GPS工程测量精度（共10篇）
GPS工程测量精度 篇1
0 引言
GPS技术是一种新兴的测量技术,随着科学技术的进步,GPS测量技术以其高精度、全天候的特点迅速被应用于大量工程实践。除了能够完成高精度静态测量之外,GPS还可以应用于动态测量中。随着GPS动态测量应用的日益广泛,对其动态测量性能做出评定也显得非常重要。目前,对于 GPS动态精度检测开展的相关研究并不系统,检测方法还较为缺乏。本文设计了一种基于旋转平台的检测系统,通过精密伺服驱动模拟不同动态条件,在此基础上完成对GPS接收机的相关动态检测,为GPS动态测量应用提供有益的参考。
1 GPS动态测量技术概述
GPS用于动态测量的主要技术手段是RTK技术,动态测量过程中,基站实时将得到的改正数通过电台发送至流动站,流动站利用基站改正数实时修正测量结果,同时,利用基站和流动站的测量数据也可以进行事后差分处理。除了能够完成绝对坐标测量之外,利用GPS动态测量技术还可以实现动态相对测量。目前GPS用于动态测量的精度有了较大提高,载波相位差分可使实时定位精度达到厘米级,在一些特定情况下,甚至可达到毫米、亚毫米级[1]。新一代接收机在动态测量的采样频率上也有突破,可实现20Hz以上的动态测量。随着新的GPS卫星的升空以及伽利略、北斗等导航系统的建成,优良卫星构型和观测量的增加使得利用卫星导航系统进行动态测量的精度会得到更大提高。同时,针对测量过程中GPS信号易受到遮挡的局限,可以通过组合导航的方式来解决。
2 基于旋转平台的动态检测系统
2.1 检测系统原理
本文中动态测量精度检测是基于自行设计的动态精度检测平台来完成的,如图1所示,该检测平台的基本原理是计算机通过运动控制卡控制伺服电机驱动机械负载进动,负载上加工了天线安装孔(左右两臂安装孔分别为A、B),天线安装于负载之后便可完成圆周运动,当电机的转速足够稳定且天线相位中心旋转半径已知时,天线将完成匀速圆周运动。同时,在负载运动的圆形轨迹旁安装光电位置传感器,将传感器所决定的位置作为参考位置,如果可以得到天线经过参考位置的时间信息,就能利用天线相位中心稳定的运行轨迹推算动态运行过程中任意时刻的位置,将推算得到的结果作为高精度的动态测量标准与GPS动态测量结果进行比较即可对其动态测量性能做出评价。
检测系统设计过程中关键技术及其解决方案包括以下四个方面。
(1)稳定的电机驱动系统。
选用了富士伺服电机+运动控制卡+减速器的驱动控制方案,通过1∶10的减速器减速之后,该电机可以实现最高500rad/min的转速。
(2)精密机械结构装置。
设计了高精度机械装置,在电机负载上加工了GPS天线及接收机安装螺孔,负载侧面可以固定用于触发光电位置传感器的金属挡片。
(3)精确计时系统。
采用计算机计时与自行开发的微秒级计时器相结合,适用于不同动态条件,最高计时精度可达微秒级。
(4)高精度动态参考位置基准。
在机械支撑臂上对称安装三台光电位置传感器,通过传感器实现动态条件下的高精度位置基准。
2.2 检测系统精度分析
(1)水平方向精度
对检测系统的精度根据不同的动态条件来进行分析,从系统的组成部件和设备情况来看,主要考虑的精度因素,包括计时设备的精度、电机驱动的精度、回转半径的精度、传感器动态参考位置精度以及测量设备进行静态标定时的精度。动态条件下使用单片机计时器可以忽略计时设备的时延,回转半径的加工精度取保守加工精度值0.5mm,电机转速的精度在不同的搭载设备情况下可以通过测试获取,除此之外,GPS静态位置标定的精度取长时间组网观测精度2mm,传感器动态位置精度则在已知动态条件下可以计算得到。通过实验对各子项误差分别进行了测试,得到该系统动态检测的精度分析结果如表1所示。
除了能够完成表1所示的动态绝对测量精度检测之外,系统还可以完成两台接收机双动态相对测量精度检测,检测精度只跟A位置和B位置的水平距离精度有关,根据前面分析可知,A、B位置的水平相对位置精度跟机械加工精度相关,可以保守地取其精度为0.5mm。
(2)高程方向精度
检测系统的高程方向精度可以通过倾角传感器来测定,利用传感器对转臂在运行一周过程中的倾角进行检测,得到的高程误差优于0.1mm,此精度远高于GPS的测量精度,因此可以认为系统在高程方向上具有很高的精度。
(3)速度检测精度
从系统的设备组成原理可以看出,旋转平台是通过精密伺服驱动实现的,因此检测系统除了完成位置检测之外,还可以完成一定精度条件下的速度检测。系统的速度检测精度跟电机的转速精度相关,不同动态条件下的速度检测精度如表2所示。
3 GPS动态检测实验及分析
由于实验条件所限,本文中GPS动态测试没有对RTK动态测量进行精度检测,主要针对两台诺瓦泰DL-4 plus 双频GPS 接收机的部分动态相对测量性能进行了实验,测试及数据处理条件如表3所示。为便于描述,下文叙述中接收机安装位置均是指天线安装位置。
3.1 GPS动态差分坐标测量检测
将两台接收机中1号接收机作为主站放置于固定点位,2号接收机作为流动站放置于平台上B位置,利用电机驱动接收机运动。对接收机采集的数据做事后差分解算可得2号接收机的动态测量坐标,将接收机测得坐标与检测系统的动态标准坐标进行比较可得到接收机在不同动态条件下的坐标测量误差。基于目前实验条件下两台接收机无法组网完成高精度的GPS静态标定的考虑,本文中只提出这种检测方案而并未开展检测实验。
3.2 GPS动态差分相对测量检测
动态差分相对测量实验时,将两台接收机中1号接收机放置于固定点位,2号接收机放置于检测平台上的B位置,首先在静态条件下进行同步测量,然后利用电机以不同的速度驱动接收机完成动态测量(如图2所示)。为了避免接收机在动态运动中的失锁现象,启动接收机待接收信号稳定之后(PDOP值<2.0)再驱动电机进动。测量结束后对两台接收机数据进行差分解算,理论上,2号接收机测得的数据应当位于理论回转半径500mm的圆上,由于动态测量误差的存在,测得的圆轨迹与理论圆之间存在一定差异,通过对两种圆差异进行分析可对该条件下动态测量精度进行评定,不同条件的实验方案如表4所示。
(1)方案1条件下的实验结果
该条件下结果主要包括测量点位分布、水平方向和高程方向测量结果,其中水平方向测量结果为测量点到中心点距离(中心点为测量点位平均位置),测量结果如图3~图5所示。
(2)方案2条件下实验结果
该条件下测量轨迹如图6所示,基于最小二乘原则对GPS在圆周上的动态测量数据进行拟合,拟合得到标准圆半径为499.8mm。根据拟合得到的圆能够计算测量值的水平径向误差,由于检测平台在高程方向上的精度很高,因此理论上高程测量值应相等。水平方向径向误差与高程方向测量值如图7、图8所示。
(3)方案3条件下实验结果
该条件下测量轨迹如图9所示,同样基于最小二乘原则对GPS动态测量数据进行拟合,通过拟合得到标准圆半径为499.9mm。水平方向和高程方向测量结果如图10、图11所示。
(4)方案4条件下实验结果
从数据处理软件的解算结果来看,3.14m/s条件下出现了较多的质量较差的点,测量的轨迹如图12所示。拟合得到的圆半径为539.2mm,半径的拟合值出现了厘米级误差,根据拟合结果计算得到水平方向和高程方向测量值如图13、图14所示。
方案5(6.28m/s)条件下,从解算软件的结果来看,解算结果只得到了非常有限的数据,数据量远远小于理论测量数据,通过查看数据对应历元可知,所得的测量数据主要是电机加减速过程中速度较低条件下的数据。方案6(9.42m/s)条件下解算得到的数据更少,接收机出现了失锁现象。不同方案条件下实验结果统计如表5所示。
从表中数据结果来看,低动态条件下拟合得到的圆半径与标准圆半径500mm非常接近,这也验证了检测平台转臂较高的加工精度。对于该型号接收机来说,事后差分模式处理条件下,静态与低动态条件(0.314m/s以下)水平和高程方向上测量结果差异均很小,水平方向的标准差在5mm以内,高程方向上的误差与水平方向相比较大,这与GPS测量原理相符。对于动态速度高于3.14m/s的条件,GPS接收机测量性能不理想,解算得到的数据质量较差,旋转速度高于6.18m/s时,接收机出现失锁现象。
