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GPS测量误差的常见成因与应对方法

发表时间：2020/11/30 来源：《基层建设》2020年第22期作者：徐佳

[导读] 摘要：工程测量阶段，GPS技术的应用非常关键，能够使测量作业环节得到相应的简化，使测量精度得到有效提高，同时节约测量施工所需的时间，且无需较多的技术人员，使工程测量的效率以及质量得到切实提高。

        中铁十二局集团第三工程有限公司山西省太原市 030000
        摘要：工程测量阶段，GPS技术的应用非常关键，能够使测量作业环节得到相应的简化，使测量精度得到有效提高，同时节约测量施工所需的时间，且无需较多的技术人员，使工程测量的效率以及质量得到切实提高。因此，工程测量时，务必重视对GPS技术加以科学合理应用，促进工程测量施工的稳定顺利开展。鉴于此，本文主要分析GPS测量误差的常见成因与应对方法。
        关键词：GPS测量；测量误差；成因
        1、引言
        人造地球卫星是实现GPS定位技术于对某一具体特定地区的实时监控的基础，目前在我国GPS定位技术已经被应用在大坝实时监测以及隧道变通等等高密度和高精度要求的工程当中。国家通过对GPS定位技术的应用，设立精密非常高的工程设置网，进而实现各项高精密要求的测量工程其任务的完成。利用目前GPS测量技术在其工程测量当中的具体使用状况反馈上分析，GPS测量技术可以全天候性并且具有时效性等特性来完成测量工程的具体要求。
        2、GPS测量技术优点分析
        2.1、测量速度更快
        因为GPS主要基于接受获取的卫星载波为基础计算的实时坐标，且载波传输速率同光速较为相似，所以接受获取至计算成果所需的时间相对较短。静态观测阶段，GPS仅需半小时时间，便能够对平均边长达到9km的区域范围共同作出静态定位。工程之中的具体应用，仅需GPS接受终端充足，并可以一站全覆盖全段；具体施工阶段，RTK技术，即实时动态测量的科学合理应用，使工程测量的快、准、方便的高标准得以充分满足。
        2.2、定位精度更高
        以GPS工作原理为基础，基于理论层面做出分析，接收机仅需一颗卫星传输的信号便能够完成定位位置，不过因为GPS卫星覆盖范围十分广泛，具体使用时可以接受获取多颗卫星传输的信号，以更多的卫星信号当作检测值以及修正值运用至定位计算之中，确保GPS测量平均误差可以小于1mm。对测量定位相对较为严格、较高的工程测量而言，GPS技术则可以充分符合具体标准要求。
        2.3、操作简单、全天候
        目前，GPS测量技术具备十分良好的自动化以及智能化程度，便于操作人员的日常使用。针对静态导线而言，技术人员仅需对接收器具体工作状态做出相应的调整，对接收参数做出具体设置，便能够位于控制点进行架设，并进行开机工作。系统能够自动对完成对信息数据的采集以及整理，测量完成之后，仅需关闭按钮，并合理保存便可。
        3、GPS测量误差的常见成因
        3.1、卫星方面所致误差
        星历误差又称轨道误差，属于起算数据误差。影响星历误差大小的主要因素有定轨站数量及空间分布、定轨用力学模型及定轨软件、观测值数量与精度、星历外推时间间隔等。卫星星历误差对单点定位以及相对定位精度均有直接的影响，是GPS测量误差的重要来源。
        3.2、卫星钟差
        由于钟差、频偏、频漂等误差的影响以及卫星钟的随机误差，使得即便具有较高精度的卫星钟仍与理论GPS的标准时间存在一定的偏差。通常，卫星钟偏差总量为0.1～1ms时，就会导致测距时出现30～300km的误差。由此可见，其远远达不到GPS测量时定位精度的要求。
        3.2、多路径误差

