GPS接收機檢定中測量誤差超限處理方法的研究

張 健 曹瑞基/山東省計量科學研究院

在GPS接收機檢定中，面對“測量誤差超限”應如何處理，應怎樣確定引起誤差超限的原因，能否由此判定儀器不合格或者精度達不到指標要求？該文提出了一套處理測量誤差超差的方法，對GPS接收機的檢定和測量人員具有重要意義。

0 引言

在全球定位系統（GPS）接收機的檢定中，數據后處理是個關鍵環節，是將GPS接收機野外標準點上采集的數據通過數據后處理軟件進行基線解算的過程，然后才能對儀器進行精度評定。

“基線解算值”與“標準基線值”之差稱為“測量誤差”，根據GPS接收機不同的精度，對于不同的測量距離都有一個相應的測量誤差極限值。

按照JJF 1118-2004 《全球定位系統（GPS）接收機校準規范》（以下簡稱《規范》）要求，對于≤5 km的基線，GPS接收機的測量誤差應小于標稱標準差；對于＞5 km的基線，測量誤差應小于標稱標準差 的2倍。

對于GPS接收機，當測量誤差超限時，并不能盲目判定儀器不合格或者達不到精度指標要求，因為導致GPS測量誤差因素不僅有來自衛星的，也有GPS信號傳輸中電離層和對流層等帶來的誤差，還有GPS數據處理軟件等帶來的誤差。

當“誤差超限”時應該如何進行數據處理，特別是衛星干預后基線解算值仍然超差時，應如何對儀器下結論？經過多年對GPS接收機檢定工作的實踐，提出一套處理誤差超限的方法。

1 查看公共時段衛星數據質量

在《規范》中，對于不同長度的基線，最短觀測時間有相應的規定，基線越長測量時間越長（表 1）。

表1 基線長度與測量時間關系

測量時間，是指2臺以上GPS接收機的同步測量時間。GPS數據后處理時，只有同步測量時間內的數據才是有效數據，因此，當測量誤差超限時，首先查看同步測量時間，時間短會導致誤差超限。單臺接收機的數據沒法生成基線，是無效數據。

在保證測量時間的前提下，衛星的數據質量是最關鍵的。由于“GPS檢定場”各觀測點周圍視野空曠，沒有遮擋，當GPS信號出現嚴重周跳時（如圖1所示），便可以斷定誤差超限是GPS接收機本身造成的。此接收機的基線測量誤差為217.5 mm，限差6.5 mm，可以斷定此儀器不合格。

圖1 GPS 靜態測量數據

周跳嚴重的現象在一體化接收機上出現的比較多，主要是由于接收機天線、主機集成在一起，相互間“電磁串擾”造成的。

2 改變高度角和采樣間隔對基線處理

當GPS數據質量較好且沒有嚴重周跳，而測量誤差超限時，可以改變“高度角”和“采樣間隔”，重新進行數據后處理。《規范》要求，一般情況下，將高度角設置為15°、數據采樣率（采樣間隔）設置為15 s。

1）增大高度角而采樣間隔不變

由于低仰角衛星信號穿過更多的大氣層，GPS信號傳播的速度在高密度的大氣層中傳輸并不同于真空（或空氣）中的傳輸，那么位置的解算就會變得更加不精確。

在衛星數目較多時，此方法可以提高基線結果的精度。如國產某GPS接收機HD-5800N在2007年4月24日的測量數據。當高度角由15°增大到30°，基線的測量誤差在不斷減小，見表2。

表2 某GPS接收機增大高度角基線解算

2）減小高度角而采樣間隔不變

在有些情況下，增大高度角效果不顯著，特別是當測量時段可見衛星數較少的情況，此時可以適當減小高度角，增加衛星數，低仰角的衛星很可能對于基線解算提供很大的幫助。

3）改變采樣間隔而高度角不變

在改變高度角不奏效的情況下，可以改變數據采樣間隔，比如將采樣間隔由15 s減小到5 s或10 s，增加數據的密度，然后進行數據處理。當然要做到這一點必須在外業測量時，數據采樣間隔設置為1 s或5 s，這樣增加了數據文件的大小，數據采集時必須留有足夠的內存空間。