3.3 GPS双动态相对测量检测
GPS双动态测量时,将1号、2号接收机分别固定于检测平台的A位置和B位置,在不同动态条件下利用电机驱动接收机进动(如图15所示),对获取的数据进行双动态解算,得到两接收机之间的相对位置测量数据,将此数据与已知的A、B位置之间的距离(1000mm)进行比较,从而得到动态测量误差。不同条件下的实验方案如表6所示,两接收机之间的相对距离测量结果如图16、图17所示。
从两种方案测得的数据来看,不同动态条件下的双动态相对测量中,不仅出现了2~3mm的系统误差,还存在7~10mm的标准差,总的来说,双动态测量存在厘米级的测量误差。与前面的测量类似,从数据解算软件结果来看,3.14m/s条件下解算得到的数据质量较差, 6.28m/s、9.42m/s条件下接收机仍然出现了失锁现象,说明该型号接收机在高动态圆周运动条件下的测量性能相对较差。
4 结论
对于GPS的动态测量精度,目前仅有一些设备生产厂家进行过以验证为目的的简单性能测试,还缺乏系统的检测手段。本文在GPS动态精度检测方面进行了尝试,基于自行设计的检测平台完成了对GPS接收机的两种动态检测,GPS动态差分相对测量条件下,静态与低动态条件(0.314m/s以下)水平和高程方向上测量误差差异均较小,水平方向测量标准差在5mm以内,高程方向的误差接近1cm。不同动态条件下的双动态相对测量中,不仅出现了2~3mm的系统误差,还存在7~10mm的标准差,动态较高条件下接收机出现了失锁现象。由于实验中接收机完成的是圆周运动,因此得到的结果跟直线运动状态下可能存在一些差异。此外,鉴于实验条件所限,文章并未对GPS动态绝对测量以及速度测量精度进行检测,在下一步工作中,可以开展这方面的研究工作,以期对GPS动态测量性能做出更为全面的评定。
参考文献
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GPS工程测量精度 篇2
【关键词】山区；GPS控制测量；高程精度
一、GPS控制测量概述
按照工作性质对GPS控制测量进行分类，可分为以下两方面内容：一是内业工作，包括测量前期技术设计、测量后期数据处理以及测量技术总结等；二是外业工作，包括测量前期选点、设置测站标志、埋石、野外观测作业以及作业结果检查等。一般情况下，GPS控制测量流程分为以下阶段，即设计GPS控制网、选点、埋石、野外观测、质量检验、测量数据处理以及测量报告编制。GPS控制测量的技术性要求较高，在测量工作中，应以满足测量精度和可靠性为前提，降低成本费用支出，提高测量人员工作效率，同时，还应优化设计、精心组织各个测量阶段。GPS控制测量作业要严格遵守相关规范，根据GPS定位技术、GPS接收机硬件和软件技术情况，确定GPS控制测量的时间、测量作业要求以及数据处理要求。根据《GPS测量规范》中的相关规定，可将GPS控制网依据测量精度划分为不同的级别。
GPS控制测量工作要根据由高级至低级、由整体至局部的原则建立控制网，通过控制网实现控制和碎部测量。GPS控制网按照测定点的位置不同分为平面控制网测量（即测定点的平面位置工作）和高程控制测量（即测定点的高程工作）。现阶段，外业工作已经实现数字化，主要包括全站仪导线测量、水准测量、首级控制测量。
二、山区城市GPS控制测量及其高程精度分析
（一）GPS控制测量的具体步骤
本次测量中采用的是南方测绘仪器公司自主研发的北极星9600型GPS测量系统，并以静态相对定位的方式开展测量工作，具体步骤如下：
1.对短基线测量的误差来源进行分析。就短基线而言，因其两个端点间的距离相对较短，所以在数据处理时，可以采用差分的方法。通常情况下，对流层与电离层对测量信号的延迟对两个端点的影响基本相同，而星历误差对两个观测站的影响也大致类似。故此，这些因素全部可以忽略不计。换言之，短基线测量误差的来源主要包括以下几个方面：多路径误差、接收机的位置误差、天线偏差、地面起始点误差以及GPS卫星的PDOP值。在实际测量时，需要对这些误差采取相应的措施加以控制，这样能够进一步提高测量结果的精确度。
2.选点。站址的选择在GPS控制测量过程中是非常关键的环节之一，选择合适的站址，能够有效消除GPS信号的传播误差。在具体选择时，除了应当按照CJJ73-1997规程中规定的选点要求之外，还应当对周围高于10°的障碍物绘制GPS点环视图。此外，GPS观测站之间虽然不需要相互通视，但在对山区城市进行测量时，应当减除多路径效应的影响。为此，观测站应当尽可能远离面积较大的水面，并避开高层建筑物，观测过程中汽车停放位置应当与测站保持一定的距离。
3.观测。在实际观测时，可按照最近30d的星历预报，选取卫星POPD值相对较小的时段进行观测，并依据点位的选择情况，再结合GPS点环视图、基线具体长度等相关因素，制定出合理可行的观测计划和日观测表。观测人员则可根据实地情况有选择地增加观测时段的长度，这样能够获得更加准确的数据。
4.数据处理。当每日的观测工作完成之后，对观测数据进行下载，然后按照相关规程、技术设计对外业全部资料进行检查验收，具体包括如下内容：成果是否与规程要求相符、观测数据的质量分析是否与实际情况相符等等。观测人员可以采用随机软件对基线进行处理，并以合格的双差固定解作为短基线处理的合格解。对于某些基线的处理，若是软件无法解算出合格解时，可以通过改变解算条件的方法进行重新解算，如改变历元间隔、改变高度截止角、禁止无效历元等等。该环节完成之后，需要对全部解算出来的合格固定解的基线进行检验核对。如果检验的过程中发现超限的情况时，必须对具体原因进行认真分析。
5.野外返工。对于经过检验核对，并且进行综合分析之后超限的基线，必须进行野外返工。具体包括以下两种情况：其一，当一个控制点无法与两条合格的独立基线相连接时，则必须将之纳入到下一日的观测计划当中，同时应当对观测网形进行适当调整，确保补测或是重测不少于1条独立基线；其二，当舍弃基线后的独立环含有的基线数量小于等于10时，因点位于GPS测量要求不符而导致某个测站多次重复测量仍然无法满足限差技术规定时，应当在整网观测完毕之后，对基线进行重测。
（二）高程精度的控制措施
1.天线高的准确测量。造成GPS高程误差的重要原因之一为天线高测量不准确。一般情况下，野外作业通常量取天线的斜高，即在天线圆盘间隔大致120°的3个方向上分别量取天线高，如此反复测量3次，在保证3次测量结果差值小于3mm的情况下取平均值。必须注意的是，如果在野外作业时采用的天线类型不同，则要密切关注天线相对中心在高度上的变化量。
2.對GPS网进行优化设计。GPS网的图形结构在一定程度上影响着GPS控制网的测量精度，其中，网的图形结构中的各站点基线数目和基线权阵是主要影响因素。在测量过程中，要根据测量需要以及GPS接收机观测作业的情况，优化设计GPS控制网的几何图形结构。在城市发展规划和地形条件的影响下，山区城市GPS控制网的网形呈现出不规则状态，其基线边的长短相差偏大。
3准确解算相位整周未知数。相位整周未知数的正确解算有利于确保控制点三维坐标值的计算精确性。现阶段，相位整周未知数的解算要以充足的观测数据为依据，所以必须确保站点上的观测时间要超过2h，对短边观测要运用实时动态和快速静态RTK技术，通过双频接收机快速获取整周未知数。
结论：
总而言之，我国大部分山区的地形起伏都相对较大，基于这一前提，使得待定点之间无法通视，并且接近于地面高度的大气密度也比较大，整体透明度较差，折光过程会受到严重影响，这样一来，导致了传统的导线测量、三角测量以及高程引测等难度较大，并且传统测量的网形设计的各项误差均会对测量成果的精度造成影响。GPS控制测量以其自身所具有的全天候、高精度、费用低、工作效率高等特点，成为山区城市测绘过程中的首选方法。在实际应用中，需要采取相应的措施确保高程精度，这是非常关键的环节。
