項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)GPS接收機(jī)檢驗(yàn)方法的應(yīng)用

秦維勝

摘 ? 要：本文通過(guò)國(guó)外項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的GPS接收機(jī)檢驗(yàn)方法的應(yīng)用表明，在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)自己建立超短基線場(chǎng)地，采用超短基線法檢驗(yàn)，基本綜合體現(xiàn)了整組GPS接收機(jī)的精度及其穩(wěn)定性。同時(shí)，在測(cè)量GPS投入使用前進(jìn)行必要的檢驗(yàn)，投入合格的設(shè)備是必要的，也為國(guó)外工程項(xiàng)目中的測(cè)繪產(chǎn)品的質(zhì)量品質(zhì)提供了依據(jù)和保障。

關(guān)鍵詞：GPS接收機(jī) ?超短基線法 ?靜態(tài)觀測(cè)

中圖分類號(hào)：P228 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）06（b）-0040-04

國(guó)家加大改革開(kāi)放以來(lái)，各大跨國(guó)型企業(yè)響應(yīng)國(guó)家國(guó)際化發(fā)展倡議，加快走出去步伐，與各國(guó)各行業(yè)的業(yè)主投資與合作更加密切，各大工程項(xiàng)目全世界布局，GPS技術(shù)在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用極為普遍，GPS接收機(jī)也是工程項(xiàng)目中必不可少的精密電子設(shè)備。目前工程項(xiàng)目中GPS高精度定位測(cè)量均采用雙頻GPS接收機(jī)靜態(tài)觀測(cè)，為了保證測(cè)繪產(chǎn)品的質(zhì)量，對(duì)項(xiàng)目的GPS接收機(jī)必須嚴(yán)格按照國(guó)家有關(guān)檢定檢驗(yàn)規(guī)程，定期進(jìn)行儀器檢驗(yàn)，合格后方可投入使用。因此，項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)在GPS接收機(jī)投入使用前，選擇合適的檢驗(yàn)方法來(lái)檢驗(yàn)其性能，成為廣大用戶的首要問(wèn)題。

高精度測(cè)量定位用的GPS接收機(jī)的檢定技術(shù)和方法，也是學(xué)界眾多學(xué)者和技術(shù)專家們研究的課題。各國(guó)行業(yè)管理部門也均制定測(cè)量用GPS接收機(jī)檢定規(guī)程，并相應(yīng)投入資金建立專業(yè)檢驗(yàn)場(chǎng)，對(duì)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行定期檢驗(yàn)并給出權(quán)威的認(rèn)證結(jié)果。但許多國(guó)家工程項(xiàng)目，除了關(guān)鍵設(shè)備必須提交定期的年檢證書(shū)外，在投入使用前，還要求現(xiàn)場(chǎng)對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)。

本人所在公司屬于石油勘探工程類，近20年來(lái)，工程項(xiàng)目遍及世界多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，特別是近10年來(lái)，所有項(xiàng)目合同皆要求新型高精度的GPS接收機(jī)是必不可少的設(shè)備。業(yè)主項(xiàng)目管理基本按國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，各項(xiàng)目GPS接收機(jī)在投入使用之前，必須進(jìn)行必要的項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)（本文也稱現(xiàn)場(chǎng)）檢驗(yàn)，并且所有GPS接收機(jī)都要有所在國(guó)家行業(yè)或質(zhì)量管理部門認(rèn)可的特定公司或機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢驗(yàn)的年檢證書(shū)（也認(rèn)可經(jīng)公證的國(guó)內(nèi)年檢）。從設(shè)備使用安全和產(chǎn)品質(zhì)量管理方面要求，GPS接收機(jī)必須定期年檢（一年一次），并取得年檢證書(shū)。因此，國(guó)外工程項(xiàng)目使用的GPS接收機(jī)的檢驗(yàn)，包括定期本地年檢和項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)。在項(xiàng)目開(kāi)工前，業(yè)主需要對(duì)投入項(xiàng)目的所有設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)收，為檢驗(yàn)GPS接收機(jī)的性能，采用超短基線法對(duì)GPS接收機(jī)進(jìn)行測(cè)距檢驗(yàn)，具有規(guī)范及業(yè)主認(rèn)可的實(shí)際意義，也是一種符合野外實(shí)際條件、可以檢驗(yàn)GPS接收機(jī)性能穩(wěn)定性的主要實(shí)用方法。

