GPS RTK的誤差分析及質(zhì)量控制

李軍民

摘 要：文章重點(diǎn)分析了GPS RTK測量的誤差來源及其對(duì)GPS RTK測量的影響分析，提出了減小誤差的方法從而加強(qiáng)質(zhì)量控制，最后示例分析了GPS RTK定位技術(shù)的精度及內(nèi)不符合精度。

關(guān)鍵詞：誤差分析；精度；質(zhì)量控制

1 GPS RTK測量的誤差來源及其影響

1.1 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差及分析

1.1.1 衛(wèi)星星歷誤差

衛(wèi)星星歷誤差的產(chǎn)生是多種攝動(dòng)力對(duì)GPS衛(wèi)星作用的結(jié)果，并且這些攝動(dòng)力的作用規(guī)律也難以測定。而衛(wèi)星作為已知點(diǎn)參與定位解算，一旦衛(wèi)星星歷中含有誤差，單點(diǎn)定位的精度將在很大程度上受到影響，這也是精密相對(duì)定位中的重要誤差來源。

現(xiàn)在，對(duì)于這種誤差的解決辦法有兩種：一是獨(dú)立定軌，保證導(dǎo)航和實(shí)時(shí)定位可靠性的精度；二中軌道松弛法，在平差過程中，把衛(wèi)星軌道當(dāng)作初始值，衛(wèi)星軌道改正數(shù)為未知數(shù)，最后同時(shí)求出測點(diǎn)坐標(biāo)和軌道改正數(shù)[1]。

1.1.2 衛(wèi)星鐘差

只有衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘時(shí)間保持一致才能保證準(zhǔn)確的定位測量，然而實(shí)際中它們與理想中的GPS時(shí)相比是不可能完全一致的，雖然這種差異大概在1ms內(nèi)，但是這1ms的等效距離大約為300km[2]。

為了能夠精確地確定衛(wèi)星鐘差，通常的做法都是進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測衛(wèi)星鐘運(yùn)行狀態(tài)，然后建立鐘差改正模型，改正后由衛(wèi)星鐘差引起的誤差將在6 m以內(nèi)。

1.2 衛(wèi)星信號(hào)的傳播誤差

1.2.1 電離層折射的影響

GPS衛(wèi)星信號(hào)在傳播過程中遇到電離層，其路徑就會(huì)發(fā)生變化，并且這種影響隨著傳播路徑線與地平線夾角的增大而減小。

通常采用以下方法來減弱電離層的影響：利用雙頻觀測；通過導(dǎo)航電文可以獲得電離層模型，可以利用電離層模型加以修正，但是它只有一定的改善作用，有效性僅為75%左右；在作業(yè)過程中可以用兩臺(tái)（含）以上儀器同時(shí)觀測，并提取觀測值之差，這時(shí)的殘差將不會(huì)超過10-6。

1.2.2 對(duì)流層折射的影響

對(duì)流層會(huì)使GPS信號(hào)發(fā)生折射作用，因此其傳播路徑就會(huì)發(fā)生變化——稱為對(duì)流層延遲，這時(shí)其影響隨著衛(wèi)星信號(hào)高度角的增大而減小。

可以有效利用下列方法消弱對(duì)流層的影響：采用對(duì)流層模型加以改正；把對(duì)對(duì)流層有影響的因素當(dāng)作未知參數(shù)，在數(shù)據(jù)平差過程中一起求解；觀測量求差，此方法與上述消弱電離層對(duì)GPS信號(hào)影響的方法相同。

1.2.3 多路徑效應(yīng)

高反射物體的反射作用是多路徑效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因，通常情況下這種影響的范圍一般在5～9cm，在遇到糟糕的環(huán)境時(shí)甚至能達(dá)到15cm，因此在高精度測量工作當(dāng)中，多路徑效應(yīng)是必須要考慮的。

目前可以采用以下方法減弱多路徑效應(yīng)：測站的選擇要合適，要盡量遠(yuǎn)離反射物體，如成片的水域、信號(hào)塔、雷達(dá)站、高層建筑物、山谷等；天線的選擇要合理，如選擇扼流圈天線；有效地增加測量時(shí)間，這樣可以減弱多路徑效應(yīng)的周期性影響[3]。