参考文献
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GPS工程测量精度 篇3
目前我国的项目工程中的工程测量中的GPS技术应用, 有着许多的优势, 比如:测量工作的时间比较短, 测量定位非常快, 测量的准确性非常高等等, 现在在我国得到了一致的肯定与广泛的应用。尤其是在进行野外勘查测量的工作时, 那些大型的测量用的机械设备没有办法进入到测量现场, 那么便携式的GPS测量设备就可以发挥非常打的作用了, 这些设备携带方便给测量工作带来了非常打的方便。一般来说GPS测量技术是运用先进的卫星定位技术与遥感技术来当作基础技术来支撑的, 在进行测量工作的时候, 我们还要考虑到卫星的轨迹, 大气层以及接收设施等这些因素的影响, 这个方法子测量高程的时候有着很大的问题, 尤其是大气层中的那些对流层中如果反射的物质比较多的话, 那么就一定会对卫星的信号产生相应的干扰, 那么测量出来的高程的准确性就会大打折扣, 对工程测量结果的准确性产生了非常大的影响。
2 在工程测量中运用GPS技术测量出现误差的一些原因
我们在运行GPS技术进行工程测量的时候, 会利用卫星信号来对测量工作进行导航定位, 我们只需要在进行测量的现场设置一个GPS接收机, 在相同的时间段来同时接受三颗以上卫星所发出的信号就行了, 我们再对接受到的这些卫星信号运用一定的换算方法进行数据处理, 最后我们的到的这个测量点在这个时间段内和这些卫星的距离。由于在某一个特定的时间段GPS卫星的空间坐标是一定的, 我们通过数据的换算便可以得出该接收机在该时间点相对于空间的三维坐标点。在经过换算之后, 便得到了这个测量点在该时间点的相对地球的三维坐标点, 从而达到了工程测量的目的。
一般情况下, 其测量的步骤为:GPS接收机接收卫星信号、卫星信号数据参数换算、输出坐标值。我们在对项目工程进行测量的过程中, 由于大气层中含有大量的信号干扰物质, 尤其是在阴雨天等这些恶劣的气象条件, 天气状况不是特别理想的情况下, 大气对流层中较多的反射性物质会干扰卫星信号的传输与接收, 进而使得GPS接收机接收到的卫星信号产生偏差或者失真的状况, 从而造成精度误差;或者在具有强磁场的地质条件下进行的工程测量, 也会由于信号的干扰造成精度有误差。一般情况下, GPS技术在工程测量中的误差大多集中在某测量点的高程上, 也就是说在进行工程测量的过程中常常存在着大量的不精准的高程异常。高程异常通常说的是地下物质及其密度分布不均匀产生的重力异常导致的测量中出现的正常值与大地值的差异。一般情况下, 我们在对项目工程进行工程测量的时候, 对不精准的高程异常值来进行测量的时候, 常常会采用GPS技术来测量大地高, 而利用水准测量出正常高, 由二者差异拟合出似大地水准面, 然后通过解算得出测量点的高程异常, 这种方法被称为GPS高程拟合。我们在日常的工作中, 利用高程拟合方式来进行高程测量的时候, 由于水准测量的精确度与测量点的选择及测量周期相关, 这个工作量就会比较打, 在水准测量精度等级不高的情况下, 经常会导致高程精度出现误差的问题。
3 在工程测量中高程精度控制的具体措施
在实际的工作中, 我们在利用GPS技术对项目工程进行工程测量的高程精度控制的时候, 一定要考虑到其工作原理以及高程拟合要求等等, 一般情况下, 我们可以采取以下具体的技术措施来对高程精度来进行控制。
3.1 选用高精度的GPS接收仪
我们在用GPS技术进行工程测量的时候, 卫星信号的接收质量是测量精度控制的重点, 对于那些精度比较低的GPS接收仪来说, 往往由于对卫星信号的不敏感性导致其测量出现较大的偏差, 尤其是在信号干扰比较多、地质条件比较复杂的野外进行工程测量的时候, 非常容易受到测量现场周围复杂地形构成的磁场对信号的干扰造成测量误差。与此同时, 高精度的GPS接收仪在进行工程测量的时候, 所采用的是高精度的计算方式, 对卫星信号的相对信号变化产生的参数偏差有着较大的敏感性, 能够准确分辨干扰信号与正常工作信号的差别, 进行合理的计算选择。
3.2 选择合适的天气状况
在实际的工作中, 大气对流层常常含有大量的信号干扰物质, 特别是空气对流强烈的自然天气条件下, 一般会影响到GPS接收仪对卫星信号的接收或者接收的信号相对失真, 造成高程计算出现偏差。因此我们在进行工程测量的时候, 一般要选择那些天气状况比较好的天气来进行工程测量, 尽量避免不良天气给工程测量带来的误差.。
3.3 对电离层误差进行修正
大气电离层对卫星信号存在着干扰与折射、反射作用, 使得卫星信号在穿透电离层到达地球表面GPS接收仪的时候, 往往会出现非常大的偏差, 因此我们需要对其进行适当的修正。主要采用多频观测、电离层模型、同步观测等这些方式。
(1) 多频观测。多频观测主要指的是在某一测量点对多个伪距进行测量, 根据不同频率测得的伪距测量值在电离层中的折射率差异推算出电离层的折射改正数值, 以此提高GPS测量精度。
(2) 电离层模型。我们在用单频GPS接收仪来进行工程测量的时候, 一般情况下, 可以选用导航电文提供的电离层模型进行参数修正。通过测量我们可以得出的参数放置于导航电文提供的电离层模型中来进行参数比对, 进而对参数进行精度修正。
(3) 同步观测。我们在某一测量点设置多台GPS接收测量仪, 通过二者基线两端观测差值来对电离层测量精度进行计算, 修正测量数据。
3.4 在进行工程测量的时候测量基站与测量点的选择
我们在用GPS技术进行工程测量的时候, 测量基站及测量点的选择是非常重要的。尤其是在一些地形情况比较复杂的情况下, 地下介质密度分布不是很均匀, 测量现场的周边存在比较强磁场的地区, 非常容易在进行工程测量中对卫星接收信号形成干扰。因此, 我们在进行工程测量的时候, 可以选取周边较为空旷、相对基站间距稳定、符合实际工程需要的地点进行测量基站和测量点的选择, 以保证工程测量的准确性。
3.5 天线测量精度
我们在利用GPS技术进行工程测量的时候, 测量人员对天线测量精度要求一般不够重视, 尤其是野外作业天线以发散状斜向上设置的时候, 由于天线高程测量不准造成了测量基站对该点测量高程的测量出现一定偏差, 然而以该基站为基准进行的其他测量点的高程测量的过程中, 常常会因为误差累计造成最终测量高程误差结果较大。
3.6 合适的高程拟合数学模型
我们在进行高程拟合的时候, 由于数据换算是在数学曲面模拟大地水准面的模型中进行的, 会经常受到数学计算精度的影响, 使得正常点与待测点高程差值误差比较大。一般在进行计算的时候采用平面拟合法、二次曲面拟合法、样条函数法以及多面函数法等。其中二次曲面拟合法计算精度相对较高, 能够将数据参数误差有效降低, 但是, 在地质地形条件较为复杂的地区进行的拟合计算相对复杂, 其工作量也相对比较大。
4 结束语
综上所述, 把GPS技术应用到工程测量中, 我们可以可以从技术、测量方式、数学模型计算、基础设施设备等多个方面完成对测量高程精度的控制。随着我国科学技术的进一步发展, GPS接收测量仪的不断改进特别是结合GIS、遥感、计算机等多种技术而推动的测量技术改进, 将大大提高工程测量的精度和测量质量, 为现代工程设计、施工提供非常好的便利条件, 确保了项目工程的质量。
参考文献
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GPS工程测量精度 篇4
兰州黄河阶地高精度GPS测量与构造变形研究
在综合分析兰州黄河阶地发育和分布特征的基础上,采用高精度差分GPS测量并结合1:1万DEM图形数据资料,获得了黄河兰州段南北两岸阶地平面分布图和纵横剖面对比图.结合本区黄河不同级别阶地年代测试结果,研究了其构造变形特征,获得了穿越断裂带地区的.阶地变形特点、变形带宽度、变形幅度和速率等定量参数.结果表明:兰州盆地晚第四纪的构造变形主要以褶皱隆升为主,盆地内的断裂晚第四纪无明显构造活动.