1 ?現(xiàn)場(chǎng)超短基線法檢驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路

現(xiàn)場(chǎng)GPS接收機(jī)超短基線法檢驗(yàn)，是采用一組超短基線，多臺(tái)GPS接收機(jī)同時(shí)觀測(cè)，多時(shí)段互換GPS接收機(jī)位置，分組或整組靜態(tài)測(cè)量，用處理軟件解算基線向量并與基線標(biāo)稱值（基線丈量值）比較，所得長(zhǎng)度之差值應(yīng)小于GPS接收機(jī)標(biāo)稱值（固定誤差）。

GPS接收機(jī)內(nèi)部噪聲水平測(cè)試。接收機(jī)內(nèi)部噪聲，主要是由于接收機(jī)硬件性能欠佳引起的，表現(xiàn)為接收機(jī)鐘差、信號(hào)通道時(shí)延差和鎖相環(huán)路誤差等，檢驗(yàn)方法一般有零基線法和超短基線法。在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有功率分配器的情況下，采用超短基線法檢驗(yàn)。靜態(tài)測(cè)量后進(jìn)行基線差分處理，各基線向量與基線標(biāo)稱值之差，應(yīng)小于GPS接收機(jī)的標(biāo)稱固定誤差，不同時(shí)段同一基線向量互差，應(yīng)小于2mm或不大于儀器廠家給出的標(biāo)稱值。

GPS接收機(jī)天線相位中心的穩(wěn)定性測(cè)試，此穩(wěn)定性是由天線相位中心偏差變化來(lái)反映的。GPS天線接收GPS載波信號(hào)L1/L2波時(shí)的“電氣”中心與廠家指定的天線中心即量取天線高的參考點(diǎn)不重合稱為天線相位中心偏差，天線相位中心偏差非恒定值，會(huì)隨著觀測(cè)條件和儀器老化而變化，同一天線不同時(shí)間測(cè)得的相位中心偏差也有變化，這種變化反映了天線相位中心的穩(wěn)定性。采用超短基線相對(duì)定位法測(cè)試天線相位中心偏差，這也是測(cè)繪界常用的野外測(cè)定方法。在相距幾米的超短基線上，用旋轉(zhuǎn)天線法測(cè)定天線相位中心偏差的二維水平分量;用交換天線位置法測(cè)定天線相位中心偏差的相對(duì)垂直分量（天線垂直偏差分量也可以通過(guò)微波暗室法測(cè)定）;根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料，該方法能以優(yōu)于2mm的精度，在野外測(cè)定天線相位中心的三維偏差分量。在用同一種類型的GPS天線進(jìn)行超短基線或短基線GPS靜態(tài)觀測(cè)時(shí)，由于基線兩端GPS天線接收到的衛(wèi)星數(shù)和信號(hào)強(qiáng)度基本一致（無(wú)干擾），基線GPS天線的電學(xué)相位中心隨接收到的GPS衛(wèi)星的變化可認(rèn)為基本相同，這種情況下，可以認(rèn)為由于天線相位中心的變化致使基線有個(gè)微小的平移，但基線長(zhǎng)度及三位分量基本一樣，因此解算基線時(shí)可以不考慮對(duì)天線相位中心的變化進(jìn)行改正。但長(zhǎng)距離、高精度靜態(tài)測(cè)量時(shí)，要考慮對(duì)天線相位中心的變化進(jìn)行改正。

2 ?超短基線法檢驗(yàn)需要注意的問(wèn)題

現(xiàn)場(chǎng)采用超短基線法檢驗(yàn)時(shí)，需要注意以下幾個(gè)問(wèn)題。

2.1 選擇理想的檢驗(yàn)場(chǎng)地，并埋置標(biāo)石

選擇一塊周邊開(kāi)闊，無(wú)遮擋、無(wú)電磁干擾源，避免多路徑干擾源的平整地，建立基線點(diǎn)網(wǎng)。各種干擾源會(huì)造成GPS接收機(jī)的觀測(cè)質(zhì)量下降，一般地GPS接收機(jī)所觀測(cè)的GPS信號(hào)是直接波和反射波的合成波，所謂“多路徑誤差”，設(shè)立基線點(diǎn)應(yīng)盡可能避開(kāi)鄰近水面、平坦光滑的地面、鹽堿地帶、有金屬礦區(qū)和帶有強(qiáng)反射鏡面物或建筑物區(qū)域，同樣也需要避開(kāi)附近有強(qiáng)電磁輻射的區(qū)域，并穩(wěn)固埋置帶有固定標(biāo)識(shí)的標(biāo)石。

