浅谈GPS工程控制网数据处理误差控制方法

摘要：GPS已取代传统的测角、测距和导线网，成为各测绘生产单位的首选。本文分析了GPS 测量的主要误差来源及消弱方法，在GPS数据处理过程中，如何解决GPS控制网数据的误差已成为当前工作中的一个重要问题，也被众多学者和工程技术人员所关注，从布网、选点、外业观测、数据处理及网内平差处理四方面探讨了如何提高GPS控制测量的精度，对实际测量工作具有指导性意义。

关键词：GPS；数据处理；测量误差；控制方法；外业观测

Abstract: GPS has replaced the traditional angle measurement, distance measurement and wire mesh, to become the first choice of the mapping unit of production. This paper analyzes the GPS measurements weaken the main error sources and methods in the GPS data processing, how to solve the error of GPS control network data has become an important issue in the work, but also by many scholars and engineers are concerned, from the distribution network, the choice of site, field observation, data processing and network adjustment handle four aspects discussed how to improve the accuracy of GPS control survey of actual measurements of guiding significance.

Keywords: GPS; data processing; measurement error; control methods; observations outside the industry

中图分类号：P228.4文献标识码：A

引言

GPS具有信号全球地面连续覆盖、观测站之间不需要通视、操作简便、定位精度高等特点，在工程测量、地形测量、变形测量、房产测量等方面都得到了广泛应用。但在具体实践测量中，有时候接收到的信号很弱，周边物件对它的的干扰很大，严重影响了数据精度。因此，对数据处理人员提出了较高的要求，需要熟悉GPS的定位原理和误差理论，并掌握近代测量平差和大地测量知识，特别是GPS测量的误差来源和数据处理的质量控制等更为关键的问题。

一、GPS工程控制网数据处理方法的现状

GPS是一种能够定时和测距的空间交会定位的导航系统，随着GPS技术的发展，GPS工程控制网数据处理方法也不断完善，GPS在科学技术研究和经济建设等领域已获得广泛应用，其现状分析如下：

(一）GPS工程控制网的平差方法

GPS工程控制网平差有三维平差模型和二维平差模型，三维平差的主要方法是以GPS基线向量作为观测值，通过在地面坐标系统中进行GPS控制网三维平差，而二维的平差方法是将GPS三维基线向量观测值和相应的协方差矩阵转换为二维观测值以及相应的协方差矩阵。

（二）GPS工程控制网的投影处理

目前，GPS工程控制网均采用高斯投影的数据处理方法，为控制高斯投影长度变形，通行做法是选取测区中心经度和平均大地高作为投影的中央子午线和投影高程面，当测区范围较大和地区起伏较大时，将会产生不可忽视的高斯投影变形。

（三）GPS数据处理软件

近年来，伴随GPS定位理论和软件科学的发展，GPS相对定位数据处理软件得到了很大发展，如Trimble公司的TGO软件和美国麻省理工学院的GAMIT软件，但适用于高精度GPS工程控制网数据处理的软件依然还很少，高精度GPS工程控制网数据处理，必须准确确定与既有投影面尽可能想吻合的工程椭球面，必须从空间边长投影方面保持与地面网的边长尺度相一致，而现有的GPS数据处理软件，在这一方面考虑的不够充分，因此，还需要进一步完善。

二、GPS测量误差的来源

影响GPS控制网监测向量质量的因素较多，主要有电离层和对流层折射、多路径效应、卫星星历误差及一些人为因素等，这些因素对于GPS最终监测数据的影响，都可以通过具体的数学模型测算出来。

（一）与信号传播有关的误差

电离层延误：当GPS信号通过电离层时，地球周围的电离层对电磁波有折射效应，传播速度也会发生变化，所以测量出来的距离亦发生偏差。高度角越低，影响越大。

对流层延误：GPS信号通过对流层时，也使传播的路径发生弯曲，因而使测量出来的距离发生偏差。电磁波所受对流层折射的影响与电磁波传播途径上的温度、湿度、和气压有关。

多路径效应：由于接收机周围环境的影响，使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有各种反射和折射信号的影响，产生所谓的“多路径效应”。多路径误差与天线周围环境的反射特性及卫星信号的方向有关系，且这种误差表现为随时间而变化的周期性，故很难通过模拟改正消除或减弱。

（二）与卫星有关的误差

少数卫星的观测时间太短，导致这些卫星的整周未知数无法准确确定。在整个观测时段里，有个别时间段或个别卫星周跳太多，致使周跳无法完全修复。

卫星星历误差：不管采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异，这就是星历误差。它也是精密相对定位中的重要误差源，将严重影响单点定位的精度。可建立自己的卫星跟踪网独立定轨，轨道松弛法，同步观测值求差，以此来解决误差。

卫星钟的钟误差：GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间之间的误差叫卫星钟差，这种误差可采用在接收机间求差等方法来消除。

相对论效应：相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态不同前引起卫星钟和接收机钟之间产生对钟误差的现象。

（三）与地面接收设备有关的误差

接收机钟差是GPS接收机所使用的钟的钟面时与GPS标准时之间的差异。可通过以下方法来减少时差：①在观测时把数据处理中预观测站的位置参数一并求解；②将接收机钟差表示为时间多项式，并在观测量的平差计算中求解多项式的系数；③通过在卫星间求一次差来消除接收机的钟差。