作 者：刘兴旺 袁道阳 葛伟鹏 LIU Xing-wng YUAN Dao-yang GE Wei-peng 作者单位：中国地震局兰州地震研究所,甘肃,兰州,730000;中国地震局地震预测研究所兰州科技创新基地,甘肃,兰州,730000刊 名：西北地震学报 ISTIC PKU英文刊名：NORTHWESTERN SEISMOLOGICAL JOURNAL年，卷(期)：29(4)分类号：P931.2 P546关键词：兰州 黄河 阶地 构造变形 高精度GPS测量
GPS工程测量精度 篇5
关键词 内河航道;GPS控制网;基线解算;网平差
中图分类号 P228.4 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2010)082-0143-02
随着GPS技术的日渐成熟,其在大地控制测量、工程测量及变形监测、地形、地籍及房地产测量、水下地形测量等方面得到了广泛应用。采用GPS实施控制测量不受地面点之间通视情况的影响,其误差主要来源于GPS卫星、卫星信号的传播过程和地面接收设备。偶然误差主要包括信號的多路径效应,系统误差主要包括星历误差、卫星钟差、接收机钟差、大气折射误差等。从这些误差中可以看出,GPS测量观测点位周围的环境特点、网的布设、数据处理模型及方法等将会影响到GPS测量结果的质量。
内河航道GPS控制测量与其它区域的控制测量相类似,但由于内河航道有其自身的特点,选取的点位基本上沿岸布设,网形以及利用的起算点将会受到诸多限制,测量实施时应根据具体情况及要求选取合适的观测时间段和数据处理方法。本文根据GPS在西南水运出海北线通道(柳江黔江)航道整治一期工程控制测量中的应用,探讨在内河航道进行GPS控制网的布网原则、作业方法以及平差计算的有关问题,并得出几点结论。
1 内河航道的特点
由于地形、水深测量的需要,在沿海航道测量区域里进行控制测量时需要测定的控制点比较密,一般每隔0.7～1km便需布设1对点。而实际上,已知的高等级的控制点毕竟比较稀少,且离河岸较远,另外,内河航道险滩多、沙滩多、流速急,通行困难,交通极为不便,对选点、布点、控制测量造成诸多不便,对外业工作效率影响很大。
图1 柳江黔江D级GPS控制网布设示意图
2 GPS平面控制网的布设
柳江、黔江地处广西中部(北纬23°25′～24°19′东经109°18′～110°04′区域),沿线经过柳州、象州、武宣和桂平辖区。柳江红花枢纽至石龙三江口全长101.2km;黔江自石龙三江口至桂平三江口全长124.2km。由于路线长,而且两岸附近的C级GPS较少,首级控制网按D级布设,接着在D级网的基础上布设E级GPS控制网。D级GPS控制网实施中采取了如图1柳江黔江D级GPS控制网布设示意图所示。图1中C414、C418、C419、C515、C517、C622、C624、C627、C630、C633为已知点,D1至D67为待求点。
根据设计要求和为了方便以后施工使用,D、E级GPS点均沿江两岸布设,点位均选设在淹没水位以上的土质坚固处,并便于永久保留的特征的地方。D级GPS控制网相邻点之间的平均距离为6.5km,E级GPS控制网相邻点之间的平均距离为0.7km。E级GPS点绝大部分位于大岸顶上或大岸顶与水涯线之间,两岸成对布设且能满足地形测图的需要,各点至少有一个通视方向。
3 GPS平面控制网的施测
D、E级GPS分两大组(每组6台接收机)进行观测,全部采用边连接方式,重复基线尽量选取了通视边,以观测条件较好的控制点向前连接,每时段观测各点迁站的时间基本接近。首级网按D级和E级GPS平面控制测量的技术要求施测,并制定了以下原则:
1)数据采集前根据星历预报选择较好的观测时段。
2)在观测过程中,专人值守,并经常检查有效卫星的历元数是否符合要求,否则及时通知其它测站,延长时段时间,以保证观测精度;在观测时段内,接收机不能重新关开机或设置,不能移动天线。
3)GPS静态观测时,控制网内同步静态观测时间D级不少于90min,E级不少于60min。
4)观测卫星不少于4颗,卫星高度角≥15°。
5)每天出去测量前检查电池容量是否充足,仪器及其它附件是否携带齐全;对三脚架、基座对中器、水平气泡等仪器定时进行检验、校正,确保因外部设备而导致的误差降低到最小。
6)传输当天的数据时,认真核查了外业记录日期、开关机时间、观测者、GPS接收机编号、点名、时段号、天线高等信息,传完数据后及时清空接收机内存,以确保第二天数据存储不被遗漏。
4 数据处理及精度分析
4.1 数据处理
GPS内业采用Trimble公司开发的TGO ffice1.62数据处理软件来处理基线和进行网平差。在基线处理中对一些不良观测数据进行了剔除,全部基线均为固定解,所有基线最终成功解算。
1)删除观测时间太短的卫星观测数据,不让它们参加基线解算,保证基线解算结果的质量,同一时段观测值的数据剔除率小于10﹪。
2)对多颗卫星在同一时间段经常发生周跳,采用删除周跳严重的时间段的方法改善基线解算结果的质量。
3)通过缩小编辑因子的方法剔除残差值较大的观测值,删除对多路径影响严重的观测时间段和卫星。
4.2 精度分析
基线处理好后,检查各同步环和异步环闭合差均符合规范限差规定,再进行网平差。网平差加入约束(已知)点时逐个进行,达到通过约束部分已知点检查其它已知点的目的。证实各已知点兼容性良好后,再约束所有已知点进行最终平差。GPS平差精度统计见表1和表2。
5 结语
1)在建立航道GPS控制网时,宜采用先整体,后局部,逐级加密的方法。首先建立高精度长边GPS网,作为该地区的框架系统,然后逐步施测加密网,这样,使得误差分布更合理。
2)GPS测量控制技术有选点可以不用考虑相互通视,布设方法灵活、简单等优点而逐渐取代传统的控制测量方法,特别在山区河流等狭长测区的控制网布设中具有很大优势。
3)GPS网平差时,要对已知点的可靠性进行检核,防止网的扭曲、变形。对于长短边结合的控制网,不宜为了追求表面精度,过多剔除短边,使得网内局部精度失真。
参考文献
[1]JTJ203-2001.水运工程测量规范[S].
[2]焦明连.等.GPS在航道控制测量中的应用[J].测绘通报,2004,(8).