2.2 設(shè)置GPS靜態(tài)觀測(cè)和基線處理參數(shù)

目前使用的GPS接收機(jī)，均是高精度趨向一體化的精密設(shè)備，可以采用默認(rèn)參數(shù)設(shè)置進(jìn)行GPS靜態(tài)觀測(cè)，在處理觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)選定處理參數(shù)，觀測(cè)前可根據(jù)GPS星歷做出預(yù)報(bào)，選合適時(shí)段進(jìn)行檢驗(yàn)，確保GPS接收機(jī)在檢驗(yàn)期間，PDOP無(wú)顯著變化。根據(jù)研究資料可知，GPS接收機(jī)的GPS信號(hào)信噪比隨著衛(wèi)星高度角的降低而減小，且當(dāng)衛(wèi)星高度角在30°以下時(shí)，信噪比隨衛(wèi)星高度角降低的速率愈加明顯，特別是L2更為明顯。另外隨著測(cè)站位置的差異，即使衛(wèi)星高度角相同，信噪比降低的速率也有差異（在超短基線法檢驗(yàn)時(shí)，因測(cè)點(diǎn)靠近基本可以忽略）。雖然較小的衛(wèi)星高度截止角，能獲得較小的PDOP，但截止角越小，對(duì)流層影響也越明顯，測(cè)量誤差將增大。因此，衛(wèi)星高度截止角宜選在20°以下。建議設(shè)置靜態(tài)觀測(cè)參數(shù)如下：

觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)≧4顆;

觀測(cè)衛(wèi)星高度截止角≧15°且≤20°;

數(shù)據(jù)采樣率≤10s（目前內(nèi)存容量完全可以滿足觀測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)）;

觀測(cè)期間：根據(jù)星歷預(yù)報(bào)，安排合適時(shí)段觀測(cè)。

3 ?超短基線法檢驗(yàn)的流程控制

第一步，準(zhǔn)備好一個(gè)經(jīng)過(guò)多次精確測(cè)定的鋼卷尺，可計(jì)算尺長(zhǎng)改正因子;第二步，按要求測(cè)設(shè)一組基線長(zhǎng)度在1～5m的超短基線，端點(diǎn)分別穩(wěn)固埋置帶標(biāo)石，端點(diǎn)分布較均勻并可組成較強(qiáng)幾何圖形結(jié)構(gòu)的網(wǎng)形，用測(cè)定的鋼卷尺，多次精確丈量各基線水平距離，記錄各基線量測(cè)數(shù)據(jù)（可讀數(shù)至0.1mm），加改正并計(jì)算基線長(zhǎng)度作為各基線標(biāo)稱值（取至mm）;第三步，將GPS接收機(jī)分組或整組方式（最好一組不超過(guò)6臺(tái)GPS接收機(jī)），按編號(hào)不同時(shí)段變換儀器，GPS天線必須嚴(yán)格對(duì)中、整平且天線定向標(biāo)志指北，安置在基線端點(diǎn)上進(jìn)行同時(shí)靜態(tài)觀測(cè)，并精確量取各站天線高（取至mm）;每個(gè)時(shí)段最好觀測(cè)30min以上，這步很重要，操作是否認(rèn)真規(guī)范，將直接影響檢驗(yàn)結(jié)果;第四步，通過(guò)差分計(jì)算處理各基線向量，由于基線很短，可以有效消除衛(wèi)星軌道誤差、大氣折射誤差（傳播誤差）和多路徑效應(yīng)等外界因素影響，獲得觀測(cè)基線向量與各基線標(biāo)稱值之差，這些便主要反映了GPS接收機(jī)的內(nèi)部噪聲水平。并與GPS接收機(jī)標(biāo)稱精度比較，可評(píng)定各臺(tái)GPS接收機(jī)性能。

