手持式GPS的定位方式以及土地测绘中的应用

内容摘要：本文主要论述了手持式GPS目前主要的定位方法，精度情况，以及在国土测绘中的应用

关键词：GPSRTK RTDPPP技术 SBAS

中图分类号：U212.2文献标识码：A

一、引言

卫星定位技术在测绘中的应用，已经越来越普及。比如控制测量，地形测量，工程测量，变形监测等等。在我们的国土部门，我们也大量的应用这种先进的测量模式，大大的提高了我们的工作效率，提高了我们的测量精度，而且同时还大大的降低了我们外业测量人员的工作强度。

从上面的几种测量模式我们可以发现一个共性——这几种测量都需要厘米级的精度，那我们就可以用实时载波相位差分型（Real Time Kinematic）GPS来做这部分工作，也就是我们通俗说的RTK。

但是，在我们国土测量工作中，还有一些并不需要达到厘米级精度的测量工作，比如矿产资源调查、国土巡检、卫片调查等等。在这些工作中，我们只需要亚米级的精度就可以满足要求。而且，设备要尽可能的简单，方便。

二、手持GPS的种类及特点

我们就把目光投向了手持式GPS接收机这个领域。就我们了解，目前的手持式GPS接收机按技术性能分主要有几种：

单点定位手持机。这种手持机采用单点定位的形式进行测量，即在协议地球坐标系中，直接确定观测站相对于坐标原点（地球质心）绝对坐标的一种定位方法。这种模式在实际测量中只能达到10M以下的精度，无法应用早我们的测量领域。

利用SBAS星进行进行辅助差分的定位方法。

SBAS 即Satellite Based Augmentation Systems (DGNSS/DGPS/WAAS/EGNOS)

是利用地球静止轨道卫星建立的地区性广域差分增强系统。

目前全球发展的SBAS系统有：

欧空局接收卫星导航系统(EGNOS)，覆盖欧洲大陆；

美国的DGPS(Differential GPS)，美国雷声公司的广域增强系统(WAAS)，覆盖美洲大陆；

日本的多功能卫星增强系统（MSAS），覆盖亚洲大陆；

三者具有完全兼容的互操作性。

其特点是：

a、通过地球静止卫星（GEO）包括GPS卫星星历误差改正、卫星钟差改正和电离层改的信息；

b、通过GEO卫星发播GPS和GEO卫星完整的数据；

c、GEO卫星的导航载荷发射GPS L1测距信号。

具体使用范围如下图所示：

我们在我们所在的区域可以收到的广域差分信号时日本的MSAS系统，在收到SBAS信号的情况下，我们的手持式GPS接收机绝大部分情况都可以达到米级的精度。

3、PPP技术

精密单点定位(Precise Point Positioning, PPP)技术由美国喷气推进实验室( JPL ) 的Zumberge 于1997年提出。该技术的思路非常简单,在GPS定位中,主要的误差来源于三类,即轨道误差、卫星钟差和电离层延时。如果采用双频接收机,可以利用LC相位组合,消除电离层延时的影响。如果选择地心地固系表示卫星轨道,计算的参考框架同为地心地固系,可以消去观测方程中的地球自转参数。于是,只要给定卫星的轨道和精密钟差,采用精密的观测模型,就能像伪距一样,单站计算出接收机的精确位置、钟差、模糊度以及对流层延时参数。

根据PPP技术的要求,定位中需要系统提供卫星的精密轨道和钟差。目前,国际GPS服务组织( IGS)的几个数据分析中心具备这个能力提供卫星的精密轨道和钟差,但是,这些都是后处理结果。由于IGS现在不能提供实时和外推的精密卫星钟差,制约了实时PPP技术的应用;精密的卫星钟差仍然是PPP技术实时应用的瓶颈。

4、接收RTD(Real Time DGPS) 差分信号的手持GPS接收机。RTD，是利用伪距进行差分的，伪距差分是目前应用的一种差分定位技术，它是利用基准站已知坐标求出测站至卫星的距离，并将其与含有误差的测量距离比较，然后利用一个滤波器将此差值滤波并求出其偏差，再将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距，进而利用改正后的伪距求出自身坐标。这种测量方式可以达到亚米级的测量精度，而且在很多时候，最高精度可以达到20个厘米左后。

在以上各种模式的手持GPS接收机中，第一种方式是没有差分源的，所以精度也只能达到5-6M,甚至更差；而第二种方法采用SBAS星进行星站差分，由于我们在亚太地区用的是日本的MSAS（ Multi-functional Satellite Augmentation System ）,而我们从前图可以看出，他的作用范围离我们咸阳地区是比较远的，所以我们收到MSAS的辅助定位信号是比较弱的，因此这种方法对我们来讲也是不可取的。至于PPP技术，它目前还基本处于科研理论阶段。