作者简介
提高GPS测量精度的分析及措施 篇6
1.1 GPS定位原理
GPS定位原理就是利用空间几何三点定位原理,如图l所示,在待测点Q设置GPS接收机。在某一时刻同时接收到3颗(或3颗以上)卫星S1,S2,S3所发出的信号。通过数据处理和计算,可求得该时刻接收机天线中心(测站点)Q点的三维坐标。
1.2 GPS测量的特点
⑴测量精度高,在小于50km的基线上,其相对定位精度可达l×l0-6,在大于l 000 km的基线上可达l×l0-8;⑵测站间无需通视,可根据实际需要确定点位,使得选点工作更加灵活方便;⑶观测时间短,静态相对定位每站仅需20min左右,动态相对定位仅需几秒钟;⑷仪器操作简便,观测人员只需对中、整平、量取天线高及开机后设定参数,接收机即可进行自动观测和记录。
二、影响GPS测量精度的误差分析
2.1 电离层折射误差
当GPS信号通过电离层时,信号的路径会发生弯曲,传播速度也会发生变化。所以用信号的传播时间乘上真空中光速而得到的距离就会不等于卫星至接收机的几何距离,这种偏差叫电离层折射误差。电离层改正数的大小主要决定于电子总量和信号频率。载波相位测量时的电离层折射改正和伪距测量时的改正数大小相同,符号相反,对于GPS信号来讲,这种距离改正在天顶方向最大可达50m,在接近地平方向时(高度角为20度)则可达150m,因此必须仔细地加以改正,否则会严重损害观测值的精度。
2.2 对流层折射误差
对流层是高度为40 km以下的大气底层,其大气密度比电离层更大,大气状态也更复杂。对流层与地面接触并从地面得到辐射热能,其温度随高度的上升而降低,GPS信号通过对流层时,也使传播的路径发生弯曲,从而使测量距离产生偏差,这种现象叫做对流层折射。对流层的折射与地面气候、大气压力、温度和湿度变化密切相关,这也使得对流层折射比电离层折射更复杂。对流层折射的影响与信号的高度角有关,当在天顶方向(高度角为90°),其影响达2.3 m;当在地面方向(高度角为10°),其影响可达20 m。
2.3 多路径误差
在GPS测量中,如果测站周围的反射物所反射的卫星信号(反射波)进入接收机天线,这就将和直接来自卫星的信号(直接波)产生干涉,从而使观测值偏离真值产生所谓的“多路径误差”。这种由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应被称作多路径效应。多路径效应是GPS测量中一种重要的误差源,将严重损害GPS测量的精度,严重时还将引起信号的失锁。反射信号和直接信号“叠加”后被接收天线所接收,如果单个反射信号进入接收机,L1载波相位测量中多路径误差的最大值为4.8 cm,对L2载波则为6.1cm。实际上可能有多个反射信号同时进入接收天线,此时多路径效应对伪距测量的影响是非常大的。实践表明,多路径误差对P码最大可达10 m以上。
三、提高GPS测量精度的措施研究
3.1 减弱电离层误差影响的措施
为了减弱电离层误差的影响:⑴利用双频观测。双频观测利用Pl和P2码测得两个伪距。就能利用电离层折射和信号频率有关的特性,从两个伪距观测值中求得电离层折射改正量。对观测结果进行改正。⑵利用电离层改正模型加以修正。⑶利用同步观测值求差。用两台接收机在基线的两端进行同步观测并取其观测量之差,可以减弱电离层折射的影响。这是因为当两观测站相距不太远时,由卫星至两观测站电磁波传播路程上的大气状况甚为相似。因此大气状况的系统影响便可通过同步观测量的求差而减弱。这种方法对于短基线(小于20 km)的效果尤为明显,这时经电离层折射改正后基线长度的残差一般为lppm·D。
3.2 减弱对流层折射误差影响的措施
⑴采用对流层模型加以改正。其气象参数在测站直接测定。⑵引入描述对流层影响的附加待估参数,在数据处理中一并求得。⑶利用同步观测量求差。当两观测站相距不太远时(小于20 km)由于信号通过对流层的路径相似,所以对同一卫星的同步观测值求差,可以明显地减弱对流层折射的影响。因此,这一方法在精密相对定位中,广泛被应用。但是,随着同步观测站之间距离增大,求差法的有效性也将随之降低。当距离大于100 km时,对流层折射的影响,是制约GPS定位精度提高的重要误差。
3.3削弱多路径误差影响的措施
为了削弱多路径误差的影响,要注意以下两大点:⑴选择合适的站址。多路径误差不仅与卫星信号方向有关、与反射系数有关,且与反射物离测站远近有关,应当采取以下措施来削弱。首先,测站应远离大面积平静的水面。灌木丛、草和其它地面植被能较好地吸收微波信号的能量,是较为理想的设站地址。翻耕后的土地和其它粗糙不平的地面的反射能力也较差,也可设站。其次,测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中。以避免反射信号从天线抑径板上方进入天线,产生多路径误差。⑵对接收机天线的要求。接收天线对于极化特性不同的反射信号应该有较强的抑制作用。在静态定位中经过较长时间的观测后,多路径误差的影响可大为削弱。
参考文献
[1]王洪涛,许国昌,赵洪等.GPS应用程序设计[M].北京:科学出版社,1999.
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GPS工程测量精度 篇7
本次地籍测量的作业区域位于某市外环路以内, 面积为468km2。测区内地势平坦, 平均高程4 1 m左右, 地势大体是东北高, 西南低。经过测算, 整个测区界址点数为38.8万个。如果采用全站仪进行控制点测量和界址点测量, 按照投人6个作业组 (每组5人) 进行测量, 每个作业组一天测量35个界址点, 则需时1847天, 无法按工期结束外业测量任务。因此, 决定采用G P S RTK方法进行界址点测量, 将6个作业组拆分为10个作业小组 (每组3人) , 力争每个作业小组一天测量150个界址点以上, 从而将外业测量时间压缩到260天以内。
2 实施方案与精度评定
2.1 作业流程
作业流程的科学化是数字测量的关键, 结合测区已有的资料, 以有关规程、规范为依据, 设计作业流程, 收集相关资料→测设首级与图根控制点→外业数据采集→内业数据处理→图形编辑→成功整理。
2.2 控制测量
常规的地籍控制测量采用三角网、导线网方法来施测, 这些测量方法要求相邻控制点之间必须通视, 技术规范对导线的长度、图形都有相应的要求, 而且, 在外业测设过程中不能实时知道导线的精度, 如果测设完成后, 回到内业进行平差处理后, 发现测量精度不符合规范要求的, 还必须返工重测。
GPS RTK技术解决了常规控制测量中的这些问题, 这种方法在测量过程中不要求点与点之间的通视, 不要求进行导线平差, 对控制点之间的图形、边长也没有什么要求, 而且, 采用实时GPS RTK测量能实时获得定位的坐标数据及精度, 测量控制器上会实时显示坐标及其点位精度, 如果点位精度满足要求了, 用户就可以将坐标的均值、精度及图形属性存贮到电子手簿中, 一般测量一个控制点在几分钟甚至于几秒钟内就可完成。这样可以大大提高作业效率。在地籍测图和勘测定界工作中, 如果把RTK用于控制测量, 布设测图控制网, 不仅可以大大减少人力强度、节省费用, 而且大大提高工作效率。
在应用GPS RTK布设控制网前, 应采用GPSRTK的点校正功能求出测区WGS-84坐标与80或54坐标的转换参数, 以避免投影变形过大, 得不到更精确的控制点坐标成果。
2.3 碎部测量
传统的碎部测量一般是根据测区已有的图根控制点, 利用平板仪测图或使用全站仪测图, 使用全站仪时, 测每个点均翰人该点的地物编码.然后再利用成图软件成图, 这些方法作业时要求测站点和被测的周围地物地貌等碎部点之间一定要通视, 而且一台仪器至少要求2～3人同时进行作业。
采用RTK技术进行测图时, 不要求通视, 架设好基准站后, 仅需一人拿着仪器便可以开始测量。测量时, 测量员在仪器已经初始化 (获得固定解) 的情况下, 在要测的地形地貌碎部点上, 将测杆对中、让气泡居中后, 开始测量几秒钟, 就能获得该点的坐标, 精度达到要求后就可保存, 保存点时输人该点的特征编码, 把一个区域内的地形地物点位测定后, 利用专业数据传输和处理软件可以输出所有的测量点。用RTK技术测定点位不要求点间通视, 仅需一人操作, 便可完成测图工作, 大大提高了测图的工作效率。