4 ?現(xiàn)場(chǎng)GPS接收機(jī)超短基線法檢驗(yàn)實(shí)例

筆者所在公司自2008年來(lái)，在世界多個(gè)國(guó)家和地區(qū)執(zhí)行項(xiàng)目，根據(jù)項(xiàng)目合同要求，項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)在投入使用前，均采用超短基線檢驗(yàn)法對(duì)GPS接收機(jī)進(jìn)行檢驗(yàn)，本文選取公司在南美玻利維亞圣特爾莫山地石油勘探項(xiàng)目，采用超短基線法檢驗(yàn)GPS接收機(jī)的實(shí)例，闡明該方法的做法和實(shí)用意義。

該項(xiàng)目我們投入了新采購(gòu)的最新型6臺(tái)套Leica GNSS GS15型GPS接收機(jī)，支持GPS/GLONASS/Galileo/BeiDou四星系統(tǒng)。

按照本文前述現(xiàn)場(chǎng)超短基線組建立要求，我們?cè)谥鳡I(yíng)地里，建立相鄰兩點(diǎn)間距大約2m左右的超短基線組，按順序?qū)⒘鶄€(gè)GPS點(diǎn)命名為CAL01 、CAL02……CAL06。并用檢驗(yàn)過(guò)的鋼卷尺，3次重復(fù)丈量?jī)蓛牲c(diǎn)距離，得到15條基線標(biāo)稱值，如表1。

表2中15條基線3次丈量值，取均值至毫米，將以此丈量均值作為各基線的標(biāo)稱值。認(rèn)真規(guī)范操作儀器，天線架設(shè)精確對(duì)中、整平、腳架踩實(shí)穩(wěn)定，精確量取天線高，6個(gè)GPS點(diǎn)上輪流安置完6臺(tái)GPS接收機(jī)，共進(jìn)行6個(gè)時(shí)段靜態(tài)觀測(cè);六時(shí)段靜態(tài)觀測(cè)信息統(tǒng)計(jì)表，如表2。

選取GPS靜態(tài)觀測(cè)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)參數(shù)如下。

觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)≧5;

衛(wèi)星截止高度角≧15°;

觀測(cè)記錄采樣率：5s（處理基線時(shí)，可以按5的倍數(shù)確定數(shù)據(jù)采樣率）;

觀測(cè)時(shí)間：30min左右。

本次檢驗(yàn)采用Trimble Business Center軟件進(jìn)行基線向量解算，計(jì)算出6個(gè)GPS點(diǎn)之間的水平距離，靜態(tài)觀測(cè)6個(gè)時(shí)段，兩點(diǎn)之間水平距離得出6個(gè)不同的值，取均值與基線標(biāo)稱值（丈量值）比較，得差值，如表3。

從基線解算處理成果統(tǒng)計(jì)，同一基線不同時(shí)段的基線向量互差，絕對(duì)值最大為3mm，均不大于接收機(jī)的快速靜態(tài)觀測(cè)水平標(biāo)稱精度固定誤差的2倍之6mm;各基線與基線標(biāo)稱值之差值絕對(duì)值在0～3mm之間。

依據(jù)同樣的方法，我們?cè)趤嗰R遜流域貝尼河石油勘探項(xiàng)目中，對(duì)投入的7臺(tái)Leica GX1230GG型GPS接收機(jī)（靜態(tài)觀測(cè)水平標(biāo)稱精度：Hz 5mm + 0.5ppm / V 10mm + 0.5ppm），支持GPS/GLONASS雙星系統(tǒng)，建立超短基線組，進(jìn)行7時(shí)段靜態(tài)觀測(cè)，采用Leica Geo Office（LGOLGO）數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行基線向量解算，按選取的13條基線，計(jì)算出各基線的水平距離，兩點(diǎn)之間水平距離會(huì)得出7個(gè)不同的值，取均值與該組基線標(biāo)稱值比較求得差值，如表4。