接收机软件和硬件造成的误差：在进行GPS定位时，定位结果还会受到诸如处理与控制软件和硬件等的影响。

天线相位中心位置的偏差：在GPS测量中，观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准的，可在实际中，天线的相位中心随着信号契入强度和方向不同而有所变化，这种差别叫天线相位中心的位置偏差。

（四）其它因素导致的误差

GPS控制部分人为或计算机造成的误差：由于GPS控制部分的问题或用户在进行数据处理时引人的误差等（见表1）。

表1： GPS误差来源(1一sigma误差，单位:m)

另外，数据处理软件的算法不完善也会对定位结果的影响带来误差。

三、解决GPS控制网数据处理误差的有效措施

（一）布网要求

GPS 网应根据工程项目的要求、测区地形情况、交通条件进行设计，既要考虑近期建设的需要，又要考虑远期规划的需要，可以在全面网之上布设框架网，以框架网作为整个GPS网的骨架。若要采用高程拟合的方法测定网中各点的正常高，则需在布网时选定一定数量的水准点。即水准点的数量应尽可能的多，且均匀分布，还要保证有部分点分布在网中的四周，将整个网包含在其中。

（二）选点要求

由于GPS观测站之间不一定要求相互通视，而且网的图形结构也比较灵活，所以选点工作比常规控制测量的选点要简便，一般来说要满足一下要求：①点位应在易于安装接收机设备、视野开阔的较高点上。高度角15°以上的天空没有障碍物。②点位附近不应有大面积水域或强烈干扰卫星信号接收的物体，以减弱多路径效应的影响。③点位应考虑方便日后的加密，点位之间最好通视或至少有一个方向通视。④选点人员应按技术设计进行踏勘，按要求在实地选定点位，如有需要利用旧点，应对旧点稳定性、完好性进行调查，没有问题后方可使用。

（三）外业观测

作好外业观测工作，确保观测成果的质量。为提高其观测精度，在外业观测前，要制定科学周密的观测计划。观测作业的目的是捕获GPS信号，并对其进行跟踪、处理和量测，以获得所需要的定位信息和观测数据。因此，要选择最佳观测卫星组，最佳观测时间，并制定好观测计划，同时确定每组观测使用接收机的台数和型号。具体还应满足要求：①观察时段长度，应为开始记录数据到结果的时间段。每时段最少跟踪4 颗卫星，精度因子PDOP 值均小于6。②计算有效观测卫星总数时，将各时段有效观测卫星数扣除期间重复卫星数。③采用基于卫星定位连续运行基准站点观测模式时，可连续观测，但观测时间应不低于表中规定的各时间段观测时间的和。

观测过程中，观测者要特别注意供电情况，不能远离接收机，且头顶不要超过天线观察数据接收情况，如卫星数、信噪比及精度因子变化及点位周围环境、观测边的长度等因素，灵活掌握观测时间。观测过程中要随时查看一起内存和硬盘容量，每日观测结束后，及时将数据转存到计算机硬盘，确保观测数据不丢失。

另外，还需要做好观测记录，观测记录由GPS接收机自动进行，保存在存储介质中，主要内容项目名称、供电情况、作业时间及技术依据、观测实施情况、观测时段选择、工作量及定额计算，成果中尚存问题与必须说明的其他问题，观测记录需要每天认真填写，杜绝事后补记或追记。

（四）GPS 的数据处理及网内平差处理

GPS 网的平差和质量控制是以全网的坐标起算点起算，以GPS 基线向量为观测值，在WGS-84 坐标中进行三维无约束平差。有时在进行三维GPS网无约束平差时精度很高，若采用多个固定起算基准，在重复观测过程中基准点的位移对观测值起附和作用，就将损害观测值的精度。

在选择物理状态较稳定的参考点作为网的基准十分重要。若将平差网中的未知参数分为两类，即非拟稳点和拟稳点，可使在较稳定的未知量拟合于它的相对稳定值，这样既不歪曲测量结果，又有相对稳定的基准，可较好的达到检测变形的目的。

要提高GPS 网基线解算的精度，必须做好观测数据的处理工作，检验每天观测数据的精度和有效性，每天必须及时地对外业观测数据进行计算、检验，并认真做好记录，即进行基线解算及同步环、异步环坐标分量相对闭合差、复测基线较差的统计和误差衡量。对误差超限的基线进行适当处理或进行复测，以确保外业观测数据的质量和精度。

GPS测量任务完成后，各项技术资料整理完整，经验收后上交。上交资料包括：①测量任务书与技术设计书；②GPS网展点图；③环视图、卫星可见性图、预报表及观测计划；④接收设备及天气情况；⑤外业观测记录；⑥技术总结及成果验收报告。

结语

本文对GPS应用于工程控制网数据处理误差控制方法进行了简单探讨，对于做好GPS监测数据误差精度处理方而的工作具有一定的指导借鉴意义。实际在完成工程测量项目时，必须切合实际需要，做好算数据设计、网形结构设计、观测设计，选择合适的基线解算方法、严密的网平差技术，以最低的投入成本满足工程需要的精度，为国民经济建设服务。

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