史先領(lǐng)

（江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江蘇 徐州 221011）

GPS不同測(cè)量模式的應(yīng)用及精度分析

史先領(lǐng)

（江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江蘇 徐州 221011）

文章在GPS靜態(tài)測(cè)量和RTK兩種方法的基礎(chǔ)上，概述GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量的原理和操作步驟，討論其適用性和所能達(dá)到的精度。在反復(fù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量的優(yōu)越性和適用條件做出分析和討論，指出在工作效率和精度方面的優(yōu)缺點(diǎn)。

GPS；RTK；精度；基準(zhǔn)站；流動(dòng)站

進(jìn)行GPS后處理測(cè)量，首先是采集數(shù)據(jù)，然后用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以獲取測(cè)點(diǎn)的定位成果。這種方法相當(dāng)于使用傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀和光電測(cè)距儀采集點(diǎn)之間的角度和距離，再推算出各測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)一樣。九十年代中期以前，后處理GPS測(cè)量（動(dòng)態(tài)測(cè)量很少采用）是等級(jí)測(cè)量定位首選方法。其后出現(xiàn)并采用RTK方法，測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)可在數(shù)據(jù)采集的同時(shí)立即獲得。該方法相當(dāng)于用常規(guī)儀器在同一個(gè)測(cè)站上，依次觀測(cè)與若干測(cè)點(diǎn)之間的角度和距離，按輻射導(dǎo)線計(jì)算測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)一樣。與此同時(shí)，準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量也得到廣泛應(yīng)用。

1 GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量方法簡述

流動(dòng)站接收機(jī)的數(shù)據(jù)采集間隔應(yīng)設(shè)置為與基準(zhǔn)站一致，這是在整個(gè)觀測(cè)過程的前提。在GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量作業(yè)之前要進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，可采用在已知點(diǎn)上重新初始化的方法，也可以使用靜態(tài)測(cè)量進(jìn)行初始化。當(dāng)完成初始化工作之后，無論是在流動(dòng)過程中采集數(shù)據(jù)還是把接收機(jī)安置于測(cè)點(diǎn)之上采集數(shù)據(jù)，流動(dòng)站所采集存儲(chǔ)于內(nèi)存的每一組坐標(biāo)數(shù)據(jù)都能達(dá)到厘米級(jí)水平的定位精度。通常情況下，流動(dòng)站系統(tǒng)的測(cè)量員會(huì)在側(cè)電上采集衛(wèi)星數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行短暫的停留，停留時(shí)間一般會(huì)在6秒至60秒鐘不等。每點(diǎn)測(cè)量完成，測(cè)量員就會(huì)轉(zhuǎn)移到下一個(gè)測(cè)量點(diǎn)上進(jìn)行繼續(xù)作業(yè)。在整個(gè)測(cè)量過程中，接收機(jī)和所有可見衛(wèi)星必須是相關(guān)聯(lián)，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)跟蹤的，流動(dòng)接收機(jī)對(duì)所接收衛(wèi)星信號(hào)數(shù)據(jù)的也需要連續(xù)跟蹤不失鎖，并且在各待測(cè)點(diǎn)上依次停留數(shù)秒來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。如果所跟蹤衛(wèi)星發(fā)生失鎖，必須重新進(jìn)行系統(tǒng)初始化，否則測(cè)量工作將無法進(jìn)行下去。

2 GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量原理及實(shí)驗(yàn)操作

本次實(shí)驗(yàn)過程采用ASHTECH雙頻GPS接收機(jī)，這里僅對(duì)靜態(tài)相對(duì)定位中廣泛使用的測(cè)相偽距動(dòng)態(tài)相對(duì)定位法，即載波相位求差法作簡要介紹，假如在基準(zhǔn)站上，用戶GPS接收機(jī)G0和Gi，同時(shí)于歷元T1和T2觀測(cè)兩顆衛(wèi)星Vj和Vk，根據(jù)GPS測(cè)量原理可得8個(gè)載波相位觀測(cè)方程，在歷元T1對(duì)衛(wèi)星Vj的觀測(cè)方程為：

同理可得其余7個(gè)觀測(cè)方程，限于篇幅不全列出。將兩臺(tái)GPS接收機(jī)G0、Gi在同一歷元觀測(cè)同一顆衛(wèi)星的載波相位觀測(cè)值求差，可消去衛(wèi)星鐘鐘差δtj、δtk；同時(shí)可得4個(gè)單差觀測(cè)量方程。兩臺(tái)接收機(jī)在歷元t1對(duì)衛(wèi)星Sj的單差觀測(cè)量方程為：

同理可得其余3個(gè)單差方程。再將兩臺(tái)接收機(jī)G0、Gi同時(shí)觀測(cè)兩顆衛(wèi)星Vj、Vk的載波相位觀測(cè)量測(cè)站間單差相減，可得兩個(gè)雙差觀測(cè)量方程：

