPS測(cè)量中的網(wǎng)形設(shè)計(jì)的需要，構(gòu)成GPS網(wǎng)圖形的邊長(zhǎng)均勻。樓頂標(biāo)志上空視野良好，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)中點(diǎn)位間通視的需要，解決了在狹長(zhǎng)山谷地帶兩側(cè)反射物造成的強(qiáng)烈多路徑效應(yīng)的影響。由于測(cè)區(qū)城市建筑物修建密集，選擇點(diǎn)位應(yīng)避開(kāi)信號(hào)發(fā)射源的干擾。在山間選擇點(diǎn)位時(shí)，要規(guī)避開(kāi)高壓輸電線的影響，高大樹(shù)林的信號(hào)遮擋。由于任務(wù)設(shè)計(jì)要求埋設(shè)三等水準(zhǔn)點(diǎn)，如果條件允許，應(yīng)盡量將GPS點(diǎn)位和水準(zhǔn)點(diǎn)位重合，方便聯(lián)測(cè)檢驗(yàn)高程。因測(cè)區(qū)中涉及高海拔地區(qū)，應(yīng)注意收集凍土資料，確定凍土深度，對(duì)于凍土深度大于0.8m（含）的地區(qū)，應(yīng)采用凍土基本標(biāo)石。

（2）點(diǎn)位埋設(shè)完畢后，點(diǎn)位經(jīng)過(guò)雨季沉降穩(wěn)定，凍土地區(qū)至少需經(jīng)過(guò)一個(gè)凍解期[3]，才能進(jìn)行觀測(cè)。儀器要求采用精度不低于5 mm+1ppm的雙頻GPS接收機(jī)進(jìn)行相對(duì)定位觀測(cè)。增加觀測(cè)時(shí)段，設(shè)置采樣間隔，能增加多余觀測(cè)量，有利于在高山峽谷中削弱多路徑效應(yīng)的影響。對(duì)所選點(diǎn)位進(jìn)行相對(duì)定位，基線距離不是很長(zhǎng)的情況下，對(duì)于星歷誤差、多路徑效應(yīng)、對(duì)流層折射誤差等，都具有良好的消除作用。

（3）數(shù)據(jù)處理時(shí)，由于地形的限制和復(fù)雜性，導(dǎo)致觀測(cè)條件不是十分理想，所以星歷應(yīng)該盡量采用IGS發(fā)布的精密星歷來(lái)進(jìn)行處理，如果能保證基線長(zhǎng)度沒(méi)有超過(guò)60km，則可以使用廣播星歷進(jìn)行處理。對(duì)于多路徑效應(yīng)影響嚴(yán)重的時(shí)間段和個(gè)別衛(wèi)星（必須保證≥4顆衛(wèi)星），可以采取剔除較大殘差觀測(cè)值的方法進(jìn)行解算。而對(duì)于傳播路徑誤差有關(guān)的誤差，除了用模型進(jìn)行改正，還能用改變高度截止角的方法剔除低角度位置受到的電離層、對(duì)流層誤差影響。

4　結(jié)束語(yǔ)

GPS定位測(cè)量技術(shù)在各個(gè)誤差源的共同作用下影響著點(diǎn)位精度，而特殊地形的限制，又加劇了誤差的干擾。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)例，特殊地形中點(diǎn)位的選取應(yīng)按照規(guī)范的要求進(jìn)行，注意天線安置精度，增加觀測(cè)時(shí)間，增強(qiáng)網(wǎng)圖形設(shè)計(jì)強(qiáng)度，數(shù)據(jù)處理時(shí)適當(dāng)剔除失鎖衛(wèi)星數(shù)據(jù)、改變高度截止角。此實(shí)例，可以推廣高精度狹長(zhǎng)帶狀地形的控制測(cè)量，如公路、鐵路、隧道、水運(yùn)航道的高精度控制網(wǎng)的布設(shè)和觀測(cè)。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐紹銓?zhuān)瑥埲A海,楊志強(qiáng)等.GPS測(cè)量原理及應(yīng)用[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2008(07).

[2]黃丁發(fā),熊永良,周樂(lè)韜等.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)與方法[M].北京:科學(xué)出版社,2009.

[3]GB/T 18314-2009，全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范[S].

作者簡(jiǎn)介：靳祠（1987-），男，藏族，四川金川人，碩士研究生在讀，研究方向：地理信息和地圖制圖工程。