2.4 放样
放样是测量的一个应用分支, 在地籍测量中和工程施工中经常使用。它要求通过一定方法采用一定仪器把人为设计好的点位在实地给标定出来。放样的方法很多, 如经纬仪交会放样, 全站仪的边角放样, 距离交会等等, 利用以上方法放样出点的位置时, 往往需要根据测量的结果来回移动目标, 直至到达点位。放样同测图一样, 需要通视情况良好, 需要跑尺者和观测者, 工作效率低。
采用RTK技术放样时, 可以在室内用专用软件将要放样的点 (或线) 坐标编辑好, 传输到GPS的手簿中, 便可以在野外进行操作。操作时, 按提示选择放样点后, G P S RTK会实时解算出天线所在位置的坐标, 同时与待放样的坐标进行比较, 得出两者之间的坐标差, 再通过手簿的界面文字和图形导航到点。以Trimble 5700为例, 执行放样操作后, 手簿屏幕上文字界面会出现距离放样点的水平距离、垂直距离, 图形界面会出现箭头和指北方向, 指示该往哪个方向放样点靠近, 当仪器在距离放样点3m之内时, 箭头消失, 放样点用圆环表示, GPS天线的位置用十字丝显示。这种作业方法能很方便地找到放样点。
2.5 内业数据处理
外业采集数据后, 及时对外业采集的数据进行内业数据处理。
通过全站仪通讯软件把数据下载到计算机中, 再通过其他辅助软件编辑将数据存为*.DAT格式, 用CASS6.0成图软件展绘碎部测量点, 结合宗地草图和预设编码进行初步成图, 同时加载地籍各个要素, 做到地籍图图形数据的完整性和正确性。待一切就绪, 就可生成不同比例尺的宗地图、界址点成果表、界址调查表、宗地属性表等相关内容, 为地籍信息数据库的建立做好准备。
3 测距仪测距精度分析
用测距仪测量时, 高差公式为:
目前常用的测距仪标称精度为± (5mm+5ppmD) , 对误差精度分析如下。
3.1 测距误差的影响
3.2 对高差误差的影响
不同竖直角对应的高差误差见表1。
若只进行单向观测, 当断离超过300m时, 应加上地球曲率和大气折光改正数, 此时高差公式应为:
对高差误差的影响为:
4 结语
通过上面的分析与计算, 可以得出当用经纬仪测量时, 测距误差及高差误差与竖直角大小有关, 测距误差与竖直角大小成正比, 随着竖直角的增加, 测距相对误差增大。
摘要：本文基于笔者多年从事地籍测量的相关工作经验, 以笔者参与的广州某工程项目为研究背景, 研究探讨了基于GPS技术的地籍测量实施方案, 给出了精度分析的思路, 相信对同行能有所裨益。
关键词：工程背景,GPS,地籍测量,控制测量,碎部测量
参考文献
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[3]常庆生, 唐四元, 常青.GPS测量的误差及精度控制[J].测绘通报, 2000 (4) .
GPS工程测量精度 篇8
1 GPS技术的组成
GPS技术是基于全球定位系统, 通过空间卫星群和地面的包括主控站、地面接收天线和监测等监控系统共同完成的, 人们通过对卫星导航地质信息进行相应的定位处理, 实现对某一地区地理位置和有关情况进行了解, 空间卫星群保障GPS系统卫星信号畅通, 在工程测量中能实现随时随地地接收到空间卫星信号, 在高精准度定位中实现高质量的工程地质测量。随着科学技术的不断发展, GPS技术的组成和应用也越来越成熟。
2 工程测量中GPS技术的应用
2.1 在公路测量中的应用。公路工程的施工环境较为复杂, 其工程测量工作的任务也更为艰巨, 而GPS技术在广场测量工作中的引入则很好的缓解了测量工作的压力。现代化的公路工程测量工作, 利用计算机网络技术以及多种强大软件的支持来进行公路工程的设计和测绘, 促使我国公路工程在现代化的道路上更进一步。但是, 在公路工程施工要求和质量规格不断提高的今天, 往常的公路工程技术所产生的测量任务较重, 而且测量效率不高。通过GPS技术建立控网, 利用静态或者快速静态的方法来进行测量工作, 极大的提高了测量数据的处理效率, 而且数据处理质量得到了较大保证, 为公路施工打下了坚实的基础。
2.2 在矿山测量中的应用。我国可建设的土地资源相对较少, 特别是部分沿海地区, 要想扩大利用土地资源, 就必须采取对城市进行围垦的方法。这一方法部分施工会在水上进行或者是在受潮汐影响的地区进行, 这些施工地点的测量工作极为艰难, 传统的测量方法在这些地区基本寸步难行, 而GPS技术的引进则很好的解决了工程测量工作的这一问题。在对矿山进行加密施工的过程中, 地形测量工作以及诸多地标安放工作都能够有效的运用GPS技术。
2.3 虚拟现实技术的广泛应用。工程测量工作是为工程施工做准备的, 但是不是说所有的工程测量工作都需要在工程施工地点进行现场技术测量。一项大型工程的施工, 不可避免的会发生诸多突发和意外状况。而GPS技术的引进则很好的解决了这一问题, 利用该技术的虚拟现实技术能够模仿现场施工环境进行各种施工状况提前预知, 从而避免施工事故的发生。将现场测量数据输入到虚拟网络系统中, 建立三维立体图, 再结合施工的具体流程和环节将整个工程施工进行预演。此外, 利用该技术还能够很好的规划施工技术方案和测量方案, 从而提高施工效率, 保证施工质量。
2.4 变形监测中的应用。一项建筑项目的施工不可避免的会对周边环境和建筑物产生影响, 从而导致其产生形变, 尤其是建筑物地基形变和下沉, 这是就需要利用形变测量和监测技术对这些形变具体情况进行了解。工程建筑施工对形变监测数据要求较高, 必须保证数据的精准、正确性, 而这种数据监测本身就受到事故环境的限制, 因此形变监测工作难度较大。但是, GPS技术的引入则很好的降低了形变监测工作的工作难度, 极大的提高了其数据监测的准确性, 保证了监测结果的科学合理性。而且, 利用GPS技术还能够对周边形变进行预演和预测, 环节了形变监测工作的压力和工作量。
3 工程测量中GPS技术精度分析
3.1 卫星对GPS测绘的影响。GPS运行的根本就是利用外太空的卫星进行系统定位, 因此, GPS技术最大的影响因素就是卫星。由于GPS设备中安装有原子钟, 在原子钟的作用下, 会导致其时间显示与实际时间存在误差, 从而出现卫星钟差影响工程实际测绘准确性的事故。此外, GPS的测绘准确性还会受到卫星发射天线相位中心偏移的影响以及卫星星历导致的误差的影响。总而言之, GPS测绘技术会受制于卫星, 但是, GPS技术能够发挥出如此大的作用, 究其根本还是依赖于卫星技术的发展。
3.2 信号传播途径方面的因素。GPS技术的应用所依赖的还有信号的传播, 卫星信号是以电磁波传播的形式进行传播的, 但是, 这种传播会因为各种因素的影响而存在误差, 最终导致地面信号与卫星信号之间的传播存在时间误差。卫星信号的在传播过程中会受到温度、湿度、对流层折射、流层传播速度不一致等因素的影响, 最终导致GPS系统定位速度降低。整个大气层的传播条件以及地面的接受环境都是在不断变化的, 地面接收机在对卫星信号进行接受的时候, 也会因为周围环境的变化而产生一定的误差, 降低土地测绘的精确度。
3.3 信号接收机的影响。信号接收机对GPS测绘的影响主要有以下三方面:第一, GPS定位过程中采用的相对观测值, 在实际的测量过程中, 1~5周的内容容易被忽略, 进而影响测量坐标的精确度;第二, 接收机天线的相对中心与测站标识的中心位置也可能存在一定程度的偏差, 对土地测绘的精确度产生影响;第三, 接收机设备及软件有时候出现故障问题同样会影响到GPS土地测绘的精确度。
结语
最后, 从上述可知GPS技术在工程测量中的引入对工程施工所产生的巨大影响, 从该技术被广泛使用和认同可知其具备突出的技术优势。该技术的引入极大的提高了工程测量工作的测量效率和测量数据的精准性, 为我国工程测量工作的发展提供了极大的助力。而GPS的这一巨大技术优势也决定其广阔的发展未来。
参考文献
[1]吉星升, 董军, 卢秀山.GPS技术在工程测量中应用现状及其局限性[J].山东科技大学学报 (自然科学版) , 2001 (04) .