经过论证，我们认为接收RTD差分信号的接收机可以满足我们的需求。但是，我们必须要在我们的使用范围内获得差分源——也就是能给我们的手持GPS接收机提供RTD差分信号的信号源

三、手持GPS的应用

我们局在2007年开始就建立了自己的CORS基站,当时是为了给我们的RTK提供RTK测量模式的差分源。现在，随着我们新的需求，我们让我们的合作方南方测绘通过软、硬件升级的方法让我们的CORS基站也兼具了发送RTD差分信号的功能。

然后，我们就可以用手持式GPS接收机来连接我们的基站。如下图：

我们要输入我们连接的服务器IP，端口，账号，密码等信息。

然后我们要进入下一个界面：

如上图，我们选择更新接入点，点击开始，设备就会通过GPRS网络到219.145.120.3:6060这个地址去找接入点。

找到我们需要的接入点后，我们的手持GPS就会收到有基站发送的RTD差分信号，连接以后，我们就会得到差分3D解，实际上就是伪距实时差分解。

这时候的手持GPS实现了差分定位了，然后我们在看它的精度因子，当精度因子降到一定的程度，我们就可以采集数据了。

然后，我们对定位精度进行了实时的测试。测试方法具体是在距离基站5KM,10KM,15KM等距离分别RTK模式和RTD模式测量同一点位，比较精度，得到以下结果，具体见下表：

表中的测试数据是我们在我们局CORS基站周围30公里的范围内进行随机的采点测试，在精度方面，基本可以达到50CM以下的误差。而在测试的过程中，由于手持设备的天线是非专业天线，所以测量的时候需要等到手持机的精度因子降得比较低的时候再进行采点，而不能像RTK一样，马上就可以采点。当然，如果我们想要提高效率，也可以给手持GPS机连接外接天线，这样将会大大的提高搜星速度和效率。

通过上表我们可以看到，除了5号点位因为观测条件不好（在大树下）导致误差较大之外，其余的点基本都能达到亚米级的精度。

在误差有了保障的情况下，我们的矿产资源调查、国土巡查、卫片调查等等工作都可以用这种手持GPS来完成，节约了我们的设备成本，同时也简化了操作，使得我们土地系统没有太高专业技能的同志也能利用简单易用的手持式GPS来进行测量工作。为我们局的相关工作提供了有力的保障。

目前，手持式GPS在我局主要应用于以下几个方面：

（一）卫片调查：秦都区是咸阳市经济发展最快的地区，每年新增建设用地1万余亩。每年卫片调查产生的部级图斑300个左右，产生的省级图斑400～500个。在这些图斑中，除了正常土地征用产生的图斑外，还有相当比例的违法图斑需要调查测绘。由于这些图斑数量太多，不可能用RTK一一测绘。测绘这些违法图斑，并将测绘数据标示在1:10000万的卫片上，并不需要很高的精度，因为1:1000万的卫片，人的眼睛分辨力只有0.1毫米，相当于0.1米。那么0.5米的精度标示到卫片上，就基本能够满足调查的精度要求，现在我们已将手持GPS广泛应用于卫片调查上，极大的推进了这项工作的开展。

（二）国土巡查：国土巡查是每一个基层国土所，每天都要完成的一项工作，如何能够快速发现土地违法行为、准确测绘违法地点、违法面积与四址，并及时的报告上级部门的是每一个国土所都应面临的一项重要工作。当每一个国土所都配备了这样一台手持GPS后，问题就引刃而解。现在，我们每个国土所都配备有这样一台设备。每当他们发现违法行为，都能及时测绘违法地点、面积、四址并报告上级部门，对上级部门的决策提供了极大的帮助。

（三）地质灾害调查：地质灾害预防是国土部门的一项重要工作。具体执行部门是各级国土部门的环境监测站。在咸阳市秦都区的地址灾害站主要有地裂缝，地面塌陷。环境监测站每年的工作就是在汛期，在地质灾害可能出现的重点区域，加强巡查，一旦发现有地裂缝、地面塌陷等险情要及时测绘地质突变发生地点及面积。报区委、区政府决策。

（四）矿产资源调查：秦都区的矿产资源比较简单，主要是砖瓦粘土、河沙、地下沙。矿产资源调查是矿产办公室的主要工作。测绘矿产的占地区域不需要太高的精度，包括测绘砖厂的占地范围，手持GPS完全都可以满足需要，手持GPS在矿产办公室的日常工作中发挥了很大的作用。

四、结束语

通过我局近年来引进手持GPS，对全局工作产生了极大的推动，在国土局的很多部门应用如：执法队、矿产办、环境监测站、各国土所手持GPS都被使用的得心应手。成为日常工作的必备工具，使土地测绘队从繁重的简单测量中解脱出来。全身心的投入到高精度的测量中，对秦都的经济发展作出更大的贡献。

参考文献：

1、GPS测量原理及应用 徐绍铨张华海杨志强王泽民

2、GPS卫星测量原理与应用 周忠谟易杰军周琪