        图1反射信号传播图
        多路径误差即是在开展GPS测量作业时，测站周围物体反射GPS信号至GPS接收天线，并与正常信号叠加而对来自卫星的GPS直接信号造成干扰，以致GPS的最终观测结果受到一部分反射信号的干扰而出现“多路径误差”（见图1）。多路径误差是影响GPS测量精度中的一项重要误差来源，不仅会大大降低GPS测量的精度，甚至在高反射环境下还会造成接收机信号失锁。
        4、应对方法
        4.1、星历误差的应对方法
        首先，采用精密星历即建立区域性卫星跟踪网予以独立定轨，此种方式能够有效规避他国有意降低星历精度的行为，可使单点定位精度得以显著提高，进而有效提升相对长基线定位精度。其次，采取轨道松弛改进法，即于平差模型中将星历给定的卫星位置作已知数，然后利用平差计算得出测站位置与轨道改正数。另外，利用同步观测求差法，能够消除两个不同测站的共同误差，从而有效减小卫星星历误差所造成的影响。
        4.2、卫星钟差的应对方法
        由上文可知，如若不对卫星钟差予以处理，将会导致高达300km的测距误差。通常，卫星钟差的改正可采取连续监测卫星钟运行状态的方式对误差大小予以确定，并通过广播星历钟的钟差改正数进行改正，改正后的卫星钟差基本能控制在20ns内，从而使测距误差＜6m。或采取相对定位或差分定位法，进一步减弱卫星钟差对GPS测量精度的影响。
        4.3、动态GPS测量技术的对策
        动态GPS测量技术位于公路测量中的具体应用，即对（RTK）实时动态定位技术的应用。RTK技术是基于载波相位观测值作为基础的实时差分GPS技术（RTDGPS），动态定位模式位于工程勘测中的应用，完成对横断面测量、桩测量与地形测绘等相关工作。无需通视的前提下，测量时间仅需1-3s左右，测量精度可以保持在10~30mm左右，该技术较常规测量仪器具备更加明显的优势特点。所以，RTK技术存在十分显著的优势特点，对精准测量结果做出实时动态呈现；避免因为误差产生的返工，使测量工作效率得到有效增加；作业效率相对较高，各放样点仅需停留1-2s，流动站小组仅需2人左右便能够对5~10km左右的中线进行有效测量。若开展地形测量，各小组每天平均可以实现对0.8~1.5km范围的地形测绘，精度以及效率相对较高；中线放样期间还可同步进行中桩抄平；关于竣工测量，GIS前端信息数据采集众多环节，如对有关软件加以辅助，RTK同全站仪搭配开展作业，能够使彼此优势得以充分发挥。
        4.4、科学控制GPS观测的实施
        经过一系列的准备，选择一晴朗天气进行静态GPS控制测量，具体步骤大致如下：（1）前期准备。把控制点周围的遮挡物清除干净，若测量过程中可能会碰到仪器等情况的要清理完全。检查仪器是否正常，检查电源是否正常。（2）安装仪器。踩实脚架，使其大致水平，然后安装基座，并对中、整平，用与仪器配套的钢卷尺量天线高并记录。（3）开机。仪器安装好后给负责人报告，以便负责人根据团队情况安排开机事宜。负责人给出开机具体时间后到时间点就及时开机，开机后检查接收机是否正常，然后把开机时间及接收机正常告知负责人。（4）记录。开机后观测者需要填写外业观测手薄，包括侧站名、日期、时段号、天线高、观测者、仪器号、开始时间、关机时间等等内容，以便后续的数据处理时有条不紊进行。（5）接收机接受信号过程中，要时常查看，检查接收机是否正常工作，电量是否充足，指示灯是否正常。观测者不能远离仪器，要防止无关人员及牲畜在附近走动破坏或碰撞仪器而导致重测等情况。观测过程中有任何异常情况都要记录在手薄中，并及时向负责人汇报。（6）关机。在约定好的时间或收到负责人的关机指示后关闭GPS接收机，并用配套钢卷尺量天线高，然后把关机时间和量取的天线高记录入手薄中并向负责人汇报。（7）收仪器。如果观测前有通知过该站是不动站则不收仪器等待下一次开机，如果不是则收起仪器，等待负责人安排交替去其他站。具体事宜就实地情况而安排。
        5、结束语
        结合上述所讲很容易就可以看出，对于其GPS测量技术在工程测量当中的具体应用具有相当重要的意义。并且技术工作人员也需要不断的对GPS定位技术进行发展与完善，促进GPS定位技术在新型科学领域之中的应用。
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