3 數(shù)據(jù)處理與精度分析

3.1 數(shù)據(jù)處理及成果對(duì)比

本次試驗(yàn)選用雙頻GPS接收機(jī)三臺(tái)，一臺(tái)設(shè)為基準(zhǔn)站，一臺(tái)進(jìn)行準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，另外一臺(tái)進(jìn)行RTK，且初始化后準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量和RTK同時(shí)進(jìn)行，用隨機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，所有測(cè)量成果都轉(zhuǎn)換為西安-80坐標(biāo)，把準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量與RTK、靜態(tài)測(cè)量成果相比較，對(duì)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量精度進(jìn)行分析。對(duì)測(cè)區(qū)中10個(gè)點(diǎn)在不同時(shí)間測(cè)得成果對(duì)比，為了驗(yàn)證結(jié)論的可靠性，在相同的點(diǎn)上重復(fù)六次試驗(yàn)，把測(cè)量成果進(jìn)行對(duì)比。

3.2 測(cè)量成果的精度分析

從六次試驗(yàn)成果分析得到，每次在相同條件下準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量優(yōu)于RTK成果是可以肯定的。但也能看出幾次成果有明顯的不穩(wěn)定性，且精度相差還比較大。由于試驗(yàn)是用相同的儀器在相同的地點(diǎn)，時(shí)間段也都是在下午三點(diǎn)到五點(diǎn)、天氣晴朗時(shí)進(jìn)行的，儀器由相同的人操作，準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量中采用固定高的三腳架以便減小天線高的量取誤差。經(jīng)過對(duì)以上影響精度的條件排除分析，發(fā)現(xiàn)精度相差較大的主要原因是衛(wèi)星分布條件的不同。在GPS相對(duì)定位中，可求得法方程權(quán)系數(shù)陣QΔX，該矩陣主對(duì)角線上的元素QΔXii可構(gòu)成空間位置精度因子RDOP為：

經(jīng)分析得出，空間位置精度因子（RDOP）值的大小與衛(wèi)星空間幾何分布存在著一定的關(guān)系：①在一個(gè)觀測(cè)時(shí)段中包含多個(gè)歷元的觀測(cè)值，在此過程中GPS衛(wèi)星空間分布也有一定的變化；②在整個(gè)觀測(cè)時(shí)段中，RDOP值的大小是變化的，對(duì)應(yīng)基線的精度應(yīng)當(dāng)是多個(gè)RDOP值所產(chǎn)生的綜合影響；③RDOP值的大小隨著衛(wèi)星個(gè)數(shù)增多及幾何分布情況而減少：衛(wèi)星空間幾何分布均勻時(shí)，三個(gè)坐標(biāo)分量的精度因子接近一致；當(dāng)衛(wèi)星空間幾何分布條件不好時(shí)，三個(gè)坐標(biāo)分量的精度因子相差較大，此時(shí)衛(wèi)星幾何分布精度因子對(duì)三個(gè)坐標(biāo)分量的影響程度是不一致的。總之，若觀測(cè)過程中有五顆及以上的衛(wèi)星且分布均勻（天頂方向和四周都有衛(wèi)星分布）時(shí)，經(jīng)計(jì)算所得空間位置精度因子（RDOP）值都在0.6以下，這樣解算出的基線精度也比較高。如果觀測(cè)過程中衛(wèi)星數(shù)較少且分布不均勻，例如有其中三顆衛(wèi)星近似排列成一直線，第四顆衛(wèi)星高度較低，若只用三顆排成直線的衛(wèi)星計(jì)算空間位置精度因子（RDOP）值，這時(shí)的權(quán)系數(shù)陣QΔX幾乎成奇異陣，空間位置精度因子（RDOP）值就會(huì)較大，使得解算的基線精度較差。一般RDOP值在1.0以內(nèi)可認(rèn)為是較好的衛(wèi)星幾何分布。同一基線不同時(shí)段衛(wèi)星幾何分布條件不同，所得測(cè)量成果的精度就不同。而準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量在每個(gè)測(cè)站上有多個(gè)歷元的觀測(cè)值，其精度顯然要比RTK測(cè)量成果精度高。

4 結(jié)束語

綜合以上對(duì)GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量的精度分析，可以看出GPS準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量在相同的觀測(cè)條件下具有比RTK更高的精度，在衛(wèi)星分布條件并且觀測(cè)條件都較好的情況下，它的精度接近靜態(tài)測(cè)量的精度。況且準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量同樣具有速度快、點(diǎn)位精度均勻的優(yōu)點(diǎn)，但是在進(jìn)行準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量之前為了能得到較高的精度，最好查看衛(wèi)星星歷選擇衛(wèi)星分布條件較好的時(shí)間段進(jìn)行測(cè)量，這樣就可以充分體現(xiàn)出準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量的優(yōu)越性。在精度允許的條件下，可考慮用準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量代替靜態(tài)測(cè)量，這樣可以顯著的提高測(cè)量工作效率及GPS測(cè)量設(shè)備的利用率。

[1]劉大杰.全球定位系統(tǒng)（GPS）的原理與數(shù)據(jù)處理[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社.1996.

[2]徐紹銓.GPS測(cè)量原理與應(yīng)用[M].武漢:武漢大學(xué)出版社.2003.

[3]張華海.GPS定位技術(shù)在地面形變測(cè)量中的應(yīng)用[M].北京:中國礦業(yè)大學(xué)出版社.2000.

[4]李天文.GPS原理及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社.2003.

P228.4

A

2096-2789（2016）12-0126-02

史先領(lǐng)（1973-），男，江蘇豐縣人，副教授，研究方向：工程測(cè)量及GPS應(yīng)用方面。