1.3 與接受機(jī)有關(guān)的誤差及分析

1.3.1 接收機(jī)鐘差

由于成本的限制，接收機(jī)通常采用石英鐘，石英鐘與原子鐘相比誤差更大。接收機(jī)鐘差將會(huì)嚴(yán)重影響作業(yè)成果的精度，所以需要采用有效的方法將其削弱甚至消除。

目前通常采用下列方法有效削弱接收機(jī)鐘差的影響：在求解參數(shù)的過程中，將所有時(shí)段觀測得到的接收機(jī)鐘差都當(dāng)作獨(dú)立的未知數(shù)進(jìn)行求解；在接收機(jī)鐘差和時(shí)間之間建立函數(shù)關(guān)系式，當(dāng)然這個(gè)關(guān)系式必須完全正確可靠，這樣才能有效減弱接收機(jī)鐘差；也可以通過在衛(wèi)星間一次求差的方法來削弱接收機(jī)鐘差，和第一種方法本質(zhì)相同。

1.3.2 天線相位中心位置偏差

GPS信號(hào)輸入的強(qiáng)度和方向不同時(shí)，天線相位中心的位置就會(huì)變化，從而導(dǎo)致與其幾何相位中心不符，進(jìn)而對(duì)測量結(jié)果有一定的影響。在實(shí)際測量工作中，消弱這種影響通常采用同種型號(hào)的儀器，在相距不遠(yuǎn)的兩個(gè)或多個(gè)觀測站上，同步觀測同一組衛(wèi)星，通過觀測值求差來實(shí)現(xiàn)。

1.4 其他因素誤差

其他的誤差因素主要包括坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)誤差、參考站坐標(biāo)誤差、地球自轉(zhuǎn)的影響。

2 GPS RTK測量的質(zhì)量控制方法

2.1 精確求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)

GPS RTK在作業(yè)時(shí)直接獲取的是WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)，而在實(shí)際工作中所使用的往往是北京54或者地方坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，因此在數(shù)據(jù)處理時(shí)必須進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，精確地得到坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)才能使結(jié)果更趨近于真值。

通過大量的實(shí)踐與分析可得：控制點(diǎn)必須均勻分布，同時(shí)這些控制點(diǎn)要覆蓋到整個(gè)GPS基準(zhǔn)站網(wǎng)，由這些控制點(diǎn)求得坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)才是合理的；這些控制點(diǎn)的點(diǎn)位精度越高越好，可由靜態(tài)相對(duì)定位獲得；為了獲得精度較高的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，通常采用嚴(yán)密的七參數(shù)轉(zhuǎn)換法，求得的參數(shù)須用已知點(diǎn)檢驗(yàn)其精確度。

2.2 正確選擇基準(zhǔn)站

基準(zhǔn)站應(yīng)滿足GPS基本的觀測條件，另外必須能夠播發(fā)或傳輸差分改正信號(hào)。一般基準(zhǔn)站都選在視野開闊、周圍盡量沒有成片的水域、信號(hào)塔、雷達(dá)站、高層建等地點(diǎn)，以便消除或者消弱多路徑效應(yīng)的影響，提高RTK的測量質(zhì)量。

2.3 作業(yè)時(shí)段的選擇

通過以往的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)PDOP值較大的時(shí)間段是很容易出現(xiàn)粗差的，所以就要求我們選擇PDOP值小的時(shí)段作業(yè)。經(jīng)過衛(wèi)星預(yù)報(bào)分析總結(jié)，中午12點(diǎn)左右PDOP值相對(duì)較大，不適合RTK測量，所以應(yīng)該盡量避開這個(gè)時(shí)間段作業(yè)，這樣初始化時(shí)間短，效率高，精度高。

2.4 進(jìn)行重復(fù)觀測來提高點(diǎn)位精度

通常情況下這些控制點(diǎn)需要獨(dú)立測量兩次，測到數(shù)據(jù)后進(jìn)行重新求解整周模糊度，然后做兩次收斂，當(dāng)這兩次求解的坐標(biāo)值之差不大于±5cm，取其平均數(shù)當(dāng)作最終結(jié)果。

