高山峽谷地形中GPS定位測量誤差的分析和討論

靳　祠,秦巖賓,賈家琳（.成都理工大學　地球科學學院,成都　60059；.四川水利職業技術學院　測繪工程系,四川　崇州　63）

高山峽谷地形中GPS定位測量誤差的分析和討論

靳祠1,秦巖賓1,賈家琳2
（1.成都理工大學地球科學學院,成都610059；2.四川水利職業技術學院測繪工程系,四川崇州611231）

摘要：介紹了GPS定位測量中的誤差影響和來源，重點對高山，峽谷特殊地形中的GPS點位的選取、施測等方面進行討論。

關鍵詞：GPS測量技術；誤差分析；特殊地形

1　前言

GPS定位測量技術，為測量技術的發展——特別是控制測量——帶來了很大的革新。相較于傳統的測量方法技術，GPS定位測量技術以其定位精度高，觀測時間短，操作簡便，全天候等特點著稱[1]。隨著技術的日漸成熟，它的身影已經出現在了各種各樣的行業應用中。所以了解分析GPS定位測量誤差的影響和來源，是十分必要的。

2　各個誤差源影響及消除方法

（1）星歷誤差，又稱為衛星軌道誤差，是由于衛星星歷所提供的衛星空間位置和它的實際位置的差值。衛星星歷又分為廣播星歷和后處理星歷，通過兩者來得到衛星準確位置的軌道參數值。但是，兩者所提供的軌道參數計算出的衛星位置與實際位置不符，故存在誤差。其中廣播星歷推算的位置誤差可以達到20～30m；后處理星歷雖然能夠將誤差優化到1m左右，但它本身很難獲得。基線要求不長時，可以通過利用觀測值求差的方法消除衛星星歷誤差的影響，采用精密星歷的方法也能消除。

（2）衛星鐘差，包括頻偏、頻飄、鐘差及鐘的隨機誤差，它屬于系統誤差。只有保證GPS衛星上的原子鐘和接收機鐘與GPS時相一致，才能提高GPS測量的測時精度，從而提高GPS測量精度。否則，不經改正，最大等效距離誤差可達到300km。與衛星鐘差一樣，接收機鐘差也是與GPS時不一致產生的，引起的等距離誤差可達300m，正因為其的影響很大，所以不可忽視。采用鐘差模型進行誤差值的修正，能達到減少的效果；利用觀測量的線性組合，在衛星間進行求一次差也能消除。

（3）接收機天線相位中心偏差：由于接收信號的強度、方向、角度等不同，會影響相位中心的偏移，從而造成偏差的產生。采用相同類型天線采集觀測值、指北方向線指北定向來削弱硬影響。

（4）電離層折射誤差：當信號從衛星傳播至電離層時，信號的路徑會彎曲，使傳播速度發生變化，繼而使信號傳播的速度乘上其傳播時間得到的距離與衛星到接收機的距離不一致，產生的延遲值在天頂方向白天可達15m，夜晚達到1～3m左右。低仰角狀況下則一般在9～45m。

要改正電離層誤差，首選雙頻觀測技術消除，它是利用雙頻觀測量的色散效應（即折射改正數隨頻率變化）削弱誤差，達到改正的目的。

（5）對流層折射誤差，是GPS信號通過對流層時傳播的路徑發生變化，除了與大氣壓力、溫度、濕度等有關，還和信號的高度角有關，在天頂方向可達2.3m；在地面方向可達20m。不過，采用改正模型可以消除大部分對流層折射誤差，用相對定位消除殘差。

（6）多路徑效應，GPS信號由接收機接收時，由于測站周邊反射物的影響，接收機接收到的信號分為直接接收和間接接收，兩者相互干擾使觀測值偏離真值。資料表明：在基線邊長10km以下的GPS定位測量中，多路徑效應是最主要的誤差源之一。它嚴重影響定位精度，甚至會導致信號失鎖，影響GPS定位測量工作。

3　高山、峽谷地形——以川西高原為例進行GPS　D級網定位測量工程簡介及問題

（1）測區多屬狹長河谷地帶，城區沿河道而建，兩側都是高山，山間樹木茂盛，形成了天然的信號屏障，測區大部位于河谷之中，甚至有的地帶縱深幾公里，寬度卻只有幾百米，造成高度角變小，接收衛星數量少，多路徑效應誤差嚴重等問題。點位選擇時，充分考慮其影響，選擇在視野開闊，利于長期保存，便于操作、發展的地點。由于測區的地形特殊性，為了滿足點位密度設計的要求、方便聯測和擴展的需要，提高測點精度，故工程中建造了部分房頂標志。

房頂標志的建造，有益于在GPS測量中的網形設計的需要，構成GPS網圖形的邊長均勻。樓頂標志上空視野良好，能夠滿足設計中點位間通視的需要，解決了在狹長山谷地帶兩側反射物造成的強烈多路徑效應的影響。由于測區城市建筑物修建密集，選擇點位應避開信號發射源的干擾。在山間選擇點位時，要規避開高壓輸電線的影響，高大樹林的信號遮擋。由于任務設計要求埋設三等水準點，如果條件允許，應盡量將GPS點位和水準點位重合，方便聯測檢驗高程。因測區中涉及高海拔地區，應注意收集凍土資料，確定凍土深度，對于凍土深度大于0.8m（含）的地區，應采用凍土基本標石。

（2）點位埋設完畢后，點位經過雨季沉降穩定，凍土地區至少需經過一個凍解期[3]，才能進行觀測。儀器要求采用精度不低于5 mm+1ppm的雙頻GPS接收機進行相對定位觀測。增加觀測時段，設置采樣間隔，能增加多余觀測量，有利于在高山峽谷中削弱多路徑效應的影響。對所選點位進行相對定位，基線距離不是很長的情況下，對于星歷誤差、多路徑效應、對流層折射誤差等，都具有良好的消除作用。

（3）數據處理時，由于地形的限制和復雜性，導致觀測條件不是十分理想，所以星歷應該盡量采用IGS發布的精密星歷來進行處理，如果能保證基線長度沒有超過60km，則可以使用廣播星歷進行處理。對于多路徑效應影響嚴重的時間段和個別衛星（必須保證≥4顆衛星），可以采取剔除較大殘差觀測值的方法進行解算。而對于傳播路徑誤差有關的誤差，除了用模型進行改正，還能用改變高度截止角的方法剔除低角度位置受到的電離層、對流層誤差影響。

4　結束語

GPS定位測量技術在各個誤差源的共同作用下影響著點位精度，而特殊地形的限制，又加劇了誤差的干擾。結合生產實例，特殊地形中點位的選取應按照規范的要求進行，注意天線安置精度，增加觀測時間，增強網圖形設計強度，數據處理時適當剔除失鎖衛星數據、改變高度截止角。此實例，可以推廣高精度狹長帶狀地形的控制測量，如公路、鐵路、隧道、水運航道的高精度控制網的布設和觀測。

參考文獻：

[1]徐紹銓，張華海,楊志強等.GPS測量原理及應用[M].武漢:武漢大學出版社,2008(07).

[2]黃丁發,熊永良,周樂韜等.GPS衛星導航定位技術與方法[M].北京:科學出版社,2009.

[3]GB/T 18314-2009，全球定位系統（GPS）測量規范[S].

作者簡介：靳祠（1987-），男，藏族，四川金川人，碩士研究生在讀，研究方向：地理信息和地圖制圖工程。