從表4中可以看出各基線的不同時(shí)段觀測(cè)成果的最大值和最小值且差值在3mm之內(nèi)，完全滿足GPS接收機(jī)超短基線法檢驗(yàn)時(shí)，同一基線不同時(shí)段靜態(tài)測(cè)量水平距離互差不大于該GPS接收機(jī)靜態(tài)測(cè)量標(biāo)稱精度固定誤差的2倍之10mm;各基線與基線標(biāo)稱值之差值絕對(duì)值在0～3mm之間。

本文探索項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)GPS接收機(jī)的超短基線法檢驗(yàn)的應(yīng)用，關(guān)于天線相位中心偏差已在GPS接收機(jī)年檢時(shí)定期檢驗(yàn)，各基線互差數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)類似于本文中表4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，這里不再列出。從表中各基線與基線標(biāo)稱值之差值絕對(duì)值在0～3mm之間，滿足測(cè)量GPS接收機(jī)檢定規(guī)程中給出的超短基線法檢驗(yàn)時(shí)，各基線向量（水平距離）與基線標(biāo)稱值之差，不大于GPS接收機(jī)的標(biāo)稱固定誤差，參考測(cè)繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《全球 定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量型接收機(jī)檢定規(guī)程》，完全滿足的超短基線法檢驗(yàn)時(shí)，各基線向量（水平距離）與基線標(biāo)稱值之差，小于GPS接收機(jī)的標(biāo)稱固定誤差。因此，我們認(rèn)為該組GPS接收機(jī)性能優(yōu)良、穩(wěn)定，可以投入項(xiàng)目使用，也獲得了業(yè)主測(cè)繪技術(shù)管理部門的批準(zhǔn)。因此，我們認(rèn)為計(jì)劃投入的GPS接收機(jī)定位精度高、性能穩(wěn)定，可以投入項(xiàng)目使用。也獲得了業(yè)主測(cè)繪技術(shù)管理部門的批準(zhǔn)。

5 ?結(jié)語(yǔ)

目前關(guān)于GPS接收機(jī)的檢驗(yàn)的方法，有規(guī)程可循，在世界各個(gè)國(guó)家也得到了長(zhǎng)足的普及和發(fā)展。

通過(guò)國(guó)外項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的檢驗(yàn)方法的應(yīng)用表明，采用超短基線法檢驗(yàn)GPS接收機(jī)的性能，方法正確、簡(jiǎn)單，且適合野外現(xiàn)場(chǎng)操作，特別是在一些國(guó)家GPS接收機(jī)的檢驗(yàn)條件不足或有一定局限性的情況下，我們分析多個(gè)項(xiàng)目的儀器檢驗(yàn)結(jié)果和對(duì)比后認(rèn)為，在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)自己建立超短基線場(chǎng)地，在野外現(xiàn)場(chǎng)僅采用超短基線法，每個(gè)時(shí)段按編號(hào)順序?qū)⒄MGPS接收機(jī)變換觀測(cè)點(diǎn)位置的辦法（GPS點(diǎn)數(shù)、GPS接收機(jī)臺(tái)數(shù)和靜態(tài)測(cè)量的時(shí)段數(shù)相同），可對(duì)GPS接收機(jī)的綜合性能進(jìn)行檢驗(yàn)。在基線計(jì)算處理后，得出各基線水平距離均值與其標(biāo)稱值之差，該組差值波動(dòng)的范圍和大小，基本綜合體現(xiàn)了整組GPS接收機(jī)的性能及其穩(wěn)定性。同時(shí)，在測(cè)量GPS投入使用前進(jìn)行必要的檢驗(yàn)，投入合格的設(shè)備是必要的，也為國(guó)外工程項(xiàng)目中的測(cè)繪產(chǎn)品的質(zhì)量品質(zhì)提供了依據(jù)和保障。

因此，國(guó)外項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)GPS接收機(jī)超短基線法檢驗(yàn)，結(jié)合當(dāng)?shù)鼗脑O(shè)備定期年檢，可作為投入項(xiàng)目使用的GPS接收機(jī)的綜合性能檢驗(yàn)的主要方案。現(xiàn)場(chǎng)超短基線法檢驗(yàn)GPS接收機(jī)的方法是符合野外實(shí)際情況、操作規(guī)范及業(yè)主認(rèn)可的主要方法，且具有很強(qiáng)的實(shí)用意義。

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