GPS工程测量精度 篇9
1.1 观测卫星的几何分布对绝对定位的影响
为了评价定位的结果, 在导航学中一般均采用有关精度因子DOP (Dilutionof Precision) 的概念。根据不同的要求可采用不同的精度评价模型和相应的精度因子, 通常有:平面位置精度因子HDOP (Horizontal DOP) ;高程精度因子VDOP (Vertical DOP) ;空间位置精度因子PDOP (Position DOP) ;接收机钟差精度因子TDOP (Time DOP) ;几何精度因子GDOP (Geometric DOP) , 是描述三维位置和时间误差综合影响的精度因子。利用以上各项精度因子, 便可以从不同方面, 对绝对定位的精度作出评价。GPS绝对定位的误差与精度因子DOP的大小成正比, 因此在伪距观测精度确定的情况下, 如何使精度因子的数值尽量减小, 便是提高定位精度的一个重要途径。
1.2 观测卫星的几何分布对相对定位的影响
RDOP (Relative DOP) 称为相对定位精度因子。相对定位精度因子 (RDOP) 与所测卫星的几何分布和观测时间密切相关。一般来说, RDOP是观测时间和反映所测卫星图形强度的PDOP (空间位置精度因子) 的函数, 它是从观测卫星的分布图形和观测时间两个方面, 综合表征相对定位精度的重要量。在动态相对定位中, RDOP仅与观测卫星的几何分布有关。为了保障相对定位的精度, 应限制RDOP的大小不超过一定的数值。
2 GPS基线成果可靠性检测指标
用GPS数据处理软件解算的基线, 同时提供有R M S、R D O P、R A T I O和R E J E C T E D等质量指标。其中RMS是基线平差计算后的验后中误差, 主要用于衡量观测质量, 能反映出观测噪音、周跳修复程度、观测改正模型误差等综合影响, 同时与基线长度也相关, 其值越小越好。RDOP称作相对定位几何精度因子, 主要表达在相对定位中, 卫星星座的几何图形结构, 与基线长度不相关。构成星座的卫星数多, 图形强度又好, 那么RDOP就小, 测量误差对基线成果的影响也就小。RATIO是一个比值, 在对整周未知数N的探查中, 采取舍入取整与加减1-2周的方法进行探查性试算, 从中选取残差平方和最小的一组作分母, 次好的一组作分子, 此比值越大, N的推测结果越好。经验证明当RATIO大于3.0时, 固定双差解的置信水平高。REJECTED是时段中剔除的劣质观测值数目, 一般取它与观测值总数的比值形成观测值剔除率, 反映观测值优劣比, 一般剔除率在10%以内。比值太高, 说明在有限的观测值中, 用于解算基线的多余观测少, 同样也会影响基线质量。
3 GPS基线解算的精化问题
GPS成果的好坏不仅取决于合理的组织实施, 还取决于数据处理。数据处理中, 基线解算质量直接影响到检验资料和平差计算, 所以基线向量解算是GPS数据处理中的重中之重。以下是获得良好基线的几点建议: (1) 固定点坐标精度必须保证。 (2) 基线解算以手工处理为好, 尤其当边长较长时。 (3) 为便于手工处理基线, 外业观测过程中应注意记录失锁情况、信噪比及信号质量。信噪比低于35的卫星应慎重使用, 低于30时应放弃使用。信号质量低于80%的观测数据不宜采用。 (4) 当整周未知数难以收敛时, 可采取:适当增加卫星高度角;删除观测历元少的卫星重组数据链;截取GDOP值较为稳定的数据段;采用单频解算;当观测时间不少于30min, 可考虑适当增大先验单位权中误差。有时, 一种方法尚不能解决问题, 可几种手段同时使用, 但应该注意保留足够的观测数据。 (5) 当边长不长时, 尽可能采取双差固定解。而且对于25km以上的边长, 电离层延迟、对流层折射和气象改正等影响在差分解中已难以完全消除, 其残余影响的噪声与先验单位权中误差相当, 整周未条数的确定显然已失去意义。所以, 当边长大于2 5 k m时, 观测时间需要多一些才好, 一般不少于1h。
4 提高GPS网精度的有效措施
4.1 对G P S接收机进行检验, 保证接收设备运转良好
(1) 接收机内部噪声水平检验:a、零基线检验。将同一天线接收的GPS卫星信号, 通过功分器分成相位、功率相同的两路信号, 分别输入两台接收机。根据两台接收机的观测数据, 利用相对定位的原理解算相应的基线向量, 在理论上, 所解算的基线向量应为0;b、超短基线检验。在无功分器的情况下, GPS接收机的内部噪声水平也可用长度精确的超短基线或基线网进行检验。将两台接收机天线, 分别安置在超短基线的两端, 并按高精度静态相对定位的要求进同步观测, 其测量结果与已知的基线长度之差, 主要反映了接收机的内部噪声水平。 (2) 天线相位中心稳定性的检验:通常采用相对定位法, 将GPS接收机分别精确地安置在基线网的端点上, 并将天线的定向标志指向正北, 观测一个时段1-2h后, 固定一个天线不动, 将其余天线依次同向旋转90度, 180度和270度, 并各观测一个时段, 最后再将固定不动的天线, 相对其余任意一天线, 依次转动90度, 180度和270度, 并分别观测一个时段, 求解各时段基线值, 其互差一般不超过GPS接收机标称固定误差的两倍。 (3) GPS野外鉴定场检验:在野外固定边长的超短边、短边、长边和超长边上进行静态观测, 并比较基线值与已知长度的差值, 即可知道接收机内部噪声水平。
4.2 实地仔细踏勘, 以保证测站点的观测条件
(1) 点位周围应便于安置天线和GPS接收机, 视野开阔, 视场内周围障碍物的高度角一般应小于巧度。 (2) 点位应远离大功率无线发射源及高压线, 以避免周围磁场对信号的干扰。 (3) 点位周围不应有对电磁波反射或吸收强烈的物体, 以减弱多路径效应的影响。
4.3 制订外业观测计划, 保证野外观测时有好的信号和卫星几何构图
(1) 编制GPS卫星可见性预报图, 输入高度角、测区中心概略坐标、日期及观测时间段, 即可得到相应卫星信息。在观测时段内, 可测的卫星数越多越好。 (2) 选择卫星的几何图形强度, 所观测的卫星与观测站构成的几何图形, 其强度因子GDOP必须小于8. (3) 选择最佳观测时段, 在天空出现的卫星数大于4, GDOP值小于6的时段就是最佳观测时段。
4.4 做好外业观测工作, 确保观测成果的质量
(1) 定向标志应指向正北, 并顾及当地磁偏角的影响, 定向误差绝对值不应超过5度。 (2) 各接收机的观测员应按观测计划规定的时间作业, 确保同步观测同一组卫星。 (3) 接收机开始记录数据后, 观测员应注意看并记录测站信息, 接收卫星数量、卫星号、各通道信噪比、相位测量残差, 实时定位的结果及其变化等情况。
4.5 选择合适的参数进行数据处理, 保证基线解算和网平差的质量
(1) 基线解算中起算点的WGS84坐标的精度应尽可能地高, 最好是己有的或转换的WGS84坐标值。 (2) 基线向量应用手工选择, 用精密星历来计算。 (3) 进行复测基线、同步环和独立环的检验, 以剔除GPS观测值中的粗差。 (4) 对地面数据进行检验和分析, 以避免起算数据中的粗差。
参考文献
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GPS工程测量精度 篇10
1 系统硬件设计
1.1 系统整体结构
