張 健 曹瑞基/山東省計量科學(xué)研究院

在GPS接收機檢定中，面對“測量誤差超限”應(yīng)如何處理，應(yīng)怎樣確定引起誤差超限的原因，能否由此判定儀器不合格或者精度達(dá)不到指標(biāo)要求？該文提出了一套處理測量誤差超差的方法，對GPS接收機的檢定和測量人員具有重要意義。

0 引言

在全球定位系統(tǒng)（GPS）接收機的檢定中，數(shù)據(jù)后處理是個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是將GPS接收機野外標(biāo)準(zhǔn)點上采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)后處理軟件進(jìn)行基線解算的過程，然后才能對儀器進(jìn)行精度評定。

“基線解算值”與“標(biāo)準(zhǔn)基線值”之差稱為“測量誤差”，根據(jù)GPS接收機不同的精度，對于不同的測量距離都有一個相應(yīng)的測量誤差極限值。

按照J(rèn)JF 1118-2004 《全球定位系統(tǒng)（GPS）接收機校準(zhǔn)規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）要求，對于≤5 km的基線，GPS接收機的測量誤差應(yīng)小于標(biāo)稱標(biāo)準(zhǔn)差；對于＞5 km的基線，測量誤差應(yīng)小于標(biāo)稱標(biāo)準(zhǔn)差 的2倍。

對于GPS接收機，當(dāng)測量誤差超限時，并不能盲目判定儀器不合格或者達(dá)不到精度指標(biāo)要求，因為導(dǎo)致GPS測量誤差因素不僅有來自衛(wèi)星的，也有GPS信號傳輸中電離層和對流層等帶來的誤差，還有GPS數(shù)據(jù)處理軟件等帶來的誤差。

當(dāng)“誤差超限”時應(yīng)該如何進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，特別是衛(wèi)星干預(yù)后基線解算值仍然超差時，應(yīng)如何對儀器下結(jié)論？經(jīng)過多年對GPS接收機檢定工作的實踐，提出一套處理誤差超限的方法。

1 查看公共時段衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量

在《規(guī)范》中，對于不同長度的基線，最短觀測時間有相應(yīng)的規(guī)定，基線越長測量時間越長（表 1）。

表1 基線長度與測量時間關(guān)系

測量時間，是指2臺以上GPS接收機的同步測量時間。GPS數(shù)據(jù)后處理時，只有同步測量時間內(nèi)的數(shù)據(jù)才是有效數(shù)據(jù)，因此，當(dāng)測量誤差超限時，首先查看同步測量時間，時間短會導(dǎo)致誤差超限。單臺接收機的數(shù)據(jù)沒法生成基線，是無效數(shù)據(jù)。

在保證測量時間的前提下，衛(wèi)星的數(shù)據(jù)質(zhì)量是最關(guān)鍵的。由于“GPS檢定場”各觀測點周圍視野空曠，沒有遮擋，當(dāng)GPS信號出現(xiàn)嚴(yán)重周跳時（如圖1所示），便可以斷定誤差超限是GPS接收機本身造成的。此接收機的基線測量誤差為217.5 mm，限差6.5 mm，可以斷定此儀器不合格。

圖1 GPS 靜態(tài)測量數(shù)據(jù)

周跳嚴(yán)重的現(xiàn)象在一體化接收機上出現(xiàn)的比較多，主要是由于接收機天線、主機集成在一起，相互間“電磁串?dāng)_”造成的。

2 改變高度角和采樣間隔對基線處理

當(dāng)GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量較好且沒有嚴(yán)重周跳，而測量誤差超限時，可以改變“高度角”和“采樣間隔”，重新進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理?！兑?guī)范》要求，一般情況下，將高度角設(shè)置為15°、數(shù)據(jù)采樣率（采樣間隔）設(shè)置為15 s。

1）增大高度角而采樣間隔不變

由于低仰角衛(wèi)星信號穿過更多的大氣層，GPS信號傳播的速度在高密度的大氣層中傳輸并不同于真空（或空氣）中的傳輸，那么位置的解算就會變得更加不精確。

在衛(wèi)星數(shù)目較多時，此方法可以提高基線結(jié)果的精度。如國產(chǎn)某GPS接收機HD-5800N在2007年4月24日的測量數(shù)據(jù)。當(dāng)高度角由15°增大到30°，基線的測量誤差在不斷減小，見表2。

表2 某GPS接收機增大高度角基線解算

2）減小高度角而采樣間隔不變

在有些情況下，增大高度角效果不顯著，特別是當(dāng)測量時段可見衛(wèi)星數(shù)較少的情況，此時可以適當(dāng)減小高度角，增加衛(wèi)星數(shù)，低仰角的衛(wèi)星很可能對于基線解算提供很大的幫助。

3）改變采樣間隔而高度角不變

在改變高度角不奏效的情況下，可以改變數(shù)據(jù)采樣間隔，比如將采樣間隔由15 s減小到5 s或10 s，增加數(shù)據(jù)的密度，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。當(dāng)然要做到這一點必須在外業(yè)測量時，數(shù)據(jù)采樣間隔設(shè)置為1 s或5 s，這樣增加了數(shù)據(jù)文件的大小，數(shù)據(jù)采集時必須留有足夠的內(nèi)存空間。