當改變高度角或者數據采樣間隔能提高基線的精度時，說明不是GPS接收機本身造成的超差。

3 數據拆分后進行數據處理

當改變“高度角”和“采樣間隔”后，測量基線解算值仍然超差時，例如某GPS接收機GX1230在2007年5月10日的檢定中的情況，基線處理結果見表3。

表3 某GPS接收機GX1230數據處理

此時，可以根據軟件功能將數據拆分或截取某一時段進行處理。

美國Trimble數據后處理軟件TGO（Trimble Geomatics OfficeTM）提供了截取某一時段數據的功能，可以在測量時段內設置“起始時間”和“結束時間”（如圖2所示），選取某一時段的數據進行處理。

圖2 TGO數據處理截取數據的窗口

通過數據拆分或截取某一時段數據，可以將衛星時段不好的數據去掉，在很多情況下，基線解算結果會得到很大提高。

4 查看“殘差圖”禁止質量差的衛星數據

如果數據拆分后基線處理結果仍沒有得到改善，此時需要查看衛星“殘差圖”。殘差是為了得到控制網的整體閉合差，對觀測值進行的修正數或平差值，顯示了從衛星接收數據的質量。殘差值越大則衛星數據質量越差，見圖3。

根據殘差情況，對衛星數據進行適當干預，禁止殘差較大或者周跳嚴重的衛星數據。

從圖3看出，衛星8的殘差較大，可以禁止此衛星的數據。基線重新解算后，若測量誤差減小，說明是個別衛星數據質量差的原因導致誤差超差。

圖3 衛星“殘差圖”

5 數據轉化為RENIX文件采用高精度軟件處理

由于GPS軟件是引起測量誤差不確定度的重要來源[1]，特別是國產GPS接收機數據后處理軟件，由于算法不完善，基線處理有時會帶來較大的誤差。

此時可以將GPS數據轉換為標準的RENIX文件，采用高精度GPS數據后處理軟件進行處理，比如天寶的TGO(Version 1.63)版本等。

例如，某GPS接收機V8在2008年3月17日的測量數據基線解算值嚴重超差。當采用軟件的默認數據采樣間隔60 s，高度角20°時，解算基線為 4114.1248 m，誤差 12.5 mm，仍然超差。而采用其他3種軟件的數據處理結果是一致的，見表4。

表4 高精度GPS軟件處理V8數據基線結果

這說明某軟件HDS2003在數據處理算法上有不合理的地方，并不是接收機本身造成的誤差超限。

6 查看星歷預報重新測量

當嘗試各種方法后仍然沒有找到“誤差超限”的根源，仍然不能判定儀器不合格。

此時建議，重新對GPS接收機進行檢定測量。為了保證測量數據的可靠，首先，查看“星歷預報”，選擇 GDOP（Geometrical Dilution of Precision）值較好的時段，通常GDOP值要小于4（見圖4、圖5），對儀器重新進行測量。

圖4 2009-1-14“GPS檢定場”W001點DOP值

由于GPS衛星不是地球同步衛星，衛星運行周期是11 h 58 min，所以，衛星每天繞地球2圈，而且每天觀測到同一顆衛星的時間要提前4 min。從兩圖的比較中可以看出：衛星不好的時段一直在提前。

圖5 2009-3-14“GPS檢定場”W001點DOP值

對于經過第二次檢定測量的GPS接收機，如果數據處理結果仍然不能滿足精度指標要求，那就可以斷定GPS接收機不合格。

7 結束語

伴隨著我國GPS產業化步伐的加速，GPS接收機已經在國民經濟的測繪、水利、石油、電力、資源勘探、交通、航海等領域有了廣泛的應用，也必將為我國經濟發展作出更大的貢獻。

通過對GPS接收機檢定中誤差超限處理方法的研究，提出了一套處理測量誤差超差的方法，希望能為廣大GPS接收機檢定人員和工程測量人員提供一定的參考和幫助，以便提高工作效率，更好地為我國經濟建設服務。

[1] 張健，曹瑞基，董書藝. GPS接收機測量誤差不確定度評定的探討[J]. 計量技術，2009, (01).

[2] 張健. Trimble GPS 5700檢定應注意的問題[J].中國計量，2005,(11).

[3] 張健, 董書藝. Trimble GPS 5700 使用中應注意的問題[J]. 上海計量測試，2005, (04).

[4] 張秀民，曹瑞基，張慧，張健，趙德清. XML技術在計量檢測業務管理系統中的應用研究[J]計量技術，2007,(04).

[5] 全國幾何量角度計量技術委員會. JJF 1118-2004[S]. 北京：中國計量出版社，2004.