系统设计的最终目的是测量异地时间差△t,但是由于2个测量点处于异地,不能使用同步测量,所以使用GPS作为同步时间基准,分别测量被测信号1与PPS信号的时间差t1和被测信号2到达测量点2时与PPS信号的时间差t2,通过后期回传数据到计算机进行处理,得到△t[4,5]。当测量信号到达测量设备1时,CPU保存当前计数器中的值,并进行适当整理,得到当时的绝对时间。同理,当被测信号到达测量设备2时,得到另一个绝对时间。最后将这2个时间信息传回计算机进行后期处理。利用GPS提供的同步时间作为时间基准,无论距离多远,只要能够接收到GPS信号就可以在异地进行测量。
整个测量系统结构如图1所示。各个功能模块实现功能如下:
(1)GPS信号接收模块:接收GPS信号,产生同步秒脉冲信号以及时间信息。完成与微处理器的通信,报告工作状态,并接收微处理器的控制。
(2)信息存储块模:存储测量的时间信息。受微处理器管理,可以进行存储、读取、删除信息等操作。
(3)人机接口模块:包括显示和键盘输入,采用微处理器控制和监测。
(4)微处理器模块:控制并接收GPS模块产生的秒脉冲和时间信号,监视键盘状态并控制液晶显示相应界面,同时可检测脉冲并记录保存时间等。
(5)与PC机通信接口模块:实现系统与PC机通信功能,接受微处理器控制,主要作用是回传数据到计算机进行后期处理。
1.2 系统主要模块设计
(1)GPS模块。系统选择Trimble公司的Copernicus GPS Receiver作为GPS信号接收模块,如图2所示。使用GPS模块的秒脉冲和时间信号定位,精度要求不高,而为了在户外手持使用,系统主要考虑对于体积和功耗有较高要求的使用需求[6,7,8]。系统选用的GPS模块面积仅有拇指大小,并且耗电量极低,是使用电池充电功能的手持式产品,设计时间精确度为50 ns,能满足本系统的要求,且价格相对便宜。
(2)处理器模块。系统选用Luminary的ARM“群星”系列的LM3S615作为控制及信息处理单元,如图3所示。LM3S615是一款32位处理器,其主要特性为:具有32 KB可编程单周期Flash、8 KB单周期SRAM、2个UART、1个硬件I2C、1个硬件SSI、3个通用定时器、8通道的10位ADC、模拟比较器、PWM等。采用存储器保护单元(MPU)为受保护的操作系统功能提供了一种特权模式,采用非对齐式的数据访问使数据可以有效地压入内存。处理器支持极细微的位元处理操作,可最大限度地使用内存,并且提供精简的外设控制。
(3)信息存储模块。常用的存储数据的媒介主要有Flash和E2PROM。系统主要存储的是时间信息,数据量不大,对速度的要求也不高,故选用了E2PROM芯片CAT24C128构成信息存储模块,如图4所示。该芯片基于低功耗CMOS技术,容量为128 KB,宽电源电压范围,使用I2C接口,最高速度400 kHz,方便软件控制且节约端口资源。
(4)电荷泵。由于常见的锂离子电池都是3.7 V,而液晶显示模块需要使用+5 V电源,所以需要一个升压电源。从系统的功耗和效率综合考虑,使用电荷泵是一种比较经济的方法,而且效率很高。系统电荷泵模块如图5所示。这里选择德州仪器公司的TPS60110,输入范围2.7 V~5.4 V,持续输出电流达400 mA,工作温度范围-40℃~+85℃,而且纹波电压峰峰值小于10 mV,可以满足GPS系统的供电要求。
1.3 系统可靠性优化
系统在设计时充分考虑了可靠性优化。系统GPS模块天线部分的频率达到1.5 GHz。良好的布线非常重要,在布线时应充分考虑就近原则及弧形走线原则。在天线走线部分,为了防止PCB板自身的干扰,应用地线进行保护。为了防止其他芯片对MCU电源的影响进而影响MCU的稳定性,系统单独选用了电源芯片从电源的入口处供电。系统中晶体的稳定与否关系到整个系统测量的误差精度,在晶体走线时以考虑就近原则及晶体信号线的保护为主。元件的布局遵照“先大后小,先难后易”的布置原则,先将GPS模块及MCU安放在合适位置,再依照原理图按各个分块电路的外围期间进行布局。为提高IC的可靠性,在IC电源处加去藕电容。去藕电容的布局尽量靠近IC的电源管脚,并与电源和地之间形成最短回路,且布线时电源经过电容再进入IC电源脚。为了防止PCB本身产生干扰,整个系统采用了双面铺地线的方法。
2 系统软件设计
系统主要功能程序流程如图6所示。上电开机时先初始化各功能模块,包括初始化GPS模块,并开始搜索GPS信号。系统以GPS的秒脉冲信号为时间基准,故GPS信号是系统一切操作的前提。只有搜索到GPS信号时,接下来测量到的所有数据才能保证其有效性。在GPS模块定位之后,将时间信息读入微处理器,并不停检测秒脉冲信号,以达到同步效果。同时微处理器通过控制液晶显示菜单界面,并搭配按键组合成相应的功能,包括是否启动检测信号,读取、保存或删除资料等。
3 系统调试结果及分析
原始数据测试。将设计的2块系统板的测试点直接相连,其中1块产生触发信号,采用安捷伦54622D示波器观察2个测量结果,可以得到在输入信号相同时两系统的固有测量误差的范围。测试数据如表1所示,所有数据单位均为μs。
系统的测量精度不仅和GPS的精度有关,还和微处理器本身的时钟晶体精度有关。系统时钟需要在2个PPS信号之间作为被测信号的参考,即最差的情况下,晶振需要在1 s时间内作为测量基准。故此测量方式由于晶振引入的累积误差最大应在1μs左右。另一方面,由于误差的累积与信号达到测量点的时间有关,即累积时间越长,误差越大。如果忽略短期(1 s)内晶振的频率漂移问题,则由于晶振时钟和标准时钟的差别是可以测量的,所以累积误差的大小也是可以推测的。由此,可以考虑使用软件对累积误差进行某种程度的校正,以提高测试精度。
表1的测试结果还可以看出,累积时长和误差的大小也存在比较明显的关系。如果能得到此关系,则可以使用软件校正消除此误差的绝大部分。假设此误差的增长和内部基准维持的时间是正比关系,对测试结果使用软件修正,得知系统最终的精度应该在1μs~2μs之间。使用系统板定时产生2个相差一定时间的脉冲信号,分别测量这2个信号到达2个测量点的时间,得到其时间差,观察此数据的变化,由定时程序得到理论定时值为1 280μs。由于程序使用C语言编写,定时长度具有一定误差,此定时的实际精度应该在1 283μs左右,最终的测量误差同样不超过2μs,因此2μs的测试精度是有保证的。
系统的精度关键在于GPS秒脉冲的精度和系统时钟精度。前面已经知道,测量精度和晶振累计时间长度有关,计数累计时间越长,误差越大。由此可以推断,晶体的本身特性对于系统测量的误差有较大影响。从另一方面来讲,软件校正是基于大量统计数据,而不同的晶振显然需要不同的校正数据,还需要在不同温度条件下分别测试,其工作量很大且没有可移植性,因此也需要找到能够最大限度决定精度的器件对其做出修改。使用更高精度有源晶体,系统的测试精度将会有极大提高。
系统经过2步优化后的测试结果如表2所示,所有数据单位均为μs。可以看到,优化后的系统精度和稳定性比优化前有了较大提高。
利用嵌入式系统实现GPS异地时间测量,具有出色的性能和较高的稳定性,使用软件校正的方法可以减小一定程度的累计误差,并结合晶振同步的方法,进一步减小了测量误差,有效保证了GPS异地时间测量系统的高精度,最终误差控制在3μs之内。
参考文献
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