當(dāng)改變高度角或者數(shù)據(jù)采樣間隔能提高基線的精度時，說明不是GPS接收機本身造成的超差。

3 數(shù)據(jù)拆分后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理

當(dāng)改變“高度角”和“采樣間隔”后，測量基線解算值仍然超差時，例如某GPS接收機GX1230在2007年5月10日的檢定中的情況，基線處理結(jié)果見表3。

表3 某GPS接收機GX1230數(shù)據(jù)處理

此時，可以根據(jù)軟件功能將數(shù)據(jù)拆分或截取某一時段進(jìn)行處理。

美國Trimble數(shù)據(jù)后處理軟件TGO（Trimble Geomatics OfficeTM）提供了截取某一時段數(shù)據(jù)的功能，可以在測量時段內(nèi)設(shè)置“起始時間”和“結(jié)束時間”（如圖2所示），選取某一時段的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

圖2 TGO數(shù)據(jù)處理截取數(shù)據(jù)的窗口

通過數(shù)據(jù)拆分或截取某一時段數(shù)據(jù)，可以將衛(wèi)星時段不好的數(shù)據(jù)去掉，在很多情況下，基線解算結(jié)果會得到很大提高。

4 查看“殘差圖”禁止質(zhì)量差的衛(wèi)星數(shù)據(jù)

如果數(shù)據(jù)拆分后基線處理結(jié)果仍沒有得到改善，此時需要查看衛(wèi)星“殘差圖”。殘差是為了得到控制網(wǎng)的整體閉合差，對觀測值進(jìn)行的修正數(shù)或平差值，顯示了從衛(wèi)星接收數(shù)據(jù)的質(zhì)量。殘差值越大則衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量越差，見圖3。

根據(jù)殘差情況，對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)干預(yù)，禁止殘差較大或者周跳嚴(yán)重的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

從圖3看出，衛(wèi)星8的殘差較大，可以禁止此衛(wèi)星的數(shù)據(jù)?；€重新解算后，若測量誤差減小，說明是個別衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量差的原因?qū)е抡`差超差。

圖3 衛(wèi)星“殘差圖”

5 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為RENIX文件采用高精度軟件處理

由于GPS軟件是引起測量誤差不確定度的重要來源[1]，特別是國產(chǎn)GPS接收機數(shù)據(jù)后處理軟件，由于算法不完善，基線處理有時會帶來較大的誤差。

此時可以將GPS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的RENIX文件，采用高精度GPS數(shù)據(jù)后處理軟件進(jìn)行處理，比如天寶的TGO(Version 1.63)版本等。

例如，某GPS接收機V8在2008年3月17日的測量數(shù)據(jù)基線解算值嚴(yán)重超差。當(dāng)采用軟件的默認(rèn)數(shù)據(jù)采樣間隔60 s，高度角20°時，解算基線為 4114.1248 m，誤差 12.5 mm，仍然超差。而采用其他3種軟件的數(shù)據(jù)處理結(jié)果是一致的，見表4。

表4 高精度GPS軟件處理V8數(shù)據(jù)基線結(jié)果

這說明某軟件HDS2003在數(shù)據(jù)處理算法上有不合理的地方，并不是接收機本身造成的誤差超限。

6 查看星歷預(yù)報重新測量

當(dāng)嘗試各種方法后仍然沒有找到“誤差超限”的根源，仍然不能判定儀器不合格。

此時建議，重新對GPS接收機進(jìn)行檢定測量。為了保證測量數(shù)據(jù)的可靠，首先，查看“星歷預(yù)報”，選擇 GDOP（Geometrical Dilution of Precision）值較好的時段，通常GDOP值要小于4（見圖4、圖5），對儀器重新進(jìn)行測量。

圖4 2009-1-14“GPS檢定場”W001點DOP值

由于GPS衛(wèi)星不是地球同步衛(wèi)星，衛(wèi)星運行周期是11 h 58 min，所以，衛(wèi)星每天繞地球2圈，而且每天觀測到同一顆衛(wèi)星的時間要提前4 min。從兩圖的比較中可以看出：衛(wèi)星不好的時段一直在提前。

圖5 2009-3-14“GPS檢定場”W001點DOP值

對于經(jīng)過第二次檢定測量的GPS接收機，如果數(shù)據(jù)處理結(jié)果仍然不能滿足精度指標(biāo)要求，那就可以斷定GPS接收機不合格。

7 結(jié)束語

伴隨著我國GPS產(chǎn)業(yè)化步伐的加速，GPS接收機已經(jīng)在國民經(jīng)濟(jì)的測繪、水利、石油、電力、資源勘探、交通、航海等領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用，也必將為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。

通過對GPS接收機檢定中誤差超限處理方法的研究，提出了一套處理測量誤差超差的方法，希望能為廣大GPS接收機檢定人員和工程測量人員提供一定的參考和幫助，以便提高工作效率，更好地為我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)。

[1] 張健，曹瑞基，董書藝. GPS接收機測量誤差不確定度評定的探討[J]. 計量技術(shù)，2009, (01).

[2] 張健. Trimble GPS 5700檢定應(yīng)注意的問題[J].中國計量，2005,(11).

[3] 張健, 董書藝. Trimble GPS 5700 使用中應(yīng)注意的問題[J]. 上海計量測試，2005, (04).

[4] 張秀民，曹瑞基，張慧，張健，趙德清. XML技術(shù)在計量檢測業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]計量技術(shù)，2007,(04).

[5] 全國幾何量角度計量技術(shù)委員會. JJF 1118-2004[S]. 北京：中國計量出版社，2004.