2.5 解決盲點(diǎn)

基準(zhǔn)站架設(shè)在地勢開闊、位置較高的地方，同時(shí)提高流動(dòng)站天線的高度，這樣可以有效解決有數(shù)據(jù)鏈信號(hào)接收的問題，從而解決盲點(diǎn)；如果是點(diǎn)位觀測條件不好，衛(wèi)星信號(hào)差導(dǎo)致無法作業(yè)，應(yīng)該在該點(diǎn)位附近選擇條件好的位置加測圖根控制點(diǎn)，然后利用全站儀補(bǔ)測該點(diǎn)。

2.6 加強(qiáng)觀測中的校核

在觀測中進(jìn)行校核有如下兩種方法。

（1）已知點(diǎn)檢核比較法：在控制網(wǎng)內(nèi)多布設(shè)幾個(gè)多余的控制點(diǎn)，利用靜態(tài)GPS測出這些控制點(diǎn)的坐標(biāo)，然后將RTK測出的成果與靜態(tài)GPS結(jié)果做認(rèn)真對(duì)比，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題和原因并利用正確合理的方法進(jìn)行改正。

（2）重測比較法：當(dāng)初始化成功后，選取2個(gè)已經(jīng)測過或者高精度的點(diǎn)位進(jìn)行重測檢核，確認(rèn)沒有差錯(cuò)后再進(jìn)行正式的作業(yè)。

3 示例數(shù)據(jù)分析

該測區(qū)位于重慶市，南北約1000m，西北約600m，總面積約0.6km?，共有10個(gè)GPS控制測量點(diǎn)，它們的坐標(biāo)都已經(jīng)采用靜態(tài)GPS測量平差的方法測出。現(xiàn)根據(jù)相關(guān)RTK測量規(guī)范進(jìn)行了RTK作業(yè)，數(shù)據(jù)平差后分析如下：

3.1 RTK數(shù)據(jù)分析（表1）

由表1可以得出，X，Y，Z各分量的差異值都在-19～9 mm。其結(jié)果與靜態(tài)測量數(shù)據(jù)比較可以看出，測量穩(wěn)定性明顯降低，造成這種結(jié)果的原因是RTK測量比較受天氣狀況（如空氣濕度）、衛(wèi)星狀況或者數(shù)據(jù)鏈傳輸狀況等多種因素的影響。雖然RTK測量的精度及穩(wěn)定性不及靜態(tài)GPS測量，但也有作業(yè)效率高，沒有誤差積累等各種優(yōu)點(diǎn)，完全能夠滿足一般工程的精度要求，實(shí)用價(jià)值高。

3.2 RTK測量數(shù)據(jù)的內(nèi)部符合精度

內(nèi)符合精度是指RTK多次測量值與測量算術(shù)平均值的較差，即

由表1和表2可以看出，RTK測量X坐標(biāo)的內(nèi)符合精度最大值為19.7mm，最小值為4.4mm，平均值為10.3mm；Y坐標(biāo)的內(nèi)符合精度最大值為19.1mm，最小值為3.5mm，平均值為10.0mm；Z坐標(biāo)的內(nèi)符合精度最大值為14.2mm，最小值為1.0mm，平均值為4.3mm。由此可看出RTK測量的內(nèi)部符合精度較高，相對(duì)穩(wěn)定，可以在施工測量中作業(yè)。

4 結(jié)束語

GPS RTK定位技術(shù)相比常規(guī)測量及靜態(tài)GPS測量來說，其有很大的優(yōu)點(diǎn)，作業(yè)效率大大提高，帶來了很高的經(jīng)濟(jì)效益。目前選擇高精度RTK儀器和合適的作業(yè)方式，通過文章中提出的質(zhì)量控制，將能得到更加穩(wěn)定可靠的高精度成果。相信隨著RTK技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，其將會(huì)在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]王婷婷.GPS測量誤差分析及控制[J].電子工程，2008，（3）：20-21.

[2]呂代和.GPS測量的集中誤差及相應(yīng)處理辦法[J].貴州科學(xué)，2007，（25）：194-195.

[3]余兵.RTK在工程測量中的應(yīng)用初探[